Получение фосфорной кислоты

В промышленности получают фосфорную кислоту двумя основными способами:

1. Действием концентрированной H₂SO₄ на твёрдый Ca₃(PO₄)₂ при нагревании:

Ca₃(PO₄)_{2 тв.} + 3H₂SO_{4 конц.} 2H₃PO₄ + 3CaSO₄

(экстракционный или сернокислотный метод)

2. Сжиганием фосфора до фосфор(V)-оксида с последующим растворением его в H₂O при нагревании

4P + 5O₂ = 2P₂O₅

Р₂О₅ + 3Н₂О 2Н₃РО₄

(термический метод)

В лаборатории небольшие количества фосфорной кислоты можно получить окислением фосфора 30% азотной кислотой:

3Р + 2H₂O + 5 НNО₃ 5NO↑ + 3 H₃PO₄

Соли фосфорной кислоты

Фосфорная кислота образует 3 вида солей: средние (фосфаты) и кислые (гидрофосфаты и дигидрофосфаты). Большинство средних солей H₃PO₄ нерастворимы в H₂O. Исключение составляют фосфаты щелочных металлов (кроме литий-фосфата). Кислые соли (особенно дигидрофосфаты) значительно лучше растворяются в H₂O , чем средние.

Так, например, Ca₃(PO₄)₂ нерастворим, CaHPO₄ – малорастворим, а Ca(Н₂PO₄)₂ хорошо растворим в H₂O.

Растворимые средние соли фосфорной кислоты подвергаются гидролизу по аниону кислоты и их растворы имеют сильно щелочную реакцию:

Na₃PO₄ + HOH Na₂HPO₄ + NaOH

HOH + PO₄^3- HPO₄^2- + OH^-

Кислые соли (особенно дигидрофосфаты) гидролизуются в значительно меньшей степени, кроме того, образующиеся при этом продукты гидролиза: H₂PO₄^–, H₃PO₄ – могут частично диссоциировать с образованием ионов Н⁺. Поэтому в растворах гидрофосфатов среда является слабощелочной, а в растворах дигидрофосфатов даже слабокислой, т.к. процесс диссоциации H₂PO₄^–-ионов превалирует над процессом их гидролиза.

Многие средние соли фосфорной кислоты легко превращаются в кислые при добавлении к ним H₃PO₄.

Сa₃(PO₄)₂ + H₃PO₄ = 3CaHPO₄

Сa₃(PO₄)₂ + 4H₃PO₄ = 3Ca(H₂PO₄)₂

К нагреванию соли фосфорной кислоты относятся по разному.

Фосфаты являются термически устойчивыми и при нагревании плавятся, не разлагаясь. В то же время гидрофосфаты при прокаливании превращаются в пирофосфаты или дифосфаты:

2Na₂HPO₄ Na₄Р₂О₇ + H₂O,

а дигидрофосфаты – в полиметафосфаты.

Аммоний-гидрофосфат и аммоний-дигидрофосфат при нагревании разлагаются на NH₃ и фосфорную кислоту:

(NH₄)₂НPO₄ 2NH₃↑ + H₃PO₄

Применение фосфорной кислоты и ее солей

Фосфор является одним из тех элементов, которые необходимы для питания растений. При интенсивной эксплуатации сельхозугодий запас соединений фосфора в почве очень быстро уменьшается, поэтому их необходимо постоянно туда вносить. В связи с этим соли фосфорной кислоты широко используются в качестве минеральных удобрений. Наиболее известными среди них являются фосфоритная или костная мука, простой суперфосфат, двойной суперфосфат, преципитат, аммофос.

Фосфоритная или костная мука – это измельченный природный фосфорит или измельченные кости животных. Она представляет собой сухой тонкий порошок серого, желтоватого или бурого цвета. Основным веществом в нем является Сa₃(PO₄)₂. Фосфоритная мука является трудноусваиваемым удобрением. Она плохо растворяется в H₂O, поэтому эффективна на кислых подзолистых почвах. Обладает длительным сроком действия.

Простой суперфосфат получают обработкой природных фосфоритов серной кислотой:

Сa₃(PO₄)₂ + 2H₂SO₄ = Ca(H₂РO₄)₂ + 2CaSO₄

Образующаяся смесь содержит кальций-дигидрофосфат, который хорошо растворяется в H₂O, и кальций-сульфат, являющийся бесполезным «балластом». Простой суперфосфат является наиболее распространенным фосфорным удобрением, которое пригодно для любых почв.

Двойной суперфосфат получают обработкой природных фосфатов фосфорной кислотой:

Сa₃(PO₄)₂ + 4H₃PO₄ = 3Ca(H₂PO₄)₂

Его главным преимуществом является отсутствие или очень малое содержание «балласта», поэтому его применение более эффективно, чем применение такого же количества простого суперфосфата.

Преципитат получают нейтрализацией фосфорной кислоты кальций-гидроксидом (в виде известкового молока) или кальций-карбонатом:

H₃PO₄ + Ca(OH)₂ = CaHPO₄ ∙ 2H₂O

H₃PO₄ + CaCO₃ + H₂O = CaHPO₄ ∙ 2H₂O + CO₂↑

Преципитат может быть использован на всех видах почв и для всех сельскохозяйственных культур. Кроме того, он способен уменьшать кислотность почв.

Аммофос относится к смешанным или комплексным удобрениям и представляет собой смесь двух солей NH₄H₂PO₄ и (NH₄)₂HPO₄. Кроме фосфора он содержит в себе и второй питательный элемент – азот. Получают аммофос взаимодействием раствора кислоты с аммиаком или аммиачной водой.

Еще более комплексным удобрением является аммофоска – смесь аммофоса и калийной селитры KNO₃. Это удобрение содержит в себе уже три питательных элемента – фосфор, азот и калий.

На получение вышеперечисленных минеральных удобрений расходуется основная часть производимой промышленностью фосфорной кислоты. Кроме того, H₃PO₄ используется как катализатор в органическом синтезе, для производства кормовых добавок, в пищевой и сахарной промышленности. Растворимые фосфаты используются для пропитки тканей, древесины с целью придания им огнестойкости; при производстве моющих средств.