Ácido ortofosfórico | |||
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General | |||
Nombre sistemático |
Ácido ortofosfórico | ||
química fórmula | H3PO4 _ _ _ | ||
Propiedades físicas | |||
Estado | sólido | ||
Masa molar | 97,97 g/ mol | ||
Densidad | 1.685 (líquido) | ||
Viscosidad dinámica | 2.4-9.4 cónyuge | ||
Propiedades termales | |||
La temperatura | |||
• fusión | +42,35°C | ||
• hirviendo | +158°C | ||
Presion de vapor | 0,03 ± 0,01 mmHg [una] | ||
Propiedades químicas | |||
Constante de disociación ácida | 2.12; 7.21; 12.67 | ||
Solubilidad | |||
• en agua | 548g/100ml | ||
Clasificación | |||
registro número CAS | 7664-38-2 | ||
PubChem | 1004 | ||
registro Número EINECS | 231-633-2 | ||
SONRISAS | OP(O)(O)=O | ||
InChI | InChI=1S/H3O4P/c1-5(2,3)4/h(H3,1,2,3,4)NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N | ||
Codex Alimentarius | E338 | ||
RTECS | TB6300000 | ||
CHEBI | 26078 | ||
un numero | 1805 | ||
ChemSpider | 979 | ||
La seguridad | |||
Carácter breve. peligro (H) | H290 , H314 | ||
medidas de precaución. (PAGS) | P280 , P303+P361+P353 , P304+P340+P310 , P305+P351+P338 | ||
palabra clave | ¡PELIGROSO! | ||
Pictogramas SGA | |||
NFPA 704 | 0 3 0ÁCIDO | ||
Los datos se basan en condiciones estándar (25 °C, 100 kPa) a menos que se indique lo contrario. | |||
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El ácido ortofosfórico ( ácido fosfórico , fórmula química - H 3 PO 4 ) es un ácido inorgánico de fuerza media, correspondiente al estado de oxidación más alto del fósforo (+5).
En condiciones estándar , es un sólido incoloro con cristales higroscópicos . El ácido ortofosfórico (o simplemente fosfórico) generalmente se denomina solución acuosa al 85% (líquido almibarado incoloro e inodoro ) . Soluble en etanol y otros disolventes.
En su forma pura, el ácido fosfórico es una sustancia cristalina incolora con un punto de fusión de 42,35 °C. Cristaliza en singonía monoclínica .
El ácido fosfórico sólido es higroscópico y se disuelve en el aire; es miscible con agua en todas las proporciones, pero comercialmente suele estar disponible en tres concentraciones:
El ácido anhidro se puede obtener a partir de ácido fosfórico al 85 % evaporando agua al vacío a 80 °C. A partir de soluciones concentradas, precipita en forma de hemihidrato H 3 PO 4 ·0.5H 2 O [2] [3] .
En el estado sólido y las soluciones concentradas, existen enlaces de hidrógeno entre las moléculas de ácido fosfórico . Con una disminución de la concentración al 40-50% , el enlace de hidrógeno entre los aniones de fosfato y las moléculas de agua es más estable. También en soluciones, el ácido fosfórico intercambia átomos de oxígeno con agua [3] .
El ácido fosfórico es un ácido tribásico de fuerza media. En soluciones acuosas, sufre disociación en tres pasos con constantes de disociación K 1 = 7.1⋅10 –3 (p K a1 2.12); K 2 \u003d 6.2⋅10 -8 ( pK a2 7.20); K 3 \u003d 5.0⋅10 -13 ( pK a3 12.32). Sólo la disociación a lo largo de la primera etapa es exotérmica ; en el segundo y tercer paso es endotérmico [4] .
Como resultado, el ácido fosfórico puede formar sales tanto intermedias (fosfatos) como ácidas (hidrofosfatos y dihidrofosfatos). Sin embargo, en condiciones normales, es inactivo y reacciona solo con carbonatos , hidróxidos y algunos metales . Por encima de 80 °C , el ácido fosfórico también reacciona con óxidos inactivos , sílice y silicatos . Además, los fosfatos se forman en el proceso de fosfatado , con la ayuda de los cuales los metales ferrosos y no ferrosos se recubren con una película protectora para mejorar sus características [4] .
1. El calentamiento del ácido fosfórico conduce a la eliminación del agua con la formación de ácido pirofosfórico y ácido metafosfórico [4] :
2. Una reacción distintiva del ácido fosfórico de otros ácidos fosfóricos es la reacción con nitrato de plata : esto forma un precipitado amarillo, mientras que otros ácidos fosfóricos dan un precipitado blanco [4] :
3. Reacción cualitativa al ion H 2 PO 4 - - la formación de un precipitado amarillo brillante de fosfato de molibdeno y amonio durante la reacción del ácido con molibdato de amonio y ácido nítrico (que actúa como medio):
El ácido fosfórico se obtuvo por primera vez a partir del óxido de fósforo (V) por Robert Boyle en 1694 [2] . El método de laboratorio de obtención consiste en la oxidación del fósforo con ácido nítrico [4] :
En la industria se utilizan dos métodos principales para la obtención de ácido fosfórico: térmico y de extracción. El método térmico consiste en la combustión del fósforo a óxido de fósforo (V) y la reacción de este último con agua [5] :
Técnicamente, este proceso se implementa de diferentes maneras. En el llamado proceso IG (del nombre de la empresa IG), ambas reacciones se llevan a cabo en una columna de reacción. Desde arriba , se alimenta fósforo con aire comprimido o vapor a una presión de 1,5 MPa a través de una boquilla , que se quema a una temperatura de >2000 °C. El óxido de fósforo (V) resultante es absorbido por el ácido fosfórico, que desciende por la parte superior de las paredes de la columna, cubriéndolas por completo. Al mismo tiempo, realiza simultáneamente varias funciones: disuelve el óxido de fósforo (V), elimina el calor de la reacción de combustión y protege las paredes de la columna de la llama. El ácido fosfórico resultante se recoge debajo de la columna, se pasa a través de un intercambiador de calor y se alimenta a la parte superior de la columna, desde donde vuelve a fluir por las paredes. El material de la planta de ácido fosfórico es acero inoxidable con bajo contenido de carbono. Hasta 100 °C es resistente al ácido fosfórico concentrado [6] .
El ácido fosfórico obtenido por este método no contiene prácticamente impurezas de compuestos de fósforo en los estados de oxidación inferiores (el contenido de ácido fosforoso H 3 PO 3 es solo del 0,1%). Sin embargo, debe ser purificado del arsénico impuro , que se encuentra en bajas concentraciones incluso en fósforo muy puro. Esta purificación se lleva a cabo por la acción del sulfuro de hidrógeno (para su obtención se introduce sulfuro de sodio en ácido fosfórico ) y la precipitación del sulfuro de arsénico , seguida de filtración [6] .
El proceso TVA (de la Tennessee Valley Authority ) también se basa en estas reacciones , pero la combustión del fósforo y la absorción del óxido de fósforo (V) se realizan por separado. El fósforo y el aire se introducen en la cámara de combustión de acero con refrigeración externa, después de lo cual los productos de combustión a través de la parte superior de la cámara caen en la cámara de absorción, donde se forma ácido fosfórico [7] . En el proceso Hoechst (del nombre de la empresa Hoechst ) la combustión y la absorción se realizan por separado, pero se diferencia en que allí se aprovecha el calor de combustión del fósforo para generar vapor [5] .
El método de extracción para la producción de ácido fosfórico consiste en el tratamiento de fosfatos naturales con ácidos inorgánicos (en los países de la CEI, principalmente concentrado de apatita de Khibiny y fosforitas de Karatau [8] ). Los fosfatos se trataron con ácido sulfúrico ya a mediados de la década de 1880, pero el desarrollo de este campo comenzó después de la Segunda Guerra Mundial debido al aumento de la demanda de fertilizantes minerales [9] .
La descomposición de las materias primas se produce según el siguiente esquema (el parámetro x toma valores de 0,1 a 2,2):
Un subproducto de esta reacción es el sulfato de calcio que, dependiendo de la temperatura y la concentración de ácido fosfórico, puede precipitar como dihidrato (CaSO 4 2H 2 O) o hemihidrato (CaSO 4 0.5H 2 O). En base a esto, los procesos de extracción para la obtención de ácido fosfórico se dividen en dihidrato, hemihidrato y combinado (dihidrato-hemihidrato y hemihidrato-dihidrato). También existe un método de anhidrita (con precipitación de sulfato de calcio anhidro ), que, sin embargo, no se utiliza en la industria, ya que se asocia con graves problemas de corrosión [9] .
El proceso de dihidrato es el método clásico para producir ácido fosfórico. Su ventaja radica en la temperatura relativamente baja, que evita la corrosión. Además, varias materias primas de fosfato se pueden usar y procesar en grandes cantidades. Para empezar, la materia prima se tritura hasta un tamaño de partícula inferior a 150 micras . El fosfato y el ácido sulfúrico se introducen en el reactor por separado para que la formación de una capa de sulfato de calcio sobre las partículas no impida una mayor descomposición. La temperatura del proceso es de 70 a 80 °C y la concentración de ácido fosfórico en el sistema es de 28 a 31 % en términos de P 2 O 5 . En estas condiciones, el sulfato de calcio se forma como un dihidrato. La desventaja del método es que la materia prima se debe moler y el ácido fosfórico resultante se debe concentrar adicionalmente al 40–55 % e incluso hasta el 70 % de P 2 O 5 [10] .
El proceso de hemihidrato se desarrolló para evitar la necesidad de concentrar el ácido fosfórico resultante. Se lleva a cabo a una temperatura más alta (80-100 ° C), en condiciones en las que la forma más estable es el sulfato de calcio hemihidrato. Luego se obtiene ácido fosfórico a una concentración de 40-48% [10] .
El proceso hemihidrato-dihidrato se desarrolló en Japón debido a que permite obtener yeso prácticamente puro , cuyos depósitos están ausentes en este país. El procesamiento de las materias primas se lleva a cabo a alta temperatura y se forma sulfato de calcio semihidratado, pero luego se recristaliza en un dihidrato [10] .
La evaporación al vacío se usa para concentrar el ácido fosfórico producido por el proceso de dihidrato, aunque la combustión por inmersión todavía se usa en plantas más antiguas . A veces se usan varios evaporadores en serie, de modo que el vapor de un evaporador se usa para calentar la solución en el siguiente evaporador. Además, la evaporación del agua del ácido fosfórico también elimina el flúor en forma de una mezcla de SiF 4 y HF . Entonces, con un aumento en la concentración de ácido fosfórico de 30 a 50% P 2 O 5 , se elimina 50-60% de flúor . Dado que las emisiones de flúor están reguladas por leyes, estas sustancias se dirigen a la producción de ácido hidrofluorosilícico H 2 SiF 6 [11] .
Varias impurezas inorgánicas se eliminan por precipitación y extracción . Es necesario precipitar impurezas de arsénico (en forma de sulfuro de arsénico), cadmio (en forma de complejo con ésteres de ácido ditiofosfórico ), así como impurezas de metales catiónicos (mediante tratamiento con hidróxido de sodio ). La extracción se basa en la transferencia del ácido fosfórico a la fase orgánica y el lavado con agua, soluciones diluidas de ácido fosfórico y fosfato. Esto elimina las impurezas tanto catiónicas como aniónicas. El propio ácido fosfórico se separa del disolvente por destilación . El butanol-1 , el alcohol amílico , la metilisobutilcetona , el fosfato de tributilo , el éter diisopropílico , etc. se utilizan como disolventes [12]
La demanda mundial de ácido fosfórico a partir de 1989 se estima en 40,6 millones de toneladas por año en términos de P 2 O 5 . El método de producción de extracción es predominante ( 95% del total) porque consume menos energía. El 5% restante se produce térmicamente. El principal productor (y consumidor) de ácido fosfórico extractivo es Estados Unidos : su participación en la producción total de ácido fosfórico es del 90% [13] .
en la década de 1980 hubo una reducción en la producción de ácido fosfórico debido al abandono de los detergentes y fertilizantes minerales que contienen fósforo. Esto se debió a la contaminación de las aguas subterráneas con fertilizantes fosfatados ya la eutrofización de los embalses [13] .
La producción de extracción de ácido fosfórico está asociada con la formación de vertederos de sulfato de calcio : 1 tonelada de P 2 O 5 produce 4,5–5,5 toneladas de sulfato de calcio contaminado, que debe eliminarse. A partir de 2008, hay tres opciones:
Cuando se inunda en cuerpos de agua, el sulfato de calcio se disuelve rápidamente: su solubilidad en agua de mar es de 3,5 g/l y su contenido natural es de 1,6 g/l. Las impurezas de sílice y alúmina permanecen sin disolver. La contaminación del agua con metales pesados es pequeña en comparación con las concentraciones existentes, pero la contaminación por cadmio es significativa [14] .
Se utiliza en soldadura como fundente (sobre cobre oxidado , sobre metal ferroso , sobre acero inoxidable ), para investigaciones en el campo de la biología molecular. También se utiliza para eliminar el óxido de las superficies metálicas. Forma una película protectora sobre la superficie tratada, evitando una mayor corrosión . También se utiliza como parte de freones, en congeladores industriales como aglutinante.
En la industria de la aviación, los ésteres de ácido ortofosfórico se utilizan como parte del fluido hidráulico NGZH-5U [15] .
El ácido ortofosfórico está registrado como aditivo alimentario E338 . Se utiliza como regulador de la acidez en bebidas carbonatadas , como la Coca-Cola . Al gusto, las soluciones acuosas débiles endulzadas de ácido fosfórico se asemejan a las grosellas .
En la cría de pieles (en particular, cuando se crían visones), se usa riego con una solución de ácido ortofosfórico para prevenir el aumento del pH del estómago y la urolitiasis.
También se utiliza en sistemas hidropónicos para ajustar el nivel de pH de la solución nutritiva.
El ácido ortofosfórico se usa para grabar (eliminar la capa untada) del esmalte y la dentina antes de obturar los dientes. Cuando se utilizan materiales adhesivos de segunda y tercera generación, es necesario grabar el esmalte dental con ácido, seguido de lavado y secado. Además de los costos de tiempo adicionales para la implementación, estas etapas conllevan el riesgo de varios errores y complicaciones.
Cuando se aplica ácido fosfórico, es difícil controlar el grado y la profundidad de desmineralización de la dentina y el esmalte. Esto conduce al hecho de que el adhesivo aplicado no llena completamente (no en toda la profundidad) los túbulos dentinarios abiertos y esto, a su vez, no asegura la formación de una capa híbrida completa.
Además, no siempre es posible eliminar por completo el ácido fosfórico después de haberlo aplicado a la dentina. Depende de cómo se espese el ácido fosfórico. Los residuos de ácido fosfórico deterioran la fuerza de unión y también conducen a la formación de la llamada "mina de ácido".
Con la llegada de los materiales adhesivos de la 4ª y 5ª generación, se empezó a utilizar la técnica del grabado total (dentina-esmalte). Los sistemas adhesivos de sexta y séptima generación no tienen un paso de grabado ácido separado ya que los adhesivos son autograbantes. Sin embargo, algunos fabricantes aún recomiendan grabar brevemente el esmalte para mejorar la adhesión, incluso cuando se utilizan adhesivos de autograbado.
El ácido fosfórico no tiene ningún efecto tóxico específico . La toxicidad sistémica es baja. Sus soluciones irritan los ojos, las vías respiratorias y las mucosas. A concentraciones > 10% es irritante, y por encima del 25% también es corrosivo . La ingestión de grandes cantidades produce náuseas , vómitos , diarrea , hematemesis y shock hipovolémico . Las soluciones concentradas provocan quemaduras en las mucosas de la boca, el esófago y el estómago. En caso de contacto, se recomienda lavar la piel o enjuagar los ojos con agua tibia o solución salina . Al tragar ácido fosfórico, los primeros auxilios son apoyar la respiración y la reposición de líquidos por vía intravenosa [16] .
Los voluntarios que recibieron ácido fosfórico oral a 2-4 g/kg por día durante 10 días o 3,9 g/kg por día durante 14 días no mostraron efectos metabólicos adversos. Está permitido utilizar 0,5-1 g/l de ácido fosfórico en las bebidas [16] .
Se han publicado numerosas afirmaciones y estudios en línea y en revistas para consumidores con respecto a los daños de beber bebidas tipo cola sobre la mineralización ósea [17] [18] [19] . La mayoría de los estudios citados son "cuestionarios" epidemiológicos y no aportan pruebas fiables de una relación causal entre el consumo de ácido fosfórico en cantidades reguladas en bebidas y el riesgo de desarrollar osteoporosis , nefrolitiasis y otras enfermedades.
El ácido fosfórico, utilizado en muchos refrescos (principalmente de cola), se ha asociado con una menor densidad ósea en un gran número de estudios epidemiológicos. Por ejemplo, un estudio que utilizó absorciometría de rayos X de energía dual proporciona evidencia controvertida para respaldar la teoría de que el consumo de refrescos de cola conduce a una disminución de la densidad ósea [20] . Este estudio fue publicado en el American Journal of Clinical Nutrition. Entre 1996 y 2001 se examinaron un total de 1672 mujeres y 1148 hombres. La información nutricional se recolectó a través de encuestas sobre frecuencia de comidas, número de porciones de refrescos de cola y otras gaseosas por día, y se hizo una distinción entre bebidas descafeinadas y gaseosas dietéticas. El artículo proporciona evidencia estadísticamente significativa de que las mujeres que consumen refrescos de cola a diario tienen una menor densidad ósea. Debido a que los autores del estudio utilizaron un método de cuestionario , no controlaron otros factores de riesgo que probablemente contribuyeron en gran medida a la disminución de la densidad ósea, como un estilo de vida sedentario y, en general, una baja ingesta de calcio de otros líquidos y alimentos [20] . Los autores del estudio aclararon que se necesitan más estudios para confirmar los resultados obtenidos [20] .
Por otro lado, un estudio financiado por Pepsi sugiere que la baja ingesta de fósforo conduce a una menor densidad ósea. El estudio no analiza los efectos del ácido fosfórico, que se une al magnesio y al calcio en el tracto digestivo para formar sales que no se absorben, sino que analiza la ingesta total de fósforo [21] .
Sin embargo, un ensayo clínico controlado aleatorizado que utilizó métodos de equilibrio de calcio no encontró ningún efecto de las bebidas carbonatadas que contenían ácido fosfórico sobre la excreción de calcio [22] . El estudio comparó los efectos del agua, la leche y varios refrescos (dos con cafeína y dos sin cafeína; dos con ácido fosfórico y dos con ácido cítrico ) sobre el equilibrio de calcio en mujeres de 20 a 40 años que normalmente consumían ~3 o más tazas (680 ml) de refresco carbonatado por día. Descubrieron que, en comparación con el agua, solo la leche y dos refrescos con cafeína aumentaban el calcio urinario, y que la pérdida de calcio asociada con el consumo de refrescos con cafeína era casi igual a la que se había encontrado previamente con la cafeína sola. El ácido fosfórico descafeinado no tuvo efecto sobre el calcio urinario y no aumentó la pérdida de calcio urinario asociada con la cafeína. Dado que los estudios han demostrado que el efecto de la cafeína se compensa con una reducción en la pérdida de calcio durante el día [23] , los autores concluyeron que el efecto neto de las bebidas carbonatadas, incluidas las que contienen cafeína y ácido fosfórico, no es significativo y que el esqueleto Es probable que los efectos del consumo de refrescos carbonatados se deban principalmente al desplazamiento de la leche y no a la influencia del ácido fosfórico.
También se sospecha que otros químicos como la cafeína (también un ingrediente importante en las bebidas comunes populares como la cola) son posibles factores que contribuyen a la baja densidad ósea debido al efecto conocido de la cafeína sobre la calciuria . Por ejemplo, otro estudio publicado en el American Journal of Clinical Nutrition , que involucró a 30 mujeres en el transcurso de una semana, sugiere que el ácido fosfórico en las cantidades que se encuentran en la cola no tiene un efecto dañino en la salud humana, y la cafeína tiene solo un efecto temporal efecto que luego se cancela. Los autores de este estudio concluyeron que los efectos sobre el esqueleto del consumo de bebidas carbonatadas probablemente se deban principalmente al desplazamiento de la leche, de manera similar a un estudio anterior [22] . Otro posible factor de confusión puede ser la asociación entre un alto consumo de refrescos y un estilo de vida sedentario y generalmente poco saludable.
La Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA) en 2019 cambió la dosificación de los aditivos alimentarios que son fuente de fósforo, teniendo en cuenta el consumo de ácido fosfórico de las bebidas carbonatadas [24] [25] . Según la EFSA, “La ingesta dietética total estimada de fosfato puede exceder los niveles seguros... La EFSA ha revisado la Ingesta Diaria Tolerable (IDA) para todo el grupo de fuentes de fósforo... El panel concluyó que, dado el cambio en niveles IDA, la ingesta de fósforo de 40 mg/kg de peso corporal por día a partir de alimentos y bebidas no alcohólicas es protectora para la población” [24] [25] .
El Comité Mixto FAO/OMS de Expertos en Aditivos Alimentarios (JECFA) en 1982 consideró el grupo fosfato (E338-341 , E343 , E450-452 ) como aditivos alimentarios seguros , siempre que no se consuman más de 70 mg/kg de peso corporal [ 26] . Según los expertos de la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA), el ácido fosfórico tiene un estado " generalmente reconocido como seguro " (GRAS), lo que significa que los expertos de la FDA tienen una opinión unánime sobre la seguridad de la sustancia cuando se usa para el propósito previsto [27 ] .
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