Ácido fosfórico (H3PO4): estrutura, propriedades, usos - Ciência - 2023

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o ácido fosfórico é um oxoácido de fósforo que tem a fórmula química H₃PO₄. Consiste em um ácido mineral no qual três prótons ácidos são ligados ao ânion fosfato (PO₄^3–) Embora não seja considerado um ácido forte, seu uso indevido pode representar um risco à saúde.

Pode ser encontrado em dois estados: como um sólido na forma de cristais ortorrômbicos espessos ou um líquido cristalino com aparência de xarope. Sua apresentação comercial mais comum tem uma concentração de 85% p / pe uma densidade de 1,685 g / cm³. Essa densidade vem da mão da concentração.

Os três grupos OH são responsáveis pela doação de hidrogênios ácidos. Devido à presença deles em sua estrutura, pode reagir com diferentes hidróxidos dando origem a vários sais.

No caso do hidróxido de sódio, pode formar três: fosfato monobásico de sódio (NaH₂PO₄), fosfato de sódio dibásico (Na₂HPO₄) e fosfato de sódio tribásico (Na₃PO₄).

Porém, dependendo de qual base é utilizada para sua neutralização, ou quais cátions estão muito próximos dela, pode formar outros sais de fosfato. Entre eles estão: fosfato de cálcio (Ca₃(PO₄)₂), fosfato de lítio (Li₃PO₄), fosfato férrico (FePO₄), as outras. Cada um com seus diferentes graus de protonação do ânion fosfato.

Por outro lado, o ácido fosfórico pode "sequestrar" cátions divalentes, como o Fe²⁺, Cu²⁺, Ca²⁺ e Mg²⁺. Em temperaturas elevadas, ele pode reagir consigo mesmo com a perda de uma molécula H₂Ou, formando dímeros, trímeros e polímeros de ácidos fosfóricos.

Este tipo de reação torna este composto capaz de estabelecer um grande número de estruturas com esqueletos de fósforo e oxigênio, a partir dos quais uma ampla gama de sais conhecidos como polifosfatos também podem ser obtidos.

Quanto à sua descoberta, foi sintetizado em 1694 por Robert Boyle, dissolvendo P₂OU₅ (pentóxido de fósforo) em água. É um dos ácidos minerais mais úteis, sendo a sua função fertilizante a mais importante. O fósforo, junto com o potássio e o nitrogênio, constituem os três principais nutrientes das plantas.

Estrutura química

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

Desta forma, o ácido fosfórico pode ser visualizado como um tetraedro. Desta perspectiva, disse tetraedros (por unidades de H₃PO₄) interagem entre si por meio de ligações de hidrogênio; isto é, seus vértices se aproximam muito.

Essas interações intermoleculares permitem que o ácido fosfórico cristalize em dois sólidos: o anidro e o hemihidrato (H₃PO₄1 / 2H₂O), ambos com sistemas de cristal monoclínico. Sua forma anidra também pode ser descrita pela fórmula: 3H₂O P₂OU₅, que é igual a um pentóxido de fósforo tri-hidratado.

Os tetraedros podem até se ligar covalentemente, mas para isso uma de suas unidades deve eliminar uma molécula de água por desidratação. Isso ocorre quando o H₃PO₄ é submetido a aquecimento e, consequentemente, gera a formação de ácidos polifosfóricos (PA).

Ácido difosfórico (H₄P₂OU₇)

O mais simples de todos os PAs é o ácido difosfórico (H₄P₂OU₇), também conhecido como ácido pirofosfórico. A equação química de sua formação é a seguinte:

2h₃PO₄ <=> H₄P₂OU₇ + H₂OU

O equilíbrio depende da quantidade de água e da temperatura. Qual é a sua estrutura? Na imagem do corte, as estruturas do ácido ortofosfórico e do ácido pirofosfórico estão ilustradas no canto superior esquerdo.

Duas unidades são covalentemente unidas quando uma molécula de água é eliminada, formando uma ponte de oxigênio P - O - P entre elas. Agora, eles não são três hidrogênios ácidos, mas quatro (quatro grupos -OH). Por causa disso, o H₄P₂OU₇ tem quatro constantes de ionização k_para.

Ácidos polifosfóricos

A desidratação pode prosseguir com ácido pirofosfórico se o aquecimento continuar. Por quê? Porque em cada extremidade de sua molécula existe um grupo OH que pode ser removido como uma molécula de água, promovendo assim o crescimento subsequente do esqueleto P - O - P - O - P ...

Exemplos desses ácidos são os ácidos tripolifosfórico e tetrapolifosfórico (ambos ilustrados na imagem). Pode-se observar como o backbone P - O - P é alongado em uma espécie de corrente formada por tetraedros.

Estes compostos podem ser representados pela fórmula HO (PO₂OH)_xH, onde HO é a extrema esquerda que pode estar desidratada. PO₂OH é a estrutura de fósforo com ligações P = O e OH; e x são as unidades ou moléculas de ácido fosfórico necessárias para obter a referida cadeia.

Quando esses compostos são totalmente neutralizados com uma base, são criados os chamados polifosfatos. Dependendo de quais cátions os rodeiam, eles formam uma grande variedade de sais polifosfato.

Por outro lado, se eles reagirem com álcoois ROH, os hidrogênios em suas estruturas são substituídos pelos substituintes R– alquil. Assim, surgem ésteres de fosfato (ou polifosfatos): RO (PO₂OU)_xR. Basta substituir o H por R em todas as estruturas da imagem da seção para obtê-las.

Ácidos polifosfóricos cíclicos

As cadeias P - O - P podem até se fechar em um 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 exibem os dois tipos, ramificado.

Nomenclatura

A nomenclatura do ácido fosfórico é ditada pela IUPAC e como os sais ternários dos oxoácidos são nomeados.

Porque no H₃PO₄ o átomo P tem valência +5, o valor mais alto, seu ácido recebe o sufixo -ico ao prefixo fósforo-.

Ortho

No entanto, o ácido fosfórico também é comumente chamado de ácido ortofosfórico. Por quê? Porque a palavra 'orto' é grega e significa 'verdadeiro'; o que se traduziria na "forma verdadeira" ou "mais hidratada" dela.

Quando o anidro fosfórico é hidratado com excesso de água (P₄OU₁₀, o "limite" de fósforo na imagem acima) é produzido H₃PO₄ (3H₂O · P₂OU₅) Assim, o prefixo orto é atribuído aos ácidos formados com bastante água.

Pyro

O prefixo piro refere-se a qualquer composto originado após a aplicação de calor, uma vez que o ácido difosfórico decorre da desidratação térmica do ácido fosfórico. É, portanto, denominado ácido pirofosfórico (2H₂O P₂OU₅).

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:

H₃PO₄=> HPO₃ + H₂OU

Observe que, desta vez, a adição de duas unidades fosfóricas não ocorre para formar ácido difosfórico, mas, em vez disso, obtém-se ácido metafosfórico (para o qual não há evidências de sua existência).

Também é importante notar que este ácido pode ser descrito como H₂O P₂OU₅ (semelhante ao hemidrato, multiplicando HPO₃ Para 2). O metaprefixo vem perfeitamente em linha com os PAs cíclicos, pois se o ácido trifosfórico desidrata, mas não adiciona outra unidade H₃PO₄ Para se tornar ácido tetrafosfórico, deve formar um anel.

E assim é com outros ácidos polimetafosfóricos, embora a IUPAC recomende chamá-los de compostos cíclicos dos PAs correspondentes.

Propriedades

Fórmula molecular

H₃PO₄

Peso molecular

97,994 g / mol

Aspecto físico

Em sua forma sólida apresenta cristais ortorrômbicos, higroscópicos e transparentes. Na forma líquida é cristalino com a aparência de um xarope viscoso.

Está disponível comercialmente em solução aquosa com concentração de 85% p / p. Em todas essas apresentações não tem odor.

Pontos de ebulição e fusão

158 ° C (316 ° F a 760 mmHg).

108 ° F (42,2 ° C).

Solubilidade em água

548 g / 100 g H₂Ou a 20 ° C; 369,4 g / 100 ml a 0,5 ° C; 446 g / 100m a 14,95º C.

Densidade

1.892 g / cm³ (sólido); 1,841 g / cm³ (Solução 100%); 1,685 g / cm³ (Solução a 85%); 1.334 g / cm³Solução a 50%) a 25 ° C.

Densidade do 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 213º C ou mais, torna-se ácido pirofosfórico (H₄P₂OU₇).

Corrosividade

Corrosivo para metais ferrosos e alumínio. Reagir com esses metais dá origem ao gás combustível hidrogênio.

Polimerização

Polimeriza violentamente com compostos azo, epóxidos e compostos polimerizáveis.

Formulários

Sais de fosfato e usos gerais

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

-Tem sido usado no tratamento de envenenamento por chumbo e outras condições em que quantidades significativas de fosfato são necessárias e na produção de acidose leve.

-É usado para controlar o pH do trato urinário de visons e despesas, a fim de evitar a formação de cálculos renais.

-O ácido fosfórico origina sais de Na₂HPO₄ e NaH₂PO₄ que constituem um sistema tampão de pH com um pKa de 6,8. Este sistema regulador do 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 eliminação da camada bolorenta 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 utilizado no polimento elétrico de alumínio e é um aglutinante para produtos refratários como alumina e magnésia.

Industrial

-O ácido fosfórico é usado como agente catalítico na produção de Nylon e gasolina. É utilizado como desidratante na gravação litográfica, na produção de tintas para uso na indústria têxtil, no processo de coagulação do látex na indústria da borracha e na purificação do peróxido de hidrogênio.

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

- Participa da elaboração de detergentes, da catálise ácida da produção de acetileno.

-É utilizado como acidulante em alimentos balanceados para pecuária e animais domésticos. A indústria farmacêutica o utiliza na fabricação de medicamentos antieméticos. Também é usado em uma mistura para fazer asfalto para pavimentar o solo e reparar rachaduras.

-O ácido fosfórico atua como catalisador na reação de hidratação de alquenos para a produção de álcool, principalmente etanol. Além disso, é usado na determinação de carbono orgânico em solos.

Dental

É usado por dentistas para limpar e condicionar a superfície do dente antes da colocação do aparelho dentário. Ele também é usado no clareamento de dentes e na remoção de placas dentais. Além disso, é utilizado na fabricação de adesivos para próteses dentárias.

Cosméticos

O ácido fosfórico é usado para ajustar o pH na fabricação de cosméticos e produtos para a pele. É utilizado como 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 meio de sua digestão com ácido sulfúrico concentrado:

AC₃(PO₄)₂ + 3 H₂SW₄ + 6 H₂O => 2 H₃PO₄ + 3 (CaSO₄.2H₂OU)

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 pentóxido de fósforo em água fervente.

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

P₄ (l) + 5 O₂ (g) => P₄OU₁₀ (s)

P₄OU₁₀ (s) + H₂O (g) => 4H₃PO₄(eu)

Riscos

- Como sua pressão de vapor é baixa em temperatura ambiente, é improvável que seus vapores sejam 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.

-Na literatura é citado o caso de um marinheiro que foi exposto a vapores de ácido fosfórico por um longo período de tempo. Ele sofreu de fraqueza geral, tosse seca, dor no peito e problemas respiratórios. Dentro de 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 de sua concentração e da duração do contato, pode produzir lesões corrosivas nos tecidos ou queimaduras graves com lesões permanentes nos olhos.

-A ingestão de ácido causa queimação na boca e garganta, sensação de queimação além do esterno, dor abdominal, vômito, choque e colapso.

Referências

Royal Society of Chemistry. (2015). Ácido fosfórico. Retirado de: chemspider.com
Centro Canadense para Segurança e Saúde Ocupacional. (1999). Ácido fosfórico - efeitos na saúde. Retirado de: ccsso.ca
Acids.Info. (2018). Ácido Fosfórico »Variedade de usos desse composto químico. Tirado de: acidos.info
James P. Smith, Walter E. Brown e James R. Lehr. (1955). Estrutura do ácido fosfórico cristalino. J. Am. Chem. Soc. 77, 10, 2728-2730
Wikipedia. (2018). Ácidos fosfóricos e fosfatos. Retirado de: en.wikipedia.org
Ciência é Divertido. Saiba mais sobre o ácido fosfórico. [PDF]. Retirado de: scifun.chem.wisc.edu