ÁCIDO FOSFÓRICO (H3PO4): ESTRUTURA, PROPRIEDADES, USOS - QUÍMICA - 2025

O ácido fosfórico é um oxoácido de fósforo com a fórmula química H ₃ PO ₄. Consiste em um ácido mineral no qual três prótons ácidos são ligados ao ânion fosfato (PO ₄ ^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 grossos ou um líquido cristalino com uma aparência xaroposa. Sua apresentação comercial mais comum possui concentração de 85% p / pe densidade de 1,685 g / cm ³. Essa densidade vem da mão da concentração.

A imagem acima mostra uma única molécula de ácido fosfórico. Por Leyo, do Wikimedia Commons

Os três grupos OH são responsáveis ​​pela doação de hidrogênios ácidos. Devido à presença deles em sua estrutura, pode reagir com diferentes hidróxidos, originando diversos sais.

No caso do hidróxido de sódio, pode formar três: fosfato de sódio monobásico (NaH ₂ PO ₄), fosfato de sódio dibásico (Na ₂ HPO ₄) e fosfato de sódio tribásico (Na ₃ PO ₄).

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 (Ca ₃ (PO ₄) ₂), fosfato de lítio (Li ₃ PO ₄), fosfato férrico (FePO ₄), entre outros. Cada um com seus diferentes graus de protonação do ânion fosfato.

Por outro lado, o ácido fosfórico pode "sequestrar" cátions divalentes como Fe ²⁺, Cu ²⁺, Ca ²⁺ e Mg ²⁺. A temperaturas elevadas, ele pode reagir com ele próprio, com a perda de um H ₂ O molécula, 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 P ₂ O ₅ (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, são os três principais nutrientes das plantas.

Estrutura química

Por Nenhum autor legível por máquina fornecido. H Padleckas assumido (com base em reivindicações de direitos autorais)., via Wikimedia Commons

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, os ditos tetraedros (por unidades H ₃ PO ₄) 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 (H ₃ PO ₄ · 1 / 2H ₂ O), ambos com sistemas de cristais monoclínicos. Sua forma anidra também pode ser descrita com a fórmula: 3H ₂ O · P ₂ O ₅, 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 H ₃ PO ₄ é submetido ao aquecimento e, consequentemente, gera a formação de ácidos polifosfóricos (PA).

Ácido difosfórico (H

O mais simples de todos os PAs é o ácido difosfórico (H ₄ P ₂ O ₇), também conhecido como ácido pirofosfórico. A equação química de sua formação é a seguinte:

2H ₃ PO ₄ <=> H ₄ P ₂ O ₇ + H ₂ O

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 se unem covalentemente 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, H ₄ P ₂ O ₇ tem quatro constantes de ionização k _a.

Ácidos polifosfóricos

A desidratação pode prosseguir com ácido pirofosfórico se o aquecimento continuar. Por quê? Pois em cada extremidade de sua molécula existe um grupo OH que pode ser eliminado como uma molécula de água, promovendo o posterior crescimento 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.

Esses compostos podem ser representados pela fórmula HO (PO ₂ OH) _x H, onde HO é a extremidade esquerda que pode estar desidratada. PO ₂ OH é a espinha dorsal do fósforo com as 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 cercam, 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 (PO ₂ OR) _x R. Basta substituir H por R em todas as estruturas da imagem do corte para obtê-los.

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

Fonte: commons.wikimedia.org

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

Como em H ₃ PO ₄ o átomo de 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 um excesso de água (P ₄ O ₁₀, o fósforo “cap” na imagem superior), o H ₃ PO ₄ (3H ₂ O · P ₂ O ₅) é produzido. Assim, o prefixo orto é atribuído aos ácidos formados com bastante água.

Pyro

O prefixo pyro refere-se a qualquer composto originado após a aplicação de calor, uma vez que o ácido difosfórico surge da desidratação térmica do ácido fosfórico. É, portanto, denominado ácido pirofosfórico (2H ₂ O · P ₂ O ₅).

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:

H ₃ PO ₄ => HPO ₃ + H ₂ O

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 H ₂ O · P ₂ O ₅ (semelhante ao hemidrato, multiplicando HPO ₃ por 2). O metaprefixo vem perfeitamente alinhado com os PAs cíclicos, pois se o ácido trifosfórico se desidrata, mas não adiciona outra _unidade H ₃ PO ₄ para se tornar ácido tetrafosfórico, então deve formar um anel.

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

Propriedades

Fórmula molecular

H ₃ PO ₄

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 de H ₂ O a 20 ° C; 369,4 g / 100 ml a 0,5 ° C; 446 g / 100m a 14,95º C.

Densidade

1,892 g / cm ³ (sólido); 1,841 g / cm ³ (100% de solução); 1,685 g / cm ³ (85% de solução); 1,334 g / cm ³ solução 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 (H ₄ P ₂ O ₇).

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 dá origem aos sais Na ₂ HPO ₄ e NaH ₂ PO ₄ que constituem um sistema tampão de pH com um pKa de 6,8. Este sistema regulador do pH está presente no homem, sendo importante 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 usado 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 dos 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 dentária antes da colocação de braquetes dentais. 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 em produtos cosméticos e de cuidados da pele. É usado como um 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 digestão com ácido sulfúrico concentrado:

Ca ₃ (PO ₄) ₂ + 3 H ₂ SO ₄ + 6 H ₂ O => 2 H ₃ PO ₄ + 3 (CaSO ₄.2H ₂ O)

O ácido fosfórico obtido nesta reação é de baixa pureza, por isso passa por um processo de purificação que inclui técnicas de precipitação, extração por 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:

P ₄ (l) + 5 O ₂ (g) => P ₄ O ₁₀ (s)

P ₄ O ₁₀ (s) + H ₂ O (g) => 4H ₃ PO ₄ (l)

Riscos

- Como sua pressão de vapor é baixa à temperatura ambiente, é improvável que seus vapores sejam inalados, a menos que o ácido seja pulverizado. Nesse caso, os sintomas de 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 por um longo período aos vapores do ácido fosfórico. 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 do tempo de contato, pode produzir neles lesões corrosivas nos tecidos ou queimaduras graves com lesões permanentes nos olhos.

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

Referências

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