磷酸phosphoric acid

磷酸（英语：phosphoric acid）或称为正磷酸（orthophosphoric acid），化学式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，是三元中强酸，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。磷酸容易自行结合成多种化合物如焦磷酸（pyrophosphoric acid）或三聚磷酸（triphosphoric acid）等。

除了用作化学试剂之外，磷酸也可主要用于制药、铁銹转化剂、食品添加物、溶剂、电解液、肥料、冶金、饲料等，也有在医学美容及牙科的用途。

磷酸为三元酸，可解离出三个氢离子，因此可形成三种不同的酸根，分别是：磷酸二氢根H₂PO−
4、磷酸氢根HPO2−
4以及磷酸根PO3−
4。

目录

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• 1 结构
• 2 化学性质
  • 2.1 水溶液
• 3 制备
  • 3.1 加热法
  • 3.2 潮湿制造法
• 4 用途
  • 4.1 性质
  • 4.2 与卤化物的反应
  • 4.3 铁銹转化剂
  • 4.4 食品添加剂
  • 4.5 药用
  • 4.6 其他应用
• 5 生物学影响
  • 5.1 饮料添加物
• 6 参考文献
• 7 外部链接
• 8 参见

结构[编辑]

以磷为中心、四个氧环绕其周围，其中包括一个双键氧和三个羟基。三个可解离的氢原子分别与三个氧原子结合。

化学性质[编辑]

纯磷酸的无水化合物在室温下为白色晶体，熔点42.35 °C，溶化后为黏稠液体。

正磷酸具有极大的极性，因此磷酸极易溶于水。

正磷酸的中心磷（P）的氧化数为+5，而周围氧原子（O）的氧化数为-2，氢离子为+1。

磷酸为无毒性的无机物，是一种三元弱酸。三元酸的意思是可在水中解离出三颗H⁺的酸性物质，磷酸的解离过程如下：K_a1、K_a2和K_a3为化学式在25°C下的解离常数

H₃PO_4（s）   + H₂O_（l） H₃O⁺_（aq） + H₂PO₄⁻_（aq）      K_a1= 7.25×10⁻³

H₂PO₄⁻_（aq）+ H₂O_（l） H₃O⁺_（aq） + HPO₄²⁻_（aq）      K_a2= 6.31×10⁻⁸

HPO₄²⁻_（aq）+ H₂O_（l）  H₃O⁺_（aq） +  PO₄³⁻_（aq）       K_a3= 4.80×10⁻¹³

由于磷酸的多元酸性质，使他的pH值幅度较大，造成它的缓冲现象。又由于其无毒性又容易取得，实验室及工业常拿无毒磷酸盐与弱酸（如柠檬酸）混合物作为缓冲溶液，

磷酸时广泛存在于生物体中，特别是磷酸化糖类，如DNA、RNA以及ATP。

如果将正磷酸加热，数个磷酸分子的单体会脱水聚合起来，如：

两个磷酸相连脱去一个水，形成焦磷酸（pyrophosphoric acid，H₄P₂O₇）

如果数个磷酸环状相接起来，并脱去一分子水，会形成偏磷酸（metaphosphoric acid），通式为：（HPO₃）_n。中文命名为n偏磷酸（n≥3）。^[2]偏磷酸是一种具脱水性的物质，因此常被用作干燥剂。要进一步将偏磷酸脱水相当困难，需使用极强的脱水剂搭配加热（单纯加热无效），才可将偏磷酸脱水形成磷酸酐（五氧化二磷，phosphorus pentoxide，化学式：P₂O₅，分子式：P₄O₁₀），磷酸酐具有极强的脱水性，可用作酸性物质的干燥剂。

若在超强酸（superacids，比H₂SO₄还强的酸）中作用，磷酸会形成理论上具腐蚀性的酸性物质，四羟基磷酸根离子（tetrahydroxylphosphonium ion）。以氟锑酸（fluoroantimonic acid，HSbF₆）作超强酸为例：

H₃PO₄ + HSbF₆ → [P（OH）₄⁺][SbF₆]⁻

水溶液[编辑]

磷酸浓度的计算方法（[A]为莫耳浓度）[A] = [H₃PO₄] + [H₂PO₄⁻] + [HPO₄²⁻] + [PO₄³⁻]

下表是磷酸在不同浓度下的pH、及磷酸的各共轭碱浓度。

制备[编辑]

磷酸有三种制备方法，加热法（thermal process）、潮湿制造法（wet process）及干窑法（dry kiln process）

加热法[编辑]

燃烧磷单质产生五氧化二磷并且溶于水产生磷酸。此方法可生产较纯的磷酸，因为在炼制磷的过程中已经去除许多杂质，然而仍需去除藏在里面的砷。 纯磷的现代制法大部分是将磷酸钙与砂（主要成分为二氧化硅）及焦炭一起放在电炉中加热。化学式如下：

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

潮湿制造法[编辑]

参见：硝酸磷肥法

潮湿制造法是在磷酸钙中加入硫酸，磷酸钙的来源通常是磷灰石。

反应：（X为卤素）

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

硫酸钙溶解度较小，因此可以被过滤掉。

以此方法最初制造出来的磷酸浓度大约含有23%至33%的P₂O₅，再进行蒸馏或稀释调整成想要的浓度。商品级的磷酸约54%，而超磷酸的浓度约70%.^[3][4]

潮湿制造法的产品还须经过纯化移除掉内含的氟化物及砷化物。

用途[编辑]

性质[编辑]

浓磷酸约75–85%左右，为澄清、无色、无味、非挥发性的浓稠液体。磷酸虽然无毒性，但85%的浓磷酸具有腐蚀性。

在如此高的浓度下，浓磷酸中的磷酸分子会聚合起来聚磷酸，

与卤化物的反应[编辑]

磷酸与卤化物会产生氢卤化物气体，在实验室可以此法制备氢卤酸。

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

铁銹转化剂[编辑]

磷酸可作为铁銹转化剂的成分，磷酸可将红棕色的Fe₂O₃转为黑色的FePO₄，予以剥除后可露出新的金属面，也可暂不进行剥除，让他作为金属面的保护层，防止其进一步的氧化。

铁銹转化剂有时被配置成液体供金属浸泡。有时被配置成凝胶状，昵称“海军果酱（naval jelly）”，可涂抹在垂直或陡峭的斜面上。

食品添加剂[编辑]

食品级的磷酸可用来酸化饮品或食物，如可乐等，但使用仍有健康上的疑虑。^[5]

添加磷酸可让食品具有刺激味及酸味，而且在工业制程中可廉价而大量的制造。比起其他同效果的有机物，磷酸具有较大的商业利益。以柠檬酸为例，柠檬酸通常是以黑麹菌( Aspergillus niger )的代谢物制造而得，其成本远比磷酸的制造要昂贵的多。^[6]

药用[编辑]

磷酸也被应用于牙科及美容上。牙科方面，磷酸可用于清洁牙面及牙齿美白。

磷酸也被添加于防晕药。

其他应用[编辑]

除了以上的应用外，磷酸还有下列用途：

• 含有磷-31的磷酸可作为核磁共振的外标物
• 高性能液相色谱法
• 温氏法（Wentworth Process）：作为活性碳的氧化剂。^[7]
• 磷酸燃料电池中的电解液。
• 作为烯烃和水加成的催化剂以制造醇类。
• 作为铜电镀抛光的电解液。
• 作为助焊剂
• 在半导体制程当中，磷酸可做为蚀刻的溶剂，例如：磷酸与过氧化氢的混合物可将InGaAs转为InP，达到蚀刻的目的^[8]。
• 蚀刻氮化硅，磷酸可将Si₃N₄转化为SiO₂。^[9]
• 做为缓冲溶液。
• 作为皮革处理及洗涤剂的分散媒。
• 作为保养品中pH值的调节剂^[10]。
• 建筑业上用磷酸以移除矿物沉积物、水泥图片及水渍。
• 家庭清洁剂。
• 水耕法中用作pH值的调节剂，也可作为植物磷养分的直接来源。

生物学影响[编辑]

饮料添加物[编辑]

磷酸用在食品添加剂，素来有骨质疏松症的疑虑。以往的调查是借由问卷选填饮用可乐及其他碳酸饮料的频率，发现饮用碳酸饮料的受试者较易有骨质疏松症的问题。研究指出，饮用碳酸饮料者没有比其他人摄取更多的磷，但身体的钙磷比却显著的降低。《美国临床营养学杂志》（American Journal of Clinical Nutrition）中的有项研究^[11]在1996年至2001年使用双倍能量的X光去探测1672位女性及1148位男性的骨密度，发现磷酸确实会降低骨密度，此研究提供了比以往使用问卷调查更有利的证据。

另一项临床研究指出，磷的摄取会降低骨密度。但此实验以磷的总摄取量为主，并未明确证明使骨密度降低的主因是磷酸。^[12]

但在Heaney及Rafferty使用钙平衡的方法对于20至40岁的女人一日习惯饮用三杯以上（680 mL）碳酸饮料进行的临床研究，却发现含磷酸的碳酸饮料与钙流失无关。^[13]研究比较了水、牛奶以及各种非酒精饮料（两种含咖啡因，两种不含咖啡因，两种含磷酸，两种含柠檬酸）。他们发现，相较于水，只有牛奶以及另外两项含有咖啡因的饮品会增加尿液中的钙含量，而添加有磷酸的咖啡因饮料和含咖啡因的饮料钙量流失速度差不多，并没有扩大咖啡因造成流失钙质的影响。由于研究显示咖啡因所造成的钙质流失会逐渐补回来^[14]，而磷酸在实验中又没有对钙质流失造成影响。Heaney及Rafferty认为前面实验受试者骨质疏松的原因是受试者饮用碳酸饮料，造成牛奶摄取量的渐少，造成钙摄取量不足。

咖啡因被认为也是被认为造成骨质疏松的元凶之一。^{[13][来源请求]}。