Фосфорные кислоты и фосфаты

Пирофосфорная кислота.

Фосфорная кислота , в общем смысле, представляет собой фосфор оксокислота , в котором каждый фосфор атом находится в состоянии окисления +5, и связана с четырьмя кислородных атомов, один из них через двойную связь , расположенные в углах тетраэдра . Два или более из этих ЗП
₄тетраэдры могут быть соединены общими атомами кислорода с одинарными связями, образуя линейные или разветвленные цепи, циклы или более сложные структуры. Односвязные атомы кислорода, которые не являются общими, дополняются кислыми атомами водорода . Общая формула фосфорной кислоты H
_{п + 2−2 х}п
_пО
_{3 п + 1 - х}, где n - количество атомов фосфора, а x - количество основных циклов в структуре молекулы, от 0 до ( n +2) / 2.

Пирофосфат-анион.

Триметил ортофосфат.

Удаление протонов ( H⁺
) из k гидроксильных групп –OH оставляет анионы, обычно называемые фосфатами (если k = n −2 x +2) или гидрофосфатами (если k находится между 1 и n −2 x +1), с общей формулой [H _{n −2 x + 2− к} P _n O _{3 n + 1− x} ] ^{k -} . Полностью диссоциированный анион ( k = n −2 x +2) имеет формулу [P _n O _{3n - x +1} ] ^{( n −2 x +2) -} это термин также используется в органической химии для функциональных групп, которые образуются, когда или более атомов водорода заменяются связями с другими группами.

Эти кислоты, вместе с их солями и сложными эфирами , включают некоторые из наиболее известных соединений фосфора, имеющих большое значение в биохимии , минералогии , сельском хозяйстве , фармацевтике , химической промышленности и химических исследованиях .

Кислоты [ править ]

Ортофосфорная кислота [ править ]

Самая простая и наиболее часто встречающаяся из фосфорных кислот - ортофосфорная кислота H ₃ PO ₄ . Действительно, термин фосфорная кислота часто означает именно это соединение (и это также текущая номенклатура IUPAC ).

Олигофосфорная и полифосфорная кислоты [ править ]

Две или более молекулы ортофосфорной кислоты могут быть соединены путем конденсации в более крупные молекулы путем удаления воды . Конденсация нескольких единиц дает олигофосфорные кислоты , а более крупные молекулы называются полифосфорными кислотами . (Однако различие между этими двумя терминами четко не определено.)

Например, пирофосфорная , трифосфорная и тетрафосфорная кислоты могут быть получены реакциями

2 ч
₃PO
₄→ H
₄п
₂О
₇+ H
₂О

ЧАС
₄п
₂О
₇+ H
₃PO
₄→ H
₅п
₃О
₁₀+ H
₂О

ЧАС
₅п
₃О
₁₀+ H
₃PO
₄→ H
₆п
₄О
₁₃+ H
₂О

«Основа» молекулы полифосфорной кислоты представляет собой цепочку чередующихся атомов P и O. Каждая дополнительная ортофосфорная единица, которая конденсируется, добавляет 1 дополнительный атом H ( водорода ), 1 дополнительный атом P ( фосфора ) и 3 дополнительных атома O ( кислорода ). Общая формула полифосфорной кислоты H
_{п +2}п
_пО
_{3 п +1}или HO (–P (O) (OH) –O–) _n H.

Полифосфорные кислоты используются в органическом синтезе для циклизации и ацилирования . ^{[1] [2]}

Циклические фосфорные кислоты [ править ]

С другой стороны, конденсация между двумя звеньями –OH одной и той же молекулы удаляет два атома водорода и один атом кислорода, создавая цикл, как при образовании триметафосфорной кислоты :

ЧАС
₅п
₃О
₁₀→ H
₃п
₃О
₉+ H
₂О

Общая формула фосфорной кислоты: H _{n −2 x +2} P _n O _{3 n - x +1} , где n - количество атомов фосфора, а x - количество основных циклов в структуре молекулы; то есть минимальное количество связей, которые необходимо разорвать, чтобы устранить все циклы.

• Ортофосфорная кислота
  H ₃ PO ₄

• Пирофосфорная кислота
  H
  ₄п
  ₂О
  ₇

• Триполифосфорная кислота
  H
  ₅п
  ₃О
  ₁₀

• Тетраполифосфорная кислота
  H
  ₆п
  ₄О
  ₁₃

• Триметафосфорная кислота
  H ₃ P ₃ O ₉

• Фосфорный ангидрид
  P ₄ O ₁₀

Предельным случаем внутренней конденсации, когда все атомы кислорода являются общими и нет атомов водорода ( x = ( n +2) / 2), будет ангидрид P _n O _{5 n / 2} , такой как пятиокись фосфора P
₄О
₁₀.

Фосфаты [ править ]

Удаление атомов водорода в виде протонов H + превращает фосфорную кислоту в фосфатный анион. При частичном удалении образуются различные анионы гидрофосфата.

Ортофосфат [ править ]

Анионы ортофосфорной кислоты H
₃PO
₄являются ортофосфат ПО^3-
₄, гидрофосфат HPO^2-
₄, и дигидрофосфат H
₂PO^-
₄

Линейные олигофосфаты и полифосфаты [ править ]

Диссоциация пирофосфорной кислоты H
₄п
₂О
₇образует четыре аниона, H
_{4- к}п
₂О^-
₇^{k -} , где заряд k изменяется от 1 до 4. Последний - пирофосфат [P
₂О^4-
₇. В пирофосфатах в основном растворимая в воде.

Аналогично, триполифосфорная кислота H
₅п
₃О
₁₀дает не менее пяти анионов [H
_{5- к}п
₃О
₁₀] ^{k -} , где k изменяется от 1 до 5, включая триполифосфат [P
₃О^5-
₁₀. Тетраполифосфорная кислота H
₆п
₄О
₁₃дает не менее шести анионов, включая тетраполифосфат [P
₄О^6-
₁₃, и так далее. Обратите внимание, что каждая дополнительная фосфорная единица добавляет один дополнительный атом P, три дополнительных атома кислорода и либо один дополнительный атом водорода, либо дополнительный отрицательный заряд.

Разветвленные полифосфорные кислоты дают аналогично разветвленные полифосфатные анионы. Простейшим примером этого является трифосфонофосфат [OP (OPO
₃)
₃] ⁹⁻ и его частично диссоциированные версии.

Общая формула таких (нециклических) полифосфатных анионов, линейных или разветвленных, такова [H
_{п + 2 - к}п
_пО
_{3 п +1}] ^{k -} , где заряд k может изменяться от 1 до n +2. Обычно в водном растворе степень или процент диссоциации зависит от pH раствора.

Циклические полифосфаты [ править ]

Единицы фосфорной кислоты могут быть связаны вместе в кольца (циклические структуры), образуя молекулы метафосфорной кислоты . Простейшим таким соединением является триметафосфорная кислота или циклотрифосфорная кислота, имеющая формулу H ₃ P ₃ O ₉ . Его структура показана на иллюстрации. Поскольку концы конденсированы, его формула содержит на единицу меньше H ₂ O (воды), чем триполифосфорная кислота. То, что обычно называют триметафосфатами, на самом деле имеет несколько размеров колец. Общая формула таких циклических соединений: (HPO ₃ ) _x, где x = количество фосфорных звеньев в молекуле. Гипотетический мономерmonometaphosphoric кислоты (HPO ₃ ), который был бы валентной изоэлектронным с азотной кислотой , как известно, не существует.

Когда эти метафосфорные кислоты теряют свои водороды в виде H ⁺ , образуются циклические анионы, называемые метафосфатами . Примером соединения с таким анионом является гексаметафосфат натрия (Na ₆ P ₆ O ₁₈ ), используемый как секвестрант и пищевая добавка .

Химические свойства [ править ]

Растворимость [ править ]

Эти фосфорные серии кислот , как правило , вода - растворимая учитывая полярность молекул. Аммоний и щелочные фосфаты также хорошо растворяются в воде. В щелочноземельные соли начинают становятся менее растворимыми и фосфатные соли различных других металлов еще менее растворима.

Гидролиз и конденсация [ править ]

В водных растворах (водных растворах) вода постепенно (в течение нескольких часов) гидролизует полифосфаты до более мелких фосфатов и, наконец, до ортофосфатов при достаточном количестве воды. Более высокая температура или кислая среда могут значительно ускорить реакции гидролиза . ^[3]

И наоборот, полифосфорные кислоты или полифосфаты часто образуются при дегидратации раствора фосфорной кислоты; Другими словами, часто удаляя из него воду, нагревая и выпаривая воду.

Использует [ редактировать ]

Орто-, пиро- и триполифосфатные соединения обычно используются в составах моющих средств (например, чистящих средств). Например, см. Триполифосфат натрия . Иногда пирофосфат, триполифосфат, тетраполифосфат и т. Д. Называют дифосфатом , трифосфатом , тетрафосфатом и т. Д., Особенно когда они входят в состав сложных эфиров фосфорной кислоты в биохимии . Они также используются для масштаба и контроля коррозии с помощью питьевой воды поставщиков . ^[4] Как ингибитор коррозии полифосфаты действуют, образуя защитную пленку на внутренней поверхности труб. ^[5]

Эфиры фосфорной кислоты [ править ]

-ОН группа в фосфорных кислотах также может конденсироваться с гидроксильными группами из спиртов с образованием фосфатных эфиров . Поскольку ортофосфорная кислота имеет три группы -ОН, она может этерифицироваться одной, двумя или тремя молекулами спирта с образованием моно-, ди- или триэфира. См. Изображение общей структуры орто- (или моно) фосфатного эфира внизу слева, где любая из групп R может быть водородом или органическим радикалом . Также возможны ди- и триполи- (или три-) сложные эфиры фосфата и т.д. Любые группы -ОН на фосфатах в этих молекулах сложного эфира могут потерять H ^+.ионы с образованием анионов, опять же в зависимости от pH раствора. В биохимии живых организмов существует множество видов (моно) фосфатных, дифосфатных и трифосфатных соединений (в основном сложных эфиров ), многие из которых играют важную роль в метаболизме, например аденозиндифосфат (АДФ) и трифосфат (АТФ) .

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Шредер Х.С., Курц Л., Мюллер В.Е., Лоренц Б. (март 2000 г.). «Полифосфат в кости» (PDF) . Биохимия (Москва) . 65 (3): 296–303. Архивировано из оригинального (PDF) 25 августа 2011 года.

Внешние ссылки [ править ]

• Определение полифосфатов с использованием ионной хроматографии с обнаружением подавленной проводимости, инструкция по применению 71 от Dionex
• США 3044851