El ácido fosfórico (ácido ortofosfórico, ácido monofosfórico o ácido fosfórico(V)) es un sólido incoloro e inodoro que contiene fósforo y un compuesto inorgánico con la fórmula química H3PO4 . Se encuentra comúnmente como una solución acuosa al 85% , que es un líquido almibarado incoloro, inodoro y no volátil . Es un importante producto químico industrial, siendo un componente de muchos fertilizantes .
El compuesto es un ácido . La eliminación de los tres iones H + da como resultado el ion fosfato PO3−4La eliminación de uno o dos protones produce el ion fosfato de dihidrógeno H 2 PO−4, y el ion fosfato de hidrógeno HPO2−4, respectivamente. El ácido fosfórico forma ésteres , llamados organofosfatos . [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" a menudo se refiere 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 trata con ácido sulfúrico . [21]
El sulfato de calcio (yeso, CaSO 4 ) es un subproducto que se elimina como fosfoyeso . El gas de 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 (entre un 32 y un 46 % de H 3 PO 4 ). Se puede concentrar para producir ácido fosfórico de calidad comercial o de grado comercial , que contiene aproximadamente entre un 54 y un 62 % de P 2 O 5 (entre un 75 y un 85 % de H 3 PO 4 ). La eliminación adicional del agua produce ácido superfosfórico con una concentración de P 2 O 5 superior al 70 % (que corresponde a casi un 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 grado alimenticio, el mineral de fosfato primero se reduce con coque en un horno de arco eléctrico , para dar fósforo elemental . Este proceso también se conoce como proceso térmico o proceso de horno eléctrico. También se agrega 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 hacer 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 costoso y consume más energía que el proceso húmedo, que produce ácido fosfórico con una concentración menor de P2O5 (aproximadamente 26-52%) y un nivel más alto de impurezas. El proceso húmedo es el método más común para producir ácido fosfórico para uso como fertilizante. [23] Incluso en China, donde el proceso térmico todavía se usa bastante debido al carbón relativamente barato en comparación con el ácido sulfúrico, más de 7/8 del ácido fosfórico se produce con el proceso húmedo. [24]
Los ácidos fosfóricos producidos a partir de roca fosfórica o procesos térmicos a menudo requieren purificación. Un método de purificación común es la extracción líquido-líquido, que implica la separación de los ácidos fosfóricos del agua y otras impurezas utilizando disolventes orgánicos, como el fosfato de tributilo (TBP), la metil isobutil cetona (MIBK) o el n -octanol . La nanofiltración implica el uso de una membrana de nanofiltración premodificada, que se funcionaliza mediante un depósito de un polímero policatiónico de polietileniminas de alto peso molecular. Se ha demostrado que la nanofiltración reduce significativamente las concentraciones de varias impurezas, incluidos el cadmio, el aluminio, el hierro y los elementos de tierras raras. Los resultados a escala piloto industrial y de laboratorio mostraron que este proceso permite la producción de ácido fosfórico de calidad alimentaria. [25]
La cristalización fraccionada puede lograr las purezas más altas que se usan típicamente para aplicaciones de semiconductores. Por lo general, 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 de transferencia de calor por debajo del punto de congelación de la masa fundida estancada. Este enfriamiento hace que crezca una capa de cristales en las placas. Las impurezas son rechazadas de los cristales en crecimiento y se concentran en la masa fundida restante. Después de que se haya cristalizado 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 en el recipiente del producto. El cristalizador se llena nuevamente con la alimentación y se inicia el siguiente ciclo de enfriamiento. [26]
En solución acuosa el ácido fosfórico se comporta como un ácido triprótico.
La diferencia entre valores sucesivos de p K a es suficientemente grande como para que las sales de fosfato monohidrógeno, HPO2−4o fosfato de 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 respectivos valores de p K a .
Las soluciones acuosas de hasta 62,5% de H 3 PO 4 son eutécticas y presentan una depresión del punto de congelación tan baja como -85 °C. Cuando la concentración de ácido aumenta por encima de 62,5%, el punto de congelación aumenta, alcanzando 21 °C con 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 en sólido, lo que sería un problema importante a gran escala. Un máximo local en 91,6% que corresponde al hemihidrato 2H 3 PO 4 •H 2 O, que se congela a 29,32 °C. [27] [28] Hay una segunda depresión eutéctica más pequeña a una concentración de 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 ocurra la cristalización y puede ser relativamente resistente a la cristalización incluso cuando se almacena por debajo del punto de congelación. [13]
El ácido fosfórico se comercializa en forma de soluciones acuosas de diversas concentraciones, que normalmente no superan el 85 %. Si se concentra aún más, sufre una autocondensación lenta y forma un equilibrio con el ácido pirofosfórico :
Incluso en 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. [29]
A medida que aumenta la concentración se forman ácidos más altos , que culminan en la formación de ácidos polifosfóricos . [30] No es posible deshidratar completamente el ácido fosfórico a pentóxido de fósforo , en cambio, el ácido polifosfórico se vuelve cada vez más polimérico y viscoso. Debido a la autocondensación, el ácido ortofosfórico puro solo se puede obtener mediante un cuidadoso proceso de congelación/fusión fraccionada. [13] [12]
El uso dominante del ácido fosfórico es para fertilizantes , consumiendo aproximadamente el 90% de la producción. [31]
El ácido fosfórico de grado alimenticio (aditivo E338 [32] ) se utiliza para acidificar alimentos y bebidas como diversas colas y mermeladas, proporcionando un sabor ácido o agrio. El ácido fosfórico también sirve como conservante . [33] Los refrescos que contienen ácido fosfórico, que incluirían Coca-Cola , a veces se denominan refrescos de fosfato o fosfatos. El ácido fosfórico en los refrescos tiene el potencial de causar erosión dental. [34] El ácido fosfórico también tiene el potencial de contribuir a la formación de cálculos renales , especialmente en aquellos que han tenido cálculos renales previamente. [35]
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 fosfatación . [41]
El ácido fosfórico no es un ácido fuerte . Sin embargo, en concentraciones moderadas, las soluciones de ácido fosfórico son irritantes para la piel. El contacto con soluciones concentradas puede causar quemaduras graves en la piel y daño permanente a los ojos. [42]
Se ha demostrado que existe un vínculo entre el consumo regular de bebidas gaseosas a largo plazo y la osteoporosis en la mediana edad en las mujeres (pero no en los hombres). [43]
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