El ácido fosfórico (ácido ortofosfórico, ácido monofosfórico o ácido fosfórico (V)) es un compuesto sólido e inorgánico que contiene fósforo , incoloro e inodoro , con la fórmula química H 3 P O 4 . Se encuentra comúnmente como una solución acuosa al 85%, que es un líquido almibarado incoloro, inodoro y no volátil . Es un producto químico industrial importante y es un componente de muchos fertilizantes.
El compuesto es un ácido . La eliminación de los tres iones H + da el ion fosfato PO3-4. La eliminación de uno o dos protones da el ion dihidrógeno fosfato H 2 PO−4, y el ion hidrógeno fosfato HPO2-4, respectivamente. El ácido fosfórico forma ésteres , llamados organofosforados . [17]
El nombre "ácido ortofosfórico" se puede utilizar para distinguir este ácido específico de otros " ácidos fosfóricos ", como el ácido pirofosfórico . Sin embargo, el término "ácido fosfórico" suele referirse a este compuesto específico; y esa es la nomenclatura actual de la IUPAC .
El ácido fosfórico se produce industrialmente mediante una de dos rutas: procesos húmedos y secos. [18] [19] [20]
En el proceso húmedo, un mineral que contiene fosfato, como la hidroxiapatita de calcio y la fluorapatita, se tratan con ácido sulfúrico . [21]
El sulfato de calcio (yeso, CaSO 4 ) es un subproducto que se elimina como fosfoyeso . El gas fluoruro de hidrógeno (HF) se introduce en un depurador húmedo (agua) que produce ácido fluorhídrico . En ambos casos, la solución de ácido fosfórico suele contener entre un 23 y un 33 % de P 2 O 5 (32 y un 46 % de H 3 PO 4 ). Puede concentrarse para producir ácido fosfórico de calidad comercial , que contiene aproximadamente entre un 54 % y un 62 % de P 2 O 5 (75 % y un 85 % de H 3 PO 4 ). Una mayor eliminación del agua produce ácido superfosfórico con una concentración de P 2 O 5 superior al 70 % (correspondiente a casi el 100 % de H 3 PO 4 ). El ácido fosfórico de ambos procesos se puede purificar aún más eliminando compuestos de arsénico y otras impurezas potencialmente tóxicas.
Para producir ácido fosfórico de calidad alimentaria, primero se reduce el mineral de fosfato con coque en un horno de arco eléctrico , para obtener fósforo elemental . Este proceso también se conoce como proceso térmico o proceso de horno eléctrico. También se añade sílice, lo que da como resultado la producción de escoria de silicato de calcio . El fósforo elemental se destila del horno y se quema con aire para producir pentóxido de fósforo de alta pureza , que se disuelve en agua para producir ácido fosfórico. [22] El proceso térmico produce ácido fosfórico con una concentración muy alta de P 2 O 5 (alrededor del 85%) y un bajo nivel de impurezas.
Sin embargo, este proceso es más caro y consume más energía que el proceso húmedo, que produce ácido fosfórico con una menor concentración de P2O5 (alrededor del 26-52%) y un mayor nivel de impurezas. El proceso húmedo es el método más común para producir ácido fosfórico para uso como fertilizante. Fuente: Ácido fosfórico y fertilizantes fosfatados: un perfil
Los ácidos fosfóricos producidos a partir de roca fosfórica o de procesos térmicos a menudo requieren purificación. Un método de purificación común es la extracción líquido-líquido, que implica la separación de ácidos fosfóricos del agua y otras impurezas utilizando disolventes orgánicos, como tributilfosfato (TBP), metil isobutil cetona (MIBK) o n-octanol. La nanofiltración implica el uso de una membrana de nanofiltración premodificada, que está funcionalizada mediante un depósito de un polímero policatiónico de polietileniminas de alto peso molecular. Se ha demostrado que la nanofiltración reduce significativamente las concentraciones de diversas impurezas, incluidos cadmio, aluminio, hierro y elementos de tierras raras. Los resultados a escala piloto industrial y de laboratorio demostraron que este proceso permite la producción de ácido fosfórico de grado alimentario. [23]
La cristalización fraccionada puede alcanzar las purezas más altas que normalmente se utilizan en aplicaciones de semiconductores. Generalmente se utiliza un cristalizador estático. Un cristalizador estático utiliza placas verticales, que están suspendidas en la alimentación fundida y que se enfrían y calientan alternativamente mediante un medio de transferencia de calor. El proceso comienza con el enfriamiento lento del medio caloportador por debajo del punto de congelación de la masa fundida estancada. Este enfriamiento hace que crezca una capa de cristales sobre las placas. Las impurezas se rechazan de los cristales en crecimiento y se concentran en la masa fundida restante. Una vez cristalizada la fracción deseada, la masa fundida restante se drena del cristalizador. La capa cristalina más pura permanece adherida a las placas. En un paso posterior, las placas se calientan nuevamente para licuar los cristales y el ácido fosfórico purificado se drena al recipiente del producto. El cristalizador se llena de nuevo con alimentación y se inicia el siguiente ciclo de enfriamiento. Fuente: Cristalización fraccionada
En solución acuosa el ácido fosfórico se comporta como un ácido triprótico.
La diferencia entre los valores sucesivos de p K a es lo suficientemente grande como para que las sales de monohidrógeno fosfato, HPO2-4o fosfato dihidrógeno, H 2 PO−4, se puede preparar a partir de una solución de ácido fosfórico ajustando el pH para que esté a medio camino entre los valores respectivos de p K a .
Las soluciones acuosas con hasta un 62,5 % de H 3 PO 4 son eutécticas y presentan una depresión del punto de congelación de hasta -85 °C. Más allá de este punto de congelación aumenta, alcanzando los 21°C con un 85% de H 3 PO 4 (p/p; el monohidrato ). Más allá de esto, el diagrama de fases se vuelve complicado, con máximos y mínimos locales significativos. Por esta razón, el ácido fosfórico rara vez se vende por encima del 85%, ya que más allá de esto, agregar o eliminar pequeñas cantidades de humedad corre el riesgo de que toda la masa se congele como sólido, lo que sería un problema importante a gran escala. Un máximo local de 91,6% que corresponde al hemihidrato 2H 3 PO 4 •H 2 O, congelando a 29,32°C. [24] [25] Hay una segunda depresión eutéctica más pequeña a una concentración del 94,75% con un punto de congelación de 23,5°C. A concentraciones más altas, el punto de congelación aumenta rápidamente. El ácido fosfórico concentrado tiende a sobreenfriarse antes de que se produzca la cristalización y puede ser relativamente resistente a la cristalización incluso cuando se almacena por debajo del punto de congelación. [13]
El ácido fosfórico está disponible comercialmente en forma de soluciones acuosas de diversas concentraciones, que normalmente no superan el 85%. Si se concentra más, sufre una lenta autocondensación, formando un equilibrio con el ácido pirofosfórico :
Incluso a una concentración del 90%, la cantidad de ácido pirofosfórico presente es insignificante, pero más allá del 95% comienza a aumentar, alcanzando el 15% en lo que de otro modo habría sido 100% de ácido ortofosfórico. [26]
A medida que aumenta la concentración se forman ácidos superiores , que culminan en la formación de ácidos polifosfóricos . [27] No es posible deshidratar completamente el ácido fosfórico hasta obtener pentóxido de fósforo , sino que el ácido polifosfórico se vuelve cada vez más polimérico y viscoso. Debido a la autocondensación, el ácido ortofosfórico puro sólo puede obtenerse mediante un cuidadoso proceso de congelación/fusión fraccionada. [13] [12]
El uso predominante del ácido fosfórico es el de fertilizantes , consumiendo aproximadamente el 90% de la producción. [28]
El ácido fosfórico de calidad alimentaria (aditivo E338 [29] ) se utiliza para acidificar alimentos y bebidas como diversas colas y mermeladas, proporcionando un sabor ácido o ácido. El ácido fosfórico también sirve como conservante . [30] Los refrescos que contienen ácido fosfórico, que incluirían Coca-Cola , a veces se denominan refrescos con fosfato o fosfatos. El ácido fosfórico de los refrescos tiene el potencial de provocar erosión dental. [31] El ácido fosfórico también tiene el potencial de contribuir a la formación de cálculos renales , especialmente en aquellos que han tenido cálculos renales anteriormente. [32]
Las aplicaciones específicas del ácido fosfórico incluyen:
El ácido fosfórico también se puede utilizar para el pulido químico ( grabado ) de metales como el aluminio o para la pasivación de productos de acero en un proceso llamado fosfatización . [38]
El ácido fosfórico no es un ácido fuerte . Sin embargo, en concentraciones moderadas, las soluciones de ácido fosfórico irritan la piel. El contacto con soluciones concentradas puede provocar quemaduras graves en la piel y daños oculares permanentes. [39]
Se ha demostrado un vínculo entre el consumo regular de cola a largo plazo y la osteoporosis en las mujeres de mediana edad (pero no en los hombres). [40]
