En química , un ácido fosfórico , en sentido general, es un oxoácido de fósforo en el que cada átomo de fósforo (P) se encuentra en estado de oxidación +5, y está unido a cuatro átomos de oxígeno (O), uno de ellos a través de un doble enlace. , dispuestos como las esquinas de un tetraedro . Dos o más de estos tetraedros de PO 4 pueden estar conectados mediante oxígenos compartidos de enlace simple, formando cadenas lineales o ramificadas , ciclos o estructuras más complejas. Los átomos de oxígeno con enlaces simples que no se comparten se completan con átomos de hidrógeno ácidos . La fórmula general de un ácido fosfórico es H n +2−2 x P n O 3 n +1− x , donde n es el número de átomos de fósforo y x es el número de ciclos fundamentales en la estructura de la molécula, entre 0 ynorte + 2/2.
La eliminación de protones ( H + ) de k grupos hidroxilo –OH deja aniones genéricamente llamados fosfatos (si k = n − 2 x + 2 ) o hidrogenofosfatos (si k está entre 1 y n − 2 x + 1 ), con fórmula general [H norte −2 x +2− k P norte O 3 norte +1− x ] k − . El anión completamente disociado ( k = n − 2 x + 2 ) tiene fórmula [P n O 3 n − x +1 ] ( n −2 x +2)− . El término fosfato también se usa en química orgánica para los grupos funcionales que resultan cuando o más hidrógenos se reemplazan por enlaces a otros grupos.
Estos ácidos, junto con sus sales y ésteres , incluyen algunos de los compuestos de fósforo más conocidos, de gran importancia en bioquímica , mineralogía , agricultura , farmacia , industria química e investigación química .
El más simple y más común de los ácidos fosfóricos es el ácido ortofosfórico , H 3 PO 4 . De hecho, el término ácido fosfórico a menudo significa específicamente este compuesto (y esta es también la nomenclatura actual de la IUPAC ). [ cita necesaria ]
Se pueden unir dos o más moléculas de ácido ortofosfórico mediante condensación en moléculas más grandes mediante eliminación de agua . La condensación de unas pocas unidades produce ácidos oligofosfóricos , mientras que las moléculas más grandes se denominan ácidos polifosfóricos . (Sin embargo, la distinción entre los dos términos no está bien definida).
Por ejemplo, los ácidos pirofosfórico , trifosfórico y tetrafosfórico se pueden obtener mediante las reacciones
La "columna vertebral" de una molécula de ácido polifosfórico es una cadena de átomos de P y O alternos. Cada unidad ortofosfórica adicional que se condensa agrega 1 átomo adicional de H ( hidrógeno ), 1 átomo adicional de P ( fósforo ) y 3 átomos adicionales de O ( oxígeno ). La fórmula general de un ácido polifosfórico es H n +2 P n O 3 n +1 o HO[−P(O)(OH)−O−] n H .
Los ácidos polifosfóricos se utilizan en síntesis orgánica para ciclaciones y acilaciones ; una alternativa es el reactivo de Eaton . [1] [2] [3]
La condensación entre dos unidades –OH de la misma molécula, por otro lado, elimina dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno, creando un ciclo, como en la formación del ácido trimetafosfórico:
La fórmula general de un ácido fosfórico es H n −2 x +2 P n O 3 n − x +1 , donde n es el número de átomos de fósforo y x es el número de ciclos fundamentales en la estructura de la molécula; es decir, el número mínimo de enlaces que habría que romper para eliminar todos los ciclos.
El caso límite de condensación interna, donde todos los átomos de oxígeno se comparten y no hay átomos de hidrógeno ( x =norte +2/2) sería un anhídrido P 2 n O_{ 5 n }, como el pentóxido de fósforo P 4 O 10 .
La eliminación de los átomos de hidrógeno como protones H + convierte un ácido fosfórico en un anión fosfato. La eliminación parcial produce varios aniones de hidrógeno fosfato.
Los aniones del ácido ortofosfórico H 3 PO 4 son ortofosfato (comúnmente llamado simplemente "fosfato") PO3-4, monohidrógeno fosfato HPO2-4, y fosfato dihidrógeno H 2 PO 4 − .
La disociación del ácido pirofosfórico H 4 P 2 O 7 genera cuatro aniones, [H 4− k P 2 O 7 ] k − , donde la carga k varía de 1 a 4. El último es el pirofosfato [P 2 O 7 ] 4− . Los pirofosfatos son en su mayoría solubles en agua.
Likewise, tripolyphosphoric acid H5P3O10 yields at least five anions [H5−kP3O10]k−, where k ranges from 1 to 5, including tripolyphosphate [P3O10]5−. Tetrapolyphosphoric acid H6P4O13 yields at least six anions, including tetrapolyphosphate [P4O13]6−, and so on. Note that each extra phosphoric unit adds one extra P atom, three extra O atoms, and either one extra hydrogen atom or an extra negative charge.
Branched polyphosphoric acids give similarly branched polyphosphate anions. The simplest example of this is triphosphono phosphate [OP(OPO3)3]9− and its partially dissociated versions.
The general formula for such (non-cyclic) polyphosphate anions, linear or branched, is [Hn+2−kPnO3n+1]k−, where the charge k may vary from 1 to n + 2. Generally in an aqueous solution, the degree or percentage of dissociation depends on the pH of the solution.
The phosphoric acid units can be bonded together in rings (cyclic structures) forming metaphosphoric acid molecules. The simplest such compound is trimetaphosphoric acid or cyclo-triphosphoric acid having the formula H3P3O9. Its structure is shown in the illustration. Since the ends are condensed, its formula has one less H2O (water) than tripolyphosphoric acid. What are commonly called trimetaphosphates actually have a mixture of ring sizes. A general formula for such cyclic compounds is [HPO3]x where x = number of phosphoric units in the molecule. The hypothetical monomer monometaphosphoric acid (HPO3), which would be valence isoelectronic with nitric acid, is not known to exist.[citation needed]
Cuando estos ácidos metafosfóricos pierden sus hidrógenos como H + , se forman aniones cíclicos llamados metafosfatos . Un ejemplo de un compuesto con dicho anión es el hexametafosfato de sodio ( Na 6 P 6 O 18 ), utilizado como secuestrante y aditivo alimentario .
Estas series de ácidos fosfóricos son generalmente solubles en agua considerando la polaridad de las moléculas. Los fosfatos de amonio y alcalinos también son bastante solubles en agua. Las sales alcalinotérreas comienzan a volverse menos solubles y las sales de fosfato de varios otros metales son aún menos solubles.
En soluciones acuosas (soluciones de agua), el agua hidroliza gradualmente (en el transcurso de horas) los polifosfatos en fosfatos más pequeños y finalmente en ortofosfato, si se le proporciona suficiente agua. Las temperaturas más altas o las condiciones ácidas pueden acelerar considerablemente las reacciones de hidrólisis . [4]
Por el contrario, los ácidos polifosfóricos o polifosfatos se forman frecuentemente deshidratando una solución de ácido fosfórico; en otras palabras, eliminar el agua a menudo calentándola y evaporándola.
Los compuestos de orto, piro y tripolifosfato se han utilizado comúnmente en formulaciones de detergentes (es decir, limpiadores). Por ejemplo, véase tripolifosfato de sodio . En ocasiones se denomina difosfato, trifosfato, tetrafosfato, etc. al pirofosfato , tripolifosfato , tetrapolifosfato , etc., sobre todo cuando forman parte de los ésteres de fosfato en bioquímica . También se utilizan para el control de incrustaciones y corrosión por parte de los proveedores de agua potable . [5] Como inhibidor de la corrosión, los polifosfatos actúan formando una película protectora en la superficie interior de las tuberías. [6]
Los grupos −OH de los ácidos fosfóricos también pueden condensarse con los grupos hidroxilo de los alcoholes para formar ésteres de fosfato . Dado que el ácido ortofosfórico tiene tres grupos −OH , puede esterificarse con una, dos o tres moléculas de alcohol para formar un mono, di o triéster. Vea la imagen de la estructura general de un éster orto- (o mono-)fosfato a continuación a la izquierda, donde cualquiera de los grupos R puede ser un hidrógeno o un radical orgánico . También son posibles ésteres de di y tripoli (o tri) fosfato, etc. Cualquier grupo −OH en los fosfatos en estas moléculas de éster puede perder iones H + para formar aniones, nuevamente dependiendo del pH de una solución. En la bioquímica de los organismos vivos, existen muchos tipos de compuestos (mono)fosfato, difosfato y trifosfato (esencialmente ésteres ), muchos de los cuales desempeñan un papel importante en el metabolismo, como el adenosín difosfato (ADP) y el trifosfato (ATP) .
![{\displaystyle {\begin{aligned}{\ce {2 H3PO4}}&\longrightarrow {\ce {H4P2O7 + H2O}}\\[2pt]{\ce {H4P2O7 + H3PO4}}&\longrightarrow {\ce { H5P3O10 + H2O}}\\[2pt]{\ce {H5P3O10 + H3PO4}}&\longrightarrow {\ce {H6P4O13 + H2O}}\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d4c24f45d2f63419fa9f3ec8c03563abe3532b13)