磷酸

磷酸（英语：）或称为正磷酸（英语：），化学式H3PO4，是一种常见的无机酸，不易挥发，不易分解，几乎没有氧化性。具有酸的通性，是三元弱酸，其酸性比盐酸、硫酸、硝酸弱，但比醋酸、硼酸等强。由五氧化二磷溶于热水中即可得到。正磷酸工业上用硫酸处理磷灰石即得。用硝酸使磷氧化，可以得到较纯的磷酸；一般是83%－98%的稠厚溶液，如果再浓缩，可以得到无色晶体。磷酸在空气中容易潮解；加热会逐渐失水得到焦磷酸，进一步失水得到偏磷酸。磷酸容易自行结合成多种化合物如焦磷酸（pyrophosphoric acid）或三聚磷酸（triphosphoric acid）等。

磷酸
IUPAC名
trihydroxidooxidophosphorus
phosphoric acid
别名 正磷酸、原磷酸
识别
CAS号 7664-38-2  checkY
16271-20-8（半水化合物）  ☒N
PubChem 1004
ChemSpider 979
SMILES
 
  • OP(=O)(O)O
InChI
 
  • 1/H3O4P/c1-5（2,3）4/h（H3,1,2,3,4）
InChIKey NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYAI
UN编号 1805
EINECS 231-633-2
ChEBI 26078
RTECS TB6300000
KEGG D05467
性质
化学式 H3PO4
97.995 g/mol g·mol⁻¹
外观 白色固体或黏稠液体（>42 °C）
密度 1.885 g/mL （液态）
1.685 g/mL （85%水溶液）
2.030 g/mL （25°C晶体）
熔点 42.35 °C （无水化合物）
29.32 °C （半水化合物）
沸点 158 °C （decomposition）
溶解性（水） 5.48 g/mL
pKa 2.148, 7.198, 12.319
黏度 2.4–9.4 cP （85% aq. soln.）
147 cP （100%）
热力学
ΔfHm⦵298K -1288 kJ·mol−1[1]
S⦵298K 158 J·mol−1·K−1[1]
危险性
欧盟危险性符号
腐蚀性腐蚀性 C
警示术语 R：R34
安全术语 S：S1/2-S26-S45
MSDS ICSC 1008
欧盟编号 015-011-00-6
NFPA 704
0
3
0
 
闪点 不可燃
若非注明，所有数据均出自标准状态（25 ℃，100 kPa）下。

除了用作化学试剂之外，磷酸也可主要用于制药、铁锈转化剂、食品添加物、溶剂、电解液、肥料、冶金、饲料等，也有在医学美容及牙科的用途。

磷酸为三元酸，可解离出三个氢离子，因此可形成三种不同的酸根，分别是：磷酸二氢根H2PO4−、磷酸氢根HPO2−
4以及磷酸根PO3−
4。

结构

以磷为中心、四个氧环绕其周围，其中包括一个双键氧和三个羟基。三个可解离的氢原子分别与三个氧原子结合。

化学性质

纯磷酸的无水化合物在室温下为白色晶体，熔点42.35 °C，溶化后为黏稠液体。

正磷酸具有极大的极性，因此磷酸极易溶于水。

正磷酸的中心磷（P）的氧化数为+5，而周围氧原子（O）的氧化数为-2，氢离子为+1。

磷酸为无毒性的无机物，是一种三元弱酸。三元酸的意思是可在水中解离出三颗H+的酸性物质，磷酸的解离过程如下：Ka1、Ka2和Ka3为化学式在25°C下的解离常数

H3PO4（s）   + H2O（l） ⇌H3O+（aq） + H2PO4−（aq）      Ka1= 7.11×10−3
H2PO4−（aq）+ H2O（l） ⇌H3O+（aq） + HPO42−（aq）      Ka2= 6.32×10−8
HPO42−（aq）+ H2O（l） ⇌ H3O+（aq） +  PO43−（aq）       Ka3= 4.49×10−13

由于磷酸的多元酸性质，使它的pH值幅度较大，造成它的缓冲现象。又由于其无毒性又容易取得，实验室及工业常拿无毒磷酸盐与弱酸（如柠檬酸）混合物作为缓冲溶液，

磷酸时广泛存在于生物体中，特别是磷酸化糖类，如DNA、RNA以及ATP。

如果将正磷酸加热，数个磷酸分子的单体会脱水聚合起来，如：

两个磷酸相连脱去一个水，形成焦磷酸（pyrophosphoric acid，H4P2O7）

如果数个磷酸环状相接起来，并脱去一分子水，会形成偏磷酸（metaphosphoric acid），通式为：（HPO3）n。中文命名为n偏磷酸（n≥3）。[2]偏磷酸是一种具脱水性的物质，因此常被用作干燥剂。要进一步将偏磷酸脱水相当困难，需使用极强的脱水剂搭配加热（单纯加热无效），才可将偏磷酸脱水形成磷酸酐（五氧化二磷，phosphorus pentoxide，化学式：P2O5，分子式：P4O10），磷酸酐具有极强的脱水性，可用作酸性物质的干燥剂。

若在超强酸（superacids，比H2SO4还强的酸）中作用，磷酸会形成理论上具腐蚀性的酸性物质，四羟基合𬭸离子（tetrahydroxylphosphonium ion）。以氟锑酸（fluoroantimonic acid，HSbF6）作超强酸为例：

H3PO4 + HSbF6 → [P(OH)4+][SbF6]−

水溶液

磷酸浓度的计算方法（[A]为莫耳浓度）[A] = [H3PO4] + [H2PO4−] + [HPO42−] + [PO43−]

下表是磷酸在不同浓度下的pH、及磷酸的各共轭碱浓度。

[A] （mol/L） pH [H3PO4]/[A] （%） [H2PO4−]/[A] （%） [HPO42−]/[A] （%） [PO43−]/[A] （%）
11.0891.78.296.20×10−61.60×10−17
10−11.6276.123.96.20×10−55.55×10−16
10−22.2543.156.96.20×10−42.33×10−14
10−33.0510.689.36.20×10−31.48×10−12
10−44.011.3098.66.19×10−21.34×10−10
10−55.000.13399.30.6121.30×10−8
10−65.971.34×10−294.55.501.11×10−6
10−76.741.80×10−374.525.53.02×10−5
10−107.008.24×10−461.738.38.18×10−5

鉴别

可以使用硝酸银和蛋白质对正、偏、焦磷酸进行鉴别。硝酸银可以与正磷酸生成黄色的磷酸银沉淀，而与焦磷酸、偏磷酸生成白色沉淀，但偏磷酸能使蛋白沉淀。[3]

制备

磷酸有三种制备方法，加热法（thermal process）、潮湿制造法（wet process）及干窑法（dry kiln process）

加热法

燃烧磷单质产生五氧化二磷并且溶于水产生磷酸。此方法可生产较纯的磷酸，因为在炼制磷的过程中已经去除许多杂质，然而仍需去除藏在里面的砷。 纯磷的现代制法大部分是将磷酸钙与砂（主要成分为二氧化硅）及焦炭一起放在电炉中加热。化学式如下：

  • Ca3(PO4）2+3SiO2→3CaSiO3+P2O5
  • P2O5+5C→2P+5CO

潮湿制造法

潮湿制造法是在磷酸钙中加入硫酸，磷酸钙的来源通常是磷灰石。

反应：（X为卤素）

Ca5（PO4）3X + 5 H2SO4 + 10 H2O → 3 H3PO4 + 5 CaSO4·2H2O + HX

硫酸钙溶解度较小，因此可以被过滤掉。

以此方法最初制造出来的磷酸浓度大约含有23%至33%的P2O5，再进行蒸馏或稀释调整成想要的浓度。商品级的磷酸约54%，而超磷酸的浓度约70%.[4][5]

潮湿制造法的产品还须经过纯化移除掉内含的氟化物及砷化物。

用途

性质

浓磷酸约75–85%左右，为澄清、无色、无味、非挥发性的浓稠液体。磷酸虽然无毒性，但85%的浓磷酸具有腐蚀性。

在如此高的浓度下，浓磷酸中的磷酸分子会聚合起来形成聚磷酸。

与卤化物的反应

磷酸与卤化物会产生氢卤化物气体，在实验室可以此法制备卤化氢。

NaCl（s）+ H3PO4（l） → NaH2PO4（s）+ HCl（g）
NaBr（s）+ H3PO4（l） → NaH2PO4（s）+ HBr（g）
NaI（s）+ H3PO4（l） → NaH2PO4（s）+ HI（g）

铁锈转化剂

磷酸可作为铁锈转化剂的成分，磷酸可将红棕色的Fe2O3转为黑色的FePO4，予以剥除后可露出新的金属面，也可暂不进行剥除，让他作为金属面的保护层，防止其进一步的氧化。

铁锈转化剂有时被配置成液体供金属浸泡。有时被配置成凝胶状，暱称「海军果酱（naval jelly）」，可涂抹在垂直或陡峭的斜面上。

食品添加剂

食品级的磷酸可用来酸化饮品或食物，如可乐等。[6] 

药用

磷酸也被应用于牙科及美容上。牙科方面，磷酸可用于清洁牙面及牙齿美白。

磷酸也被添加于防晕药。

其他应用

除了以上的应用外，磷酸还有下列用途：

  • 含有磷-31的磷酸可作为核磁共振的外标物
  • 高性能液相色谱法
  • 温氏法（Wentworth Process）：作为活性碳的氧化剂。[7]
  • 磷酸燃料电池中的电解液。
  • 作为烯烃和水加成的催化剂以制造醇类。
  • 作为铜电镀抛光的电解液。
  • 作为助焊剂
  • 在半导体制程当中，磷酸可做为蚀刻的溶剂，例如：磷酸与过氧化氢的混合物可将InGaAs转为InP，达到蚀刻的目的[8]。
  • 蚀刻氮化硅，磷酸可将Si3N4转化为SiO2。[9]
  • 做为缓冲溶液。
  • 作为皮革处理及洗涤剂的分散媒。
  • 作为保养品中pH值的调节剂[10]。
  • 建筑业上用磷酸以移除矿物沉积物、水泥图片及水渍。
  • 水耕法中用作pH值的调节剂，也可作为植物磷养分的直接来源。
  • 水族箱中，使用磷酸作为消除绿斑藻的工具，以及有利于水草生长

生物学影响

饮料添加物

磷酸用在食品添加剂，素来有骨质疏松症的疑虑。以往的调查是借由问卷选填饮用可乐及其他碳酸饮料的频率，发现饮用碳酸饮料的受试者较易有骨质疏松症的问题。研究指出，饮用碳酸饮料者没有比其他人摄取更多的磷，但身体的钙磷比却显著的降低。《美国临床营养学杂志》（American Journal of Clinical Nutrition）中的有项研究[11]在1996年至2001年使用双倍能量的X光去探测1672位女性及1148位男性的骨密度，发现磷酸确实会降低骨密度，此研究提供了比以往使用问卷调查更有利的证据。

另一项临床研究指出，磷的摄取会降低骨密度。但此实验以磷的总摄取量为主，并未明确证明使骨密度降低的主因是磷酸。[12]

但在Heaney及Rafferty使用钙平衡的方法对于20至40岁的女人一日习惯饮用三杯以上（680 mL）碳酸饮料进行的临床研究，却发现含磷酸的碳酸饮料与钙流失无关。[13]研究比较了水、牛奶以及各种非酒精饮料（两种含咖啡因，两种不含咖啡因，两种含磷酸，两种含柠檬酸）。他们发现，相较于水，只有牛奶以及另外两项含有咖啡因的饮品会增加尿液中的钙含量，而添加有磷酸的咖啡因饮料和含咖啡因的饮料钙量流失速度差不多，并没有扩大咖啡因造成流失钙质的影响。由于研究显示咖啡因所造成的钙质流失会逐渐补回来[14]，而磷酸在实验中又没有对钙质流失造成影响。Heaney及Rafferty认为前面实验受试者骨质疏松的原因是受试者饮用碳酸饮料，造成牛奶摄取量的渐少，造成钙摄取量不足。

参见

参考文献
  1. Zumdahl, Steven S. . Houghton Mifflin Company. 2009: A22. ISBN 0-618-94690-X.
  2. acid The Columbia Encyclopedia, Sixth Edition.
  3. 北京师范大学无机化学教研室等编. 第四版 下册
  4. Thomas, W P and Lawton, W S "Stable ammonium polyphosphate liquid fertilizer from merchant grade phosphoric acid" 美国专利第4,721,519号, Issue date: January 26, 1988
  5. (PDF). J.R. Simplot Company. May 2009 [4 May 2010]. （原始内容 (PDF)存档于2011年7月16日）.
  6. . Foods Standards Agency. 14 March 2012 [22 July 2012]. （原始内容存档于2013-07-19）.
  7. Toles, C.; Rimmer, S.; Hower, J.C. . Carbon (Elsevier BV). 1996, 34 (11): 1419–1426. ISSN 0008-6223. doi:10.1016/s0008-6223(96)00093-0.
  8. Wet chemical etching. （页面存档备份，存于） umd.edu
  9. Wolf, S.; R.N. Tauber. . 1986: 534. ISBN 0-9616721-6-1.
  10. . Cosmetic ingredient dictionary. Paula's Choice. [16 November 2007]. （原始内容存档于2008年1月18日）.
  11. Katherine L. Tucker, Kyoko Morita, Ning Qiao, Marian T. Hannan, L. Adrienne Cupples, Douglas P. Kiel. . The American Journal of Clinical Nutrition. 2006-10, 84 (4): 936–942 [2019-05-25]. ISSN 0002-9165. PMID 17023723. doi:10.1093/ajcn/84.4.936. （原始内容存档于2019-06-27）.
  12. S. Elmståhl, B. Gullberg, L. Janzon, O. Johnell, B. Elmståhl. . Osteoporosis international: a journal established as result of cooperation between the European Foundation for Osteoporosis and the National Osteoporosis Foundation of the USA. 1998, 8 (4): 333–340 [2019-05-25]. ISSN 0937-941X. PMID 10024903. doi:10.1007/s001980050072. （原始内容存档于2019-10-11）.
  13. R. P. Heaney, K. Rafferty. . The American Journal of Clinical Nutrition. 2001-9, 74 (3): 343–347 [2019-05-25]. ISSN 0002-9165. PMID 11522558. doi:10.1093/ajcn/74.3.343. （原始内容存档于2019-09-27）.
  14. M. J. Barger-Lux, R. P. Heaney, M. R. Stegman. . The American Journal of Clinical Nutrition. 1990-10, 52 (4): 722–725 [2019-05-25]. ISSN 0002-9165. PMID 2403065. doi:10.1093/ajcn/52.4.722. （原始内容存档于2019-09-20）.

外部链接
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