§ 39. Кислородсодержащие соединения фосфора
Фосфорная кислота
Химические и физические свойства. Фосфор образует несколько кислот, однако самой устойчивой является фосфорная кислота H3PO4 (рис. 96). Из структурной формулы её молекулы видно, что кислота трёхосновна. H3PO4 — вещество, температура плавления которого 42,35 °С. Это означает, что при комнатной температуре фосфорная кислота — твёрдое вещество. Фосфорная кислота хорошо растворима в воде. В водном растворе диссоциирует ступенчато:
Фосфорная кислота — слабый электролит, диссоциирует преимущественно по первой ступени. В растворах она проявляет общие свойства кислот: меняет цвет индикаторов и образует соли в реакциях с металлами, находящимися в ряду активности до водорода (1), основными и амфотерными оксидами (2), гидроксидами металлов и аммиаком (3), другими солями (4); она не является окислителем за счёт аниона:
Отметим, что фосфорная кислота образует как средние соли (фосфаты), так и кислые (гидрофосфаты и дигидрофосфаты), в зависимости от соотношения исходных веществ. Например:
3КOH + H3PO4 = К3PO4 + 3H2O (фосфат калия) (3 : 1);
2КOH + H3PO4 = К2HPO4 + 2H2O (гидрофосфат калия) (2 : 1);
КOH + H3PO4 = КН2PO4 + H2O (дигидрофосфат калия) (1 : 1).
При составлении уравнений реакций в ионной форме фосфорную кислоту представляют в виде молекул как преобладающих частиц в её растворе. Например:
Применение и получение. Фосфорную кислоту применяют в производстве удобрений и кормовых средств, для формирования антикоррозионных покрытий на металлах, а также в пищевой промышленности для придания кисловатого вкуса безалкогольным напиткам, для осветления сахара.
Получают H3PO4 взаимодействием природных фосфатов с серной кислотой при 60‒80 °С с последующим отфильтровыванием осадка СаSO4. При этом фосфорная кислота образуется в виде сиропообразного раствора с массовой долей вещества 85 %. Второй способ — сжигание фосфора, полученного прокаливанием природного фосфата с песком и углём, и последующее растворение оксида в воде:
Сa3(PO4)2 → Р → P2O5 → H3PO4.
Соли фосфорной кислоты. Фосфаты, как правило, нерастворимы, за исключением солей натрия, калия и аммония. Кислые соли более растворимы, чем средние, а дигидрофосфаты имеют большую растворимость, чем гидрофосфаты. Например, фосфат Ca3(PO4)2 нерастворим, гидрофосфат CaHPO4 — мало растворим, а дигидрофосфат Ca(H2PO4)2 — хорошо растворим в воде.
Большинство фосфатов обладает высокой термической устойчивостью — не разрушаются при нагревании до температуры плавления. Характерной особенностью фосфатов (средних солей) является образование осадка жёлтого цвета при действии раствора нитрата серебра(I) (Приложение 3):
В отличие от светло-жёлтого осадка бромида серебра(I) и жёлтого осадка йодида серебра(I), фосфат серебра(I) растворяется при добавлении азотной кислоты.
Применение солей фосфорной кислоты. Многие средние и кислые соли фосфорной кислоты (Ca3(PO4)2, CaHPO4 · 2H2O, Ca(H2PO4)2 · H2O, NН4H2PO4, (NН4)2HPO4) используются в качестве удобрений. Фосфаты находят применение в производстве каучука, пластмасс, в металлургии. Фосфат натрия уменьшает жёсткость воды и улучшает моющее действие стиральных порошков. Тем не менее во многих государствах в настоящее время установлены ограничения по применению фосфатов в качестве стиральных моющих средств. Дело в том, что после стирки фосфаты попадают в сточные воды, а затем в водоёмы, способствуя бурному развитию планктона и водорослей — водоёмы «стареют». По некоторым данным, 1 г фосфата стимулирует рост 5–10 кг водорослей.