Ácido fosfórico (H3PO4): estrutura, propriedades, usos

O ácido fosfórico é um oxoácido de fósforo que têm a fórmula química H 3 PO 4 . Consiste em um ácido mineral no qual três prótons ácidos estão ligados ao ânion fosfato (PO 4 3- ). Embora não seja considerado um ácido forte, o uso inadequado pode representar um risco à saúde.

Pode ser encontrado em dois estados: como um sólido na forma de cristais ortorrômicos espessos ou como um líquido cristalino tipo xarope. Sua apresentação comercial mais usual tem uma concentração de 85% p / p e uma densidade de 1.685 g / cm 3 . Essa densidade vem da mão da concentração.

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Uma molécula de ácido fosfórico individual é mostrada na imagem acima. Por Leyo [domínio público], do Wikimedia Commons

Os três grupos OH são responsáveis ​​por doar hidrogênios ácidos. Devido à sua presença em sua estrutura, pode reagir com diferentes hidróxidos causando vários sais.

No caso do hidróxido de sódio , ele pode formar três: fosfato monobásico de sódio (NaH 2 PO 4 ), fosfato dibásico de sódio (Na 2 HPO 4 ) e fosfato tribásico de sódio (Na 3 PO 4 ).

No entanto, dependendo de qual base é usada para neutralização ou de quais cátions estão muito próximos, ela pode formar outros sais de fosfato. Entre eles estão: fosfato de cálcio (Ca 3 (PO 4 ) 2 ), fosfato de lítio (Li 3 PO 4 ), fosfato férrico (FePO 4 ) e outros. Cada um com seus diferentes graus de protonação do ânion fosfato.

Por outro lado, o ácido fosfórico pode “seqüestrar” cátions divalentes como Fe 2+ , Cu 2+ , Ca 2+ e Mg 2+ . A temperaturas elevadas pode reagir com ele próprio, com a perda de uma molécula de H 2 O, formar dímeros, trímeros e polímeros de ácidos fosfóricos.

Esse tipo de reação torna esse composto capaz de estabelecer um grande número de estruturas com esqueletos de fósforo e oxigênio, a partir dos quais também pode ser obtida uma ampla gama de sais conhecidos como polifosfatos.

Em relação à sua descoberta, foi sintetizado em 1694 por Robert Boyle, dissolvendo P 2 O 5 (pentóxido de fósforo) em água. É um dos ácidos minerais mais úteis, sendo a sua função como fertilizante a mais importante. O fósforo, juntamente com o potássio e o nitrogênio, constituem os três principais nutrientes das plantas.

Estrutura quimica

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Por Nenhum autor legível por máquina fornecido. H Padleckas assumiu (com base em reivindicações de direitos autorais). [Domínio público], via Wikimedia Commons

O ácido fosfórico consiste em uma ligação P = O e três P – OH, onde os últimos são os portadores dos hidrogênios ácidos liberados em um meio de dissolução. Com o átomo de fósforo no centro, os oxígenos desenham uma espécie de tetraedro molecular.

Dessa maneira, o ácido fosfórico pode ser visualizado como um tetraedro. A partir desta perspectiva estes tetraedros (para as unidades de H 3 PO 4 ) interagem uns com os outros por ligações de hidrogénio ; isto é, seus vértices se aproximam.

Essas interações intermoleculares permitem que o ácido fosfórico se cristalize em dois sólidos: anidro e hemi-hidratado (H 3 PO 4 · 1 / 2H 2 O), ambos com sistemas cristalinos monoclínicos. A forma anidra, também pode ser descrita pela fórmula: 3H 2 O · P 2 O 5 , o que é igual a um pentóxido de fósforo tri-hidratado.

O tetraedro pode até se ligar covalentemente, mas para isso, uma de suas unidades deve remover uma molécula de água por desidratação. Isto ocorre quando o H 3 PO 4 é submetido a um aquecimento e, consequentemente, proporcionando a formação de ácido polifosfórico (PA).

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Ácido difosfórico (H 4 P 2 O 7 )

O mais simples de todos os PAs é o ácido difosfórico (H 4 P 2 O 7 ), também conhecido como ácido pirofosfórico. A equação química de sua formação é a seguinte:

2H 3 PO 4 <=> H 4 P 2 O 7 + H 2 O

A balança depende da quantidade de água e da temperatura. Qual é a sua estrutura? As estruturas de ácido ortofosfórico e ácido pirofosfórico são ilustradas na imagem no canto superior esquerdo.

Duas unidades se unem covalentemente quando uma molécula de água é removida, formando uma ponte de oxigênio P – O – P entre elas. Agora não existem três hidrogênios ácidos, mas quatro (quatro grupos –OH). Por esse motivo, o H 4 P 2 O 7 possui quatro constantes de ionização k a .

Ácidos polifosfóricos

A desidratação pode continuar com o ácido pirofosfórico se o aquecimento continuar. Porque Porque em cada extremidade de sua molécula existe um grupo OH que pode ser removido como molécula de água, promovendo o crescimento subsequente do esqueleto de P – O – P – O – P…

Exemplos desses ácidos são os ácidos tripolifosfórico e tetrapolifosfórico (ambos ilustrados na imagem). Pode-se ver como o esqueleto de P-O-P se alonga em um tipo de cadeia formada por tetraedros.

Esses compostos podem ser representados com a fórmula HO (PO 2 OH) x H, onde HO é a extremidade esquerda que pode ser desidratada. PO 2 OH é o esqueleto de fósforo com as ligações P = O e OH; e x são as unidades ou moléculas de ácidos fosfóricos necessárias para obter a referida cadeia.

Quando esses compostos são completamente neutralizados, os chamados polifosfatos se originam. Dependendo dos cátions, eles formam uma grande variedade de sais de polifosfatos.

Por outro lado, se eles reagem com álcoois ROH, os hidrogênios de seu esqueleto são substituídos pelos substituintes R-alquil. Assim, surgem os ésteres de fosfato (ou polifosfatos): RO (PO 2 OR) x R. Simplesmente substitua H por R em todas as estruturas da imagem da seção para obtê-los.

Ácidos polifosfóricos cíclicos

As cadeias P-O-P podem até ser fechadas em anel ou ciclo fosfórico. O mais simples desse tipo de composto é o ácido trimetafosfórico (canto superior direito da imagem). Assim, os APs podem ser lineares, cíclicos; ou se suas estruturas exibirem os dois tipos, ramificadas.

Nomenclatura

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Fonte: commons.wikimedia.org

A nomenclatura do ácido fosfórico é ditada pela IUPAC e como é denominada sais ternários dos oxácidos.

Porque o H 3 PO 4 o átomo de P tem uma valência de 5, o valor mais elevado, o ácido é atribuído o sufixo -ic para fosfor- prefixo.

Orto

No entanto, o ácido fosfórico também é comumente chamado de ácido ortofosfórico. Porque Porque a palavra ‘orto’ é grega e significa ‘verdadeira’; o que se traduziria na forma “verdadeira” ou “mais hidratada”.

Quando o hidróxido de fósforo anidro é hidratado com um excesso de água (P 4 O 10 , a “tampa” de fósforo na imagem acima ) é produzida H 3 PO 4 (3H 2 O · P 2 O 5 ). Assim, o prefixo orto é atribuído aos ácidos formados com água em abundância.

Piro

O prefixo piro refere-se a qualquer composto originado após a aplicação do calor, uma vez que o ácido difosfórico surge da desidratação térmica do ácido fosfórico. Ele é chamado ácido de modo pirofosfórico (2H 2 O · P 2 O 5 ).

Objetivo

O prefixo meta, que também é uma palavra grega, significa ‘depois’. É adicionado às substâncias cuja fórmula eliminou uma molécula, neste caso, a da água:

H 3 PO 4 => HPO 3 + H 2 O

Observe que desta vez a adição de duas unidades fosfóricas não ocorre para formar o ácido difosfórico, mas o ácido metafosfórico é obtido (dos quais não há evidências de sua existência).

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É também importante a notar que esse ácido pode ser descrito como H 2 O · P 2 O 5 (semelhante ao hemi-hidrato, multiplicando HPO 3 2). O código de destino é perfeitamente consistente com o PA clico, porque se o ácido trifosfórico desidratado, mas não se adicionar uma outra unidade de H 3 PO 4 para tornar-se ácido tetrafosfórico, em seguida, para formar um anel.

E o mesmo ocorre com outros ácidos polimetafosfóricos, embora a IUPAC recomende chamá-los como compostos cíclicos do PA correspondente.

Propriedades

Fórmula molecular

H 3 PO 4

Peso molecular

97,994 g / mol

Aspecto físico

Na sua forma sólida, apresenta cristais ortorrômbicos, higroscópicos e transparentes. Sob a forma líquida, é cristalino, parecendo um xarope viscoso.

Comercialmente é obtido em solução aquosa com uma concentração de 85% p / p. Em todas essas apresentações, falta cheiro.

Pontos de ebulição e fusão

158 ° C (316 ° F a 760 mmHg).

42,2 ° C (108º F).

Solubilidade em água

548 g / 100 g de H 2 O a 20 ° C; 369,4 g / 100 ml a 0,5 ° C; 446 g / 100m a 14,95º C.

Densidade

1,892 g / cm 3 (sólido); 1,841 g / cm 3 (100% de solução); 1,685 g / cm 3 (85% de solução); 1.334 g / cm 3 solução a 50%) a 25 ° C.

Densidade de vapor

Em relação ao ar 3.4 (ar = 1).

Auto ignição

Não é inflamável.

Viscosidade

3,86 mPoise (solução a 40% a 20 ° C).

Acidez

pH: 1,5 (solução 0,1 N em água)

pKa: pKa1 = 2.148; pKa2 = 7.198 e pKa3 = 12.319. Portanto, seu hidrogênio mais ácido é o primeiro.

Decomposição

Quando aquecido, libera óxidos de fósforo. Se a temperatura subir para 213 ° C ou mais, torna-se ácido pirofosfórico (H 4 P 2 O 7 ).

Corrosividade

Corrosivo para metais ferrosos e alumínio. Ao reagir com esses metais, o gás combustível hidrogênio se origina.

Polimerização

Polimeriza violentamente com compostos azo, epóxidos e compostos polimerizáveis.

Usos

Sais de fosfato e usos gerais

-O ácido fosfórico serve como base para a preparação de fosfatos, que são usados ​​como fertilizantes porque o fósforo é o principal nutriente das plantas.

– Foi utilizado no tratamento de envenenamento por chumbo e outras condições nas quais são necessárias quantidades significativas de fosfato e na produção de acidose leve.

-É utilizado para controlar o pH do trato urinário de martas e despesas, a fim de evitar a formação de pedras nos rins.

– O ácido fosfórico origina os sais Na 2 HPO 4 e NaH 2 PO 4 que constituem um sistema tampão de pH com um pKa de 6,8. Este sistema regulador de pH está presente no homem, tendo importância na regulação do pH intracelular, bem como no gerenciamento da concentração de hidrogênio nos túbulos distais e coletores dos néfrons.

-É utilizado na remoção da camada mofada de óxido de ferro que se acumula neste metal. O ácido fosfórico forma fosfato de ferro que pode ser facilmente removido da superfície do metal. Também é usado no polimento elétrico do alumínio e é um agente de ligação para produtos refratários, como alumina e magnésia.

Industrial

-O ácido posfórico é designado como um agente catalítico na fabricação de nylon e gasolina. É utilizado como agente desidratante na gravação litográfica, na preparação de corantes para uso na indústria têxtil, no processo de coagulação do látex na indústria da borracha e na purificação de peróxido de hidrogênio.

O ácido é utilizado como aditivo em refrigerantes, contribuindo assim para o seu sabor. Diluído é aplicado no processo de refino de açúcar. Ele também atua como um sistema tampão na preparação de presunto, gelatina e antibióticos.

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-Está envolvido na produção de detergentes, na catálise ácida da produção de acetileno.

-É usado como acidulante em alimentos para a indústria pecuária e animais de estimação. A indústria farmacêutica o utiliza na fabricação de medicamentos antieméticos. Também é usado em uma mistura para fazer asfalto para pavimentar o chão e reparar as rachaduras.

– O ácido fosfórico atua como catalisador na reação de hidratação dos alcenos para produzir álcool, principalmente etanol. Além disso, é utilizado na determinação de carbono orgânico nos solos.

Dentista

É utilizado pelos dentistas para limpar e condicionar a superfície dentária antes da colocação dos suportes dentários. Também encontra uso no clareamento dos dentes e na remoção de placas dentárias. Além disso, é utilizado na fabricação de cola para próteses dentárias.

Cosméticos

O ácido fosfórico é usado para ajustar o pH na preparação de produtos cosméticos e no cuidado da pele. É usado como um agente oxidante químico para a produção de carvão ativado.

Formação de ácido fosfórico

– O ácido fosfórico é preparado a partir de rochas fosfáticas do tipo apatita, por digestão com ácido sulfúrico concentrado:

Ca 3 (PO 4 ) 2 + 3 H 2 SO 4 + 6 H 2 O => 2 H 3 PO 4 + 3 ( CaSO 4 .2H 2 O)

O ácido fosfórico obtido nesta reação é de baixa pureza, por isso é submetido a um processo de purificação que inclui técnicas de precipitação, extração com solvente, cristalização e troca iônica.

– O ácido fosfórico pode ser produzido dissolvendo o pentóxido de fósforo em água fervente.

– Também pode ser obtido aquecendo o fósforo com uma mistura de ar e vapor de água:

P 4 (l) + 5 O 2 (g) => P 4 O 10 (s)

P 4 O 10 (s) + H 2 O (g) => 4 H 3 PO 4 (l)

Riscos

-Como a pressão do vapor é baixa à temperatura ambiente, é improvável que seus vapores possam ser inalados, a menos que o ácido seja pulverizado. Nesse caso, os sintomas de sua inalação incluem: tosse, dor de garganta, falta de ar e dificuldade para respirar.

-A literatura cita o caso de um marinheiro exposto a vapores de ácido fosfórico por um longo período de tempo. Ele sofreu fraqueza geral, tosse seca, dor no peito e problemas respiratórios. Após um ano de exposição, foi observada disfunção reativa das vias aéreas.

-O contato da pele com o ácido fosfórico pode causar vermelhidão, dor, bolhas e queimaduras na pele.

-O contato do ácido com os olhos, dependendo da sua concentração e da duração do contato, pode causar neles, lesões corrosivas nos tecidos ou queimaduras graves com danos permanentes nos olhos.

-Inngestão do ácido causa queimadura na boca e garganta, sensação de queimação além do esterno, dor abdominal, vômitos, choque e colapso.

Referências

  1. Sociedade Real de Química. (2015). Ácido fosfórico Retirado de: chemspider.com
  2. Centro Canadense de Saúde e Segurança Ocupacional. (1999). Ácido fosfórico – efeitos na saúde. Retirado de: ccsso.ca
  3. Acids.Info. (2018). Ácido fosfórico »Variedade de usos deste composto químico. Retirado de: acidos.info
  4. James P. Smith, Walter E. Brown e James R. Lehr. (1955). Estrutura do ácido fosfórico cristalino. J. Am. Chem. Soc. 77, 10, 2728-2730
  5. Wikipedia (2018). Ácidos fosfóricos e fosfatos. Retirado de: en.wikipedia.org
  6. A ciência é divertida. Aprenda sobre o ácido fosfórico. [PDF]. Retirado de: scifun.chem.wisc.edu

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