磷酸

磷酸（英語：）或稱為正磷酸（英語：），化學式H3PO4，是一种常见的无机酸，不易挥发，不易分解，几乎没有氧化性。具有酸的通性，是三元弱酸，其酸性比盐酸、硫酸、硝酸弱，但比醋酸、硼酸等强。由五氧化二磷溶于热水中即可得到。正磷酸工业上用硫酸处理磷灰石即得。用硝酸使磷氧化，可以得到较纯的磷酸；一般是83%－98%的稠厚溶液，如果再浓缩，可以得到无色晶体。磷酸在空气中容易潮解；加热会逐渐失水得到焦磷酸，进一步失水得到偏磷酸。磷酸容易自行結合成多種化合物如焦磷酸（pyrophosphoric acid）或三聚磷酸（triphosphoric acid）等。

磷酸
IUPAC名
trihydroxidooxidophosphorus
phosphoric acid
别名 正磷酸、原磷酸
识别
CAS号 7664-38-2  checkY
16271-20-8（半水化合物）  ☒N
PubChem 1004
ChemSpider 979
SMILES
 
  • OP(=O)(O)O
InChI
 
  • 1/H3O4P/c1-5（2,3）4/h（H3,1,2,3,4）
InChIKey NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYAI
UN编号 1805
EINECS 231-633-2
ChEBI 26078
RTECS TB6300000
KEGG D05467
性质
化学式 H3PO4
97.995 g/mol g·mol⁻¹
外观 白色固體或黏稠液體（>42 °C）
密度 1.885 g/mL （液態）
1.685 g/mL （85%水溶液）
2.030 g/mL （25°C晶體）
熔点 42.35 °C （無水化合物）
29.32 °C （半水化合物）
沸点 158 °C （decomposition）
溶解性（水） 5.48 g/mL
pKa 2.148, 7.198, 12.319
黏度 2.4–9.4 cP （85% aq. soln.）
147 cP （100%）
热力学
ΔfHm⦵298K -1288 kJ·mol−1[1]
S⦵298K 158 J·mol−1·K−1[1]
危险性
欧盟危险性符号
腐蚀性腐蚀性 C
警示术语 R：R34
安全术语 S：S1/2-S26-S45
MSDS ICSC 1008
欧盟编号 015-011-00-6
NFPA 704
0
3
0
 
闪点 不可燃
若非注明，所有数据均出自标准状态（25 ℃，100 kPa）下。

除了用作化学试剂之外，磷酸也可主要用于制药、鐵銹轉化劑、食品添加物、溶劑、電解液、肥料、冶金、飼料等，也有在醫學美容及牙科的用途。

磷酸為三元酸，可解離出三個氫離子，因此可形成三種不同的酸根，分別是：磷酸二氫根H2PO4−、磷酸氫根HPO2−
4以及磷酸根PO3−
4。

結構

以磷為中心、四個氧環繞其周圍，其中包括一个双键氧和三个羟基。三個可解離的氫原子分別與三個氧原子結合。

化學性質

純磷酸的無水化合物在室溫下為白色晶體，熔點42.35 °C，溶化後為黏稠液體。

正磷酸具有極大的極性，因此磷酸極易溶於水。

正磷酸的中心磷（P）的氧化數為+5，而周圍氧原子（O）的氧化數為-2，氫離子為+1。

磷酸为無毒性的無機物，是一種三元弱酸。三元酸的意思是可在水中解離出三顆H+的酸性物質，磷酸的解離過程如下：Ka1、Ka2和Ka3為化學式在25°C下的解離常數

H3PO4（s）   + H2O（l） ⇌H3O+（aq） + H2PO4−（aq）      Ka1= 7.11×10−3
H2PO4−（aq）+ H2O（l） ⇌H3O+（aq） + HPO42−（aq）      Ka2= 6.32×10−8
HPO42−（aq）+ H2O（l） ⇌ H3O+（aq） +  PO43−（aq）       Ka3= 4.49×10−13

由於磷酸的多元酸性質，使它的pH值幅度較大，造成它的緩衝現象。又由於其無毒性又容易取得，實驗室及工業常拿無毒磷酸鹽與弱酸（如檸檬酸）混合物作為緩衝溶液，

磷酸時廣泛存在於生物體中，特別是磷酸化醣類，如DNA、RNA以及ATP。

如果將正磷酸加熱，數個磷酸分子的單體會脫水聚合起來，如：

兩個磷酸相連脫去一個水，形成焦磷酸（pyrophosphoric acid，H4P2O7）

如果數個磷酸環狀相接起來，並脫去一分子水，會形成偏磷酸（metaphosphoric acid），通式為：（HPO3）n。中文命名為n偏磷酸（n≥3）。[2]偏磷酸是一種具脫水性的物質，因此常被用作乾燥劑。要進一步將偏磷酸脫水相當困難，需使用極強的脫水劑搭配加熱（單純加熱無效），才可將偏磷酸脫水形成磷酸酐（五氧化二磷，phosphorus pentoxide，化學式：P2O5，分子式：P4O10），磷酸酐具有極強的脫水性，可用作酸性物質的乾燥劑。

若在超強酸（superacids，比H2SO4還強的酸）中作用，磷酸會形成理論上具腐蝕性的酸性物質，四羟基合鏻離子（tetrahydroxylphosphonium ion）。以氟銻酸（fluoroantimonic acid，HSbF6）作超強酸為例：

H3PO4 + HSbF6 → [P(OH)4+][SbF6]−

水溶液

磷酸濃度的計算方法（[A]為莫耳濃度）[A] = [H3PO4] + [H2PO4−] + [HPO42−] + [PO43−]

下表是磷酸在不同濃度下的pH、及磷酸的各共軛鹼濃度。

[A] （mol/L） pH [H3PO4]/[A] （%） [H2PO4−]/[A] （%） [HPO42−]/[A] （%） [PO43−]/[A] （%）
11.0891.78.296.20×10−61.60×10−17
10−11.6276.123.96.20×10−55.55×10−16
10−22.2543.156.96.20×10−42.33×10−14
10−33.0510.689.36.20×10−31.48×10−12
10−44.011.3098.66.19×10−21.34×10−10
10−55.000.13399.30.6121.30×10−8
10−65.971.34×10−294.55.501.11×10−6
10−76.741.80×10−374.525.53.02×10−5
10−107.008.24×10−461.738.38.18×10−5

鉴别

可以使用硝酸银和蛋白质对正、偏、焦磷酸进行鉴别。硝酸银可以与正磷酸生成黄色的磷酸银沉淀，而与焦磷酸、偏磷酸生成白色沉淀，但偏磷酸能使蛋白沉淀。[3]

製備

磷酸有三種製備方法，加熱法（thermal process）、潮溼製造法（wet process）及乾窯法（dry kiln process）

加熱法

燃燒磷单质產生五氧化二磷並且溶於水產生磷酸。此方法可生產較純的磷酸，因為在煉製磷的過程中已經去除許多雜質，然而仍需去除藏在裡面的砷。 純磷的現代製法大部分是將磷酸鈣與砂（主要成分為二氧化矽）及焦炭一起放在電爐中加熱。化學式如下：

  • Ca3(PO4）2+3SiO2→3CaSiO3+P2O5
  • P2O5+5C→2P+5CO

潮溼製造法

潮溼製造法是在磷酸鈣中加入硫酸，磷酸鈣的來源通常是磷灰石。

反應：（X為鹵素）

Ca5（PO4）3X + 5 H2SO4 + 10 H2O → 3 H3PO4 + 5 CaSO4·2H2O + HX

硫酸鈣溶解度較小，因此可以被過濾掉。

以此方法最初製造出來的磷酸濃度大約含有23%至33%的P2O5，再進行蒸餾或稀釋調整成想要的濃度。商品級的磷酸約54%，而超磷酸的濃度約70%.[4][5]

潮溼製造法的產品還須經過純化移除掉內含的氟化物及砷化物。

用途

性質

濃磷酸約75–85%左右，為澄清、無色、無味、非揮發性的濃稠液體。磷酸雖然無毒性，但85%的濃磷酸具有腐蝕性。

在如此高的濃度下，濃磷酸中的磷酸分子會聚合起來形成聚磷酸。

與鹵化物的反應

磷酸與鹵化物會產生氫鹵化物氣體，在實驗室可以此法製備鹵化氫。

NaCl（s）+ H3PO4（l） → NaH2PO4（s）+ HCl（g）
NaBr（s）+ H3PO4（l） → NaH2PO4（s）+ HBr（g）
NaI（s）+ H3PO4（l） → NaH2PO4（s）+ HI（g）

鐵銹轉化劑

磷酸可作為鐵銹轉化劑的成分，磷酸可將紅棕色的Fe2O3轉為黑色的FePO4，予以剝除後可露出新的金屬面，也可暫不進行剝除，讓他作為金屬面的保護層，防止其進一步的氧化。

鐵銹轉化劑有時被配置成液體供金屬浸泡。有時被配置成凝膠狀，暱稱「海軍果醬（naval jelly）」，可塗抹在垂直或陡峭的斜面上。

食品添加劑

食品級的磷酸可用來酸化飲品或食物，如可樂等。[6] 

藥用

磷酸也被應用於牙科及美容上。牙科方面，磷酸可用於清潔牙面及牙齒美白。

磷酸也被添加於防暈藥。

其他應用

除了以上的應用外，磷酸還有下列用途：

  • 含有磷-31的磷酸可作為核磁共振的外標物
  • 高性能液相色譜法
  • 溫氏法（Wentworth Process）：作為活性碳的氧化劑。[7]
  • 磷酸燃料電池中的電解液。
  • 作為烯烃和水加成的催化劑以製造醇類。
  • 作為銅電鍍拋光的電解液。
  • 作為助焊劑
  • 在半導體製程當中，磷酸可做為蝕刻的溶劑，例如：磷酸與過氧化氫的混合物可將InGaAs轉為InP，達到蝕刻的目的[8]。
  • 蝕刻氮化矽，磷酸可將Si3N4轉化為SiO2。[9]
  • 做為緩衝溶液。
  • 作為皮革處理及洗滌劑的分散媒。
  • 作為保養品中pH值的調節劑[10]。
  • 建築業上用磷酸以移除礦物沉積物、水泥圖片及水漬。
  • 水耕法中用作pH值的調節劑，也可作為植物磷養分的直接來源。
  • 水族箱中，使用磷酸作為消除綠斑藻的工具，以及有利於水草生長

生物学影響

飲料添加物

磷酸用在食品添加劑，素來有骨質疏鬆症的疑慮。以往的調查是藉由問卷選填飲用可樂及其他碳酸飲料的頻率，發現飲用碳酸飲料的受試者較易有骨質疏鬆症的問題。研究指出，飲用碳酸飲料者沒有比其他人攝取更多的磷，但身體的鈣磷比卻顯著的降低。《美國臨床營養學雜誌》（American Journal of Clinical Nutrition）中的有項研究[11]在1996年至2001年使用雙倍能量的X光去探測1672位女性及1148位男性的骨密度，發現磷酸確實會降低骨密度，此研究提供了比以往使用問卷調查更有利的證據。

另一項臨床研究指出，磷的攝取會降低骨密度。但此實驗以磷的總攝取量為主，並未明確證明使骨密度降低的主因是磷酸。[12]

但在Heaney及Rafferty使用鈣平衡的方法對於20至40歲的女人一日習慣飲用三杯以上（680 mL）碳酸飲料進行的臨床研究，卻發現含磷酸的碳酸飲料與钙流失無關。[13]研究比較了水、牛奶以及各種非酒精飲料（兩種含咖啡因，兩種不含咖啡因，兩種含磷酸，兩種含檸檬酸）。他們發現，相較於水，只有牛奶以及另外兩項含有咖啡因的飲品會增加尿液中的鈣含量，而添加有磷酸的咖啡因飲料和含咖啡因的飲料鈣量流失速度差不多，並沒有擴大咖啡因造成流失鈣質的影響。由於研究顯示咖啡因所造成的鈣質流失會逐漸補回來[14]，而磷酸在實驗中又沒有對鈣質流失造成影響。Heaney及Rafferty認為前面實驗受試者骨質疏鬆的原因是受試者飲用碳酸飲料，造成牛奶攝取量的漸少，造成鈣攝取量不足。

參見

參考文獻
  1. Zumdahl, Steven S. . Houghton Mifflin Company. 2009: A22. ISBN 0-618-94690-X.
  2. acid The Columbia Encyclopedia, Sixth Edition.
  3. 北京师范大学无机化学教研室等编. 第四版 下册
  4. Thomas, W P and Lawton, W S "Stable ammonium polyphosphate liquid fertilizer from merchant grade phosphoric acid" 美國專利第4,721,519号, Issue date: January 26, 1988
  5. (PDF). J.R. Simplot Company. May 2009 [4 May 2010]. （原始内容 (PDF)存档于2011年7月16日）.
  6. . Foods Standards Agency. 14 March 2012 [22 July 2012]. （原始内容存档于2013-07-19）.
  7. Toles, C.; Rimmer, S.; Hower, J.C. . Carbon (Elsevier BV). 1996, 34 (11): 1419–1426. ISSN 0008-6223. doi:10.1016/s0008-6223(96)00093-0.
  8. Wet chemical etching. （页面存档备份，存于） umd.edu
  9. Wolf, S.; R.N. Tauber. . 1986: 534. ISBN 0-9616721-6-1.
  10. . Cosmetic ingredient dictionary. Paula's Choice. [16 November 2007]. （原始内容存档于2008年1月18日）.
  11. Katherine L. Tucker, Kyoko Morita, Ning Qiao, Marian T. Hannan, L. Adrienne Cupples, Douglas P. Kiel. . The American Journal of Clinical Nutrition. 2006-10, 84 (4): 936–942 [2019-05-25]. ISSN 0002-9165. PMID 17023723. doi:10.1093/ajcn/84.4.936. （原始内容存档于2019-06-27）.
  12. S. Elmståhl, B. Gullberg, L. Janzon, O. Johnell, B. Elmståhl. . Osteoporosis international: a journal established as result of cooperation between the European Foundation for Osteoporosis and the National Osteoporosis Foundation of the USA. 1998, 8 (4): 333–340 [2019-05-25]. ISSN 0937-941X. PMID 10024903. doi:10.1007/s001980050072. （原始内容存档于2019-10-11）.
  13. R. P. Heaney, K. Rafferty. . The American Journal of Clinical Nutrition. 2001-9, 74 (3): 343–347 [2019-05-25]. ISSN 0002-9165. PMID 11522558. doi:10.1093/ajcn/74.3.343. （原始内容存档于2019-09-27）.
  14. M. J. Barger-Lux, R. P. Heaney, M. R. Stegman. . The American Journal of Clinical Nutrition. 1990-10, 52 (4): 722–725 [2019-05-25]. ISSN 0002-9165. PMID 2403065. doi:10.1093/ajcn/52.4.722. （原始内容存档于2019-09-20）.

外部連結
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