Производство фосфорной кислоты

Фосфорные кислоты - кислородные кислоты фосфора, представляющие собой продукты гидратации фосфорного ангидрида. Различают ортофосфорную кислоту (обычно называемую фосфорной кислотой) и конденсированные Ф. к. Наиболее изучена и важна ортофосфорная кислота H₃ PO₄, образующаяся при растворении P₄ O₁₀ (или P₂ O₅) в воде.

Ортофосфорная кислота - бесцветные гидроскопические кристаллы, плотность 1,87 г/см³, t _пл 42,35?С, известен кристаллогидрат H₃ PO₄ ×¹ /₂ H₂ O с t _пл 29,32?С. Плотность обычно широко применяемой 85%-ной H₃ PO₄ при 25?С 1,685 г/см³ вязкость при 20?С 47×10^-3 мн × сек/м², удельная теплоемкость в интервале температур 20-120?С 2064,1 дж/кг ×К (0,493 кал/г?С). С водой H₃ PO₄ смешивается в любых отношениях Константы диссоциации при 25?С K ₁ = 7×10^-3, K ₂ = 8×10^-8, K ₃ = 4×10^-13. Ортофосфорная кислота трехосновная, средней силы. Образует три ряда солей - фосфатов. При нагревании растворов кислоты происходит её дегидратация с образованием конденсированных фосфорных кислот.

В промышленности ортофосфорную кислоту получают экстракционным (сернокислотным) или термическим способами. Экстракционный способ заключается в разложении фосфатов природных серной и фосфорной кислотами:

Ca₅ F (PO₄)₃ + 5H₂ SO₄ + nH₃ PO₄ = (n+3) H₃ PO₄ + 5CaSO₄ + HFи последующим разделением на фильтрах образовавшейся кислоты и нерастворимого CaSO₄. Термический способ основан на сжигании фосфора до фосфорного ангидрида P₄ + 5O₂?? P₄ O₁₀ и гидратации последнего P₄ O₁₀ + 6H₂ O = 4H₃ PO₄. Промышленная ортофосфорная кислота - важнейший полупродукт для производства фосфорных и комплексных удобрений и технических фосфатов, широко используется также для фосфатирования металлов, в качестве катализатора в органическом синтезе. Пищевая фосфорная кислота применяется для приготовления безалкогольных напитков, лекарств, зубных цементов и т.д.

Конденсированные (полимерные) фосфорные кислоты подразделяются на полифосфорные с линейным строением фосфатаниона общей формулы H_n+2 P_n O_3n+1, метафосфорные с циклическим строением фосфатаниона общей формулы (HPO₃)_n и ультрафосфорные кислоты, имеющие разветвленную, сетчатую структуру. Наибольшее практическое значение имеют полифосфорные кислоты. Из полифосфорных кислот наиболее полно изучена дифосфорная (пирофосфорная) кислота H₄ P₂ O₇, выделенная в кристаллическом виде в двух формах с температурами плавления 54,3?С и 71,5?С. Пирофосфорная кислота четырёхосновна, константы диссоциации при 18?С K ₁ = 1,4×10^-1, K ₂ = 1,1×10^-2, K ₃ = 2,1×10^-7, K ₄ = 4,1×10^-10. Три- и тетраполифосфорные кислоты выделены в виде разбавленных растворов. Существование более конденсированных Ф. к., содержащих до 12 атомов в цепи, доказано методом бумажной хроматографии. Полифосфорные кислоты - полиэлектролиты. Циклические метафосфорные кислоты (например, H₃ P₃ O₉, H₄ P₄ O₁₂) представляют собой сильные кислоты. Ультрафосфорные кислоты мало изучены.

Конденсированные Фосфорные кислоты получают дегидратацией ортофосфорных кислот, гидратацией фосфорного ангидрида соответствующим количеством воды, а также путем ионного обмена из соответствующих конденсированных фосфатов. Применяют в основном для производства высококонцентрированных фосфорных удобрений, в качестве катализаторов при получении нефтепродуктов и в органическом синтезе, для производства различных полифосфатов.