Фосфорная кислота Строение молекулы, физические свойства

Фосфорная кислота (H₃PO₄) – это трёхосновная кислородосодержащая кислота. Структурная формула ее выглядит следующим образом:

В чистом виде H₃PO₄ – твёрдое вещество белого цвета (t_пл. = 42^оС), с Н₂О смешивается в любых соотношениях.

В водных растворах она диссоциирует в 3 стадии. По первой стадии H₃PO₄ диссоциирует как кислота средней силы:

Н₃РО₄ Н₂РО₄⁻ + Н⁺ K_{1 дисс.} = 7,6 ∙ 10^-3

По двум последующим стадиям – как слабая:

Н₂РО₄⁻ Н⁺ + НРО₄²⁻ K_{2 дисс.} = 7,6 ∙ 10^-8

НРО₄²⁻ Н⁺ + РО₄³⁻ K_{3 дисс.} = 7,6 ∙ 10^-13

В целом фосфорную кислоту относят к слабым электролитам и в ионных уравнениях реакций, протекающих в водных растворах, ее записывают в молекулярном виде.

Растворы кислоты кислы на вкус, окрашивают индикатор лакмус в красный цвет, при попадании на кожу вызывают химические ожоги, разъедают текстильные ткани.

Химические свойства

Фосфорная кислота обладает всеми типичными свойствами кислот.

Растворы фосфорной кислоты могут реагировать с металлами, стоящими в ряду напряжений до водорода. Но так как почти все соли H₃PO₄ нерастворимы в Н₂О, то её реакция с металлами чаще всего идёт только в начальный момент времени, пока осаждающаяся соль не покроет всю поверхность металла и не затруднит доступ кислоты к глубинным слоям металла. После этого реакция (если осадок достаточно плотный) прекращается:

3 Mg + 2H₃PO₄ = Mg₃(PO₄)₂↓ + 3H₂↑

Растворимые соли фосфорной кислоты образованы щелочными металлами, но эти металлы с разбавленными растворами кислоты вероятнее всего реагируют в 2 стадии.

Вначале металл взаимодействует с H₂O:

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑

А затем образовавшаяся щёлочь реагирует с кислотой:

3NaOH + H₃PO₄ = Na₃PO₄ + 3H₂O

При этом в зависимости от молярного соотношения щелочи и кислоты в растворе могут получаться как кислые, так и средние соли.

С оксидами многих металлов растворы H₃PO₄ взаимодействуют также только в начальный момент времени, пока нерастворимая соль плотной плёнкой не покроет всю поверхность оксида металла. Оксиды щелочных и щелочноземельных металлов с разбавленными растворами кислоты, как и сами эти металлы, могут реагировать в 2 стадии.

Взимодействие H₃PO₄ с растворами щелочей протекает ступенчато:

1. H₃PO₄ + NaOH = NaH₂PO₄ + H₂O

2. NaH₂PO₄ + NaOH = Na₂HPO₄ + H₂O

3. Na₂HPO₄ + NaOH = Na₃PO₄ + H₂O

суммарное 3NaOH + H₃PO₄ = Na₃PO₄ + 3H₂O

уравнение

1. 2H₃PO₄ + Ba(OH)₂ = Ba(H₂PO₄)₂ + 2H₂O

2. Ba(H₂PO₄)₂ + Ba(OH)₂ = 2BaHPO₄ + 2H₂O

3. 2BaHPO₄ +Ba(OH)₂ = Ba₃(PO₄)₂ + 2H₂O

суммарное 2H₃PO₄ +3Ba(OH)₂ = Ba₃(PO₄)₂ + 6H₂O

уравнение

Если щелочь взять в недостатке, то реакция может прекратиться на любой из стадий, в зависимости от молярного соотношения исходных веществ.

В несколько стадий протекает и взаимодействие растворов H₃PO₄ с аммиаком:

H₃PO₄ + NH₃ = NH₄H₂PO₄

NH₄H₂PO₄ + NH₃ = (NH₄)₂HPO₄

Аммоний-фосфат (NH₄)₃PO₄ в этих условиях получить нельзя, т.к. вследствие гидролиза он тут же полностью превращается в аммоний-гидрофосфат:

(NH₄)₃PO₄ + HOH → (NH₄)₂HPO₄ + NH₃ + H₂O

Фосфорная кислота сильнее, чем угольная, сероводородная, кремниевая, поэтому может вытеснять перечисленные кислоты из водных растворов их солей:

2H₃PO₄ + Na₂S = 2NaH₂PO₄ + H₂S↑

H₂O

2H₃PO₄ + Na₂CO₃ = 2NaH₂PO₄ + H₂CO₃

CO₂↑

2H₃PO₄ + Na₂SiO₃ = 2NaH₂PO₄ + H₂SiO₃↓

К числу специфических свойств фосфорной кислоты можно отнести ее постепенное обезвоживание при сильном нагревании с образованием сначала дифосфорной или пирофосфорной кислоты, а затем – тетраметафосфорной:

2 H₃PO₄ Н₄Р₂О₇ + H₂O

пирофосфорная кислота

2Н₄Р₂О₇ (HPO₃)₄ + 2H₂O

тетраметафосфорная кислота

Данный процесс обратен переходу тетраметафосфорной кислоты в H₃PO₄ при растворении фосфор(V)-оксида в воде.

Качественной реакцией на фосфорную кислоту и ее соли в растворе является взаимодействие с AgNO₃. При этом образуется осадок серебро(I)-фосфата желтого цвета.

Na₃PO₄ + 3AgNO₃ = Ag₃PO₄↓ + 3NaNO₃

Полифосфорные кислоты и их соли в аналогичной реакции образуют осадок белого цвета.