Ácido Fosfórico

Ácido Fosfórico
Da metalurgia aos refrigerantes
Um quadro das propriedades, reações químicas, aplicações e diversos dados
do principal ácido derivado do elemento fósforo.
1.Definições
Ácido fosfórico ou ácido ortofosfórico é um composto químico de fórmula
molecular H3PO4, sendo classificado, dentre os ácidos minerais, como um
ácido fraco, oxiácido derivado do anidrido fosfórico. É o mais importante dos
ácidos derivados do fósforo.
2.Sinônimos, Nomenclatura, Classificações
O ácido fosfórico é também conhecido, além do mais usual nome ácido
ortofosfórico como ácido fosfórico (V) (devido ao estado de oxidação do fósforo
em sua molécula) e fosfato de hidrogênio.
As moléculas do ácido ortofosfórico podem combinar-se entre si formando uma
variedade de compostos ao quais nos referimos como ácidos fosfóricos, mas
de um modo geral. O termo ácido fosfórico pode também se referir a um
produto químico ou reagente consistindo de ácidos fosfóricos, normalmente o
ácido ortofosfórico.
A maioria das pessoas e químicos referem-se ao ácido ortofosfórico
simplesmente como ácido fosfórico, o qual é o nome na IUPAC para este
composto. O prefixo orto é usado para distinguir o ácido de outros ácidos
fosfóricos, chamados polifosfóricos.
3.Estrutura e Composição Química da Substância Pura
Modelos da molécula do ácido fosfórico::
(Editado de scienceblogs.com e Wikipedia)
Tendo fórmula química H3PO4, observa-se que o ácido sulfúrico é composto de
hidrogênio (H), fósforo (P) e oxigênio (O) nas seguintes proporções em
unidades de massa atômica:
Hidrogênio: 3 átomos x 1,00794 ua = ua correspondendo a
aproximadamente 3,0856 % do total.
Fósforo: 1 átomo x 30,973762 ua = 30,973762 ua correspondendo a
aproximadamente 31,6074 % do total.
Oxigênio 4 átomos x 15,9994 ua = 63,9976 ua correspondendo a
aproximadamente 65,3068 % do total.
Totalizando uma massa molecular de 97,9951 ua.
Distâncias atômicas da molécula do ácido ortofosfórico.
O estado de oxidação do fósforo (P) no ácido ortofosfórico e outros ácidos
fosfóricos é +5; o estado de oxidação de todos os átomos de oxigênio (O) é -2
e de todos os átomos de hidrogênio (H) é +1.
Um esquema da distribuição dos elétrons na molécula de ácido ortofosfórico
(elmhurst.edu):
4.Propriedades Físicas
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Densidade: 1,684 típica.
Massa molecular: 97,97 g/mol
pH: < 1 (da solução 85%)
Ponto de congelamento: 21ºC. O ácido fosfórico anidro puro, a
temperatura e pressão ambiente, é um sólido branco que funde-se a 42.35 °C
formando um líquido incolor e viscoso.
Ponto de ebulição: 158ºC.
Pressão de vapor: (mmHg, 25ºC) 2,24 (água).
Solubilidade em água: Completa, 100%.
Concentração: 85% em água (usual na comercialização)
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É uma molécula muito polar, consequentemente é muito solúvel em
água e solúvel em etanol.
O ácido fosfórico é muito deliquescente e é geralmente fornecido como
uma solução aquosa concentrada a 85%.
5.Propriedades químicas
5.1.Dissociação
O ácido H3PO4 é dito um ácido trivalente, ou ácido triprótico (três prótons), isto
significa que os três hidrogênios ácidos podem ser convertidos por substituição
gradual, dando um H+ a cada vez, os quais reagem com uma molécula de
água, H2O, como mostrado destas reações:
H3PO4(s) + H2O(l) ⇌ H3O+(aq) + H2PO4–(aq)
Ka1= 7.5×10−3
H2PO4–(aq)+ H2O(l) ⇌ H3O+(aq) + HPO42–(aq)
Ka2= 6.2×10−8
HPO42–(aq)+ H2O(l) ⇌ H3O+(aq) + PO43–(aq)
Ka3= 2.14×10−13
O ânion formado após a primeira dissociação, H2PO4–, é o
ânion dihidrogenofosfato. O ânion formado após a segunda dissociação,
HPO42–, é o ânion hidrogenofosfato. O ânion formado após a terceira
dissociação, PO43–, é o ânion fosfato ou ortofosfato. Para cada uma das
reações de dissociação mostradas acima, há constante de dissociação ácida
específica, chamada Ka1, Ka2, e Ka3 dada a 25°C. Associadas com estas três
constantes de dissociação estão correspondentes pKa1=2.12 , pKa2=7.21 , e
pKa3=12.67 medidos a 25°C. O ácido fosfórico é, portanto, um ácido que varia
de fraco a medianamente forte.
Estes ânions fosfato, ditos primários (com a substituição por um átomo metal,
por exemplo), secundários (dois átomos) e terciários (três átomos), resultam
nos sais derivados do ácido fosfórico que são chamados de genericamente de
fosfatos.
Mesmo que todos os três átomos de hidrogênio (H ) sejam equivalentes em
uma molécula de ácido fosfórico, os sucessivos valores de Ka diferem, já que
é energeticamente menos favorável perder outro H+ se um (ou mais) já tenha
sido perdido e a molécula/íon seja mais negativamente carregada.
5.2.Condensação química
Sob aquecimento, o ácido ortofosfórico passa por uma condensação de
unidades fosfóricas que pode ser induzida por remoção da água formada pela
condensação. Quando uma molécula de água tenha sido removida para cada
duas moléculas de ácido fosfórico, o resultado é o ácido
pirofosfórico (H4P2O7). Quando uma média de uma molécula de água por
unidade de ácido fosfórico tenha sido removida, a substância resultante é um
sólido vítreo tendo a fórmula empírica HPO3 e é chamado de ácido
metafosfórico.[2] Ácido metafosfórico é uma versão singular anidra do ácido
ortofosfórico e é algumas vezes usada como um reagente absorvente de água
ou umidade. Posterior desidratação é muito difícil, e pode ser realizada
somente por meio de um dessecante extremamente enérgico (e não somente
por aquecimento). Produz-se anidrido fosfórico, o qual tem uma fórmula
empírica P2O5, embora sua molécula atualmente seja descrita com a fórmula
química P4O10. Anidrido fosfórico é um sólido, o qual é um absorvente de
umidade muito enérgico e é usado como dessecante.
Modelo da molécula de ácido pirofosfórico (img.alibaba.com):
Um quadro dos diversos ácidos fosfóricos
(static.newworldencyclopedia.org):
5.3.pH e composição das soluções aquosas de ácido fosfórico
Para uma dada concentração ácida [A] = [H3PO4] + [H2PO4−] + [HPO42−] +
[PO43−] ([A] é o total do número de moles de H3PO4 puro os quais tenham sido
usados para preparar 1 litro de solução), a composição de uma solução aquosa
de ácido fosfórico pode ser calculada usando as equações de equilíbrio
associadas com as três reações descritas acima juntas com a relação [H+][OH−]
= 10−14 e a equação da neutralidade elétrica. Possíveis concentrações de
moléculas polifosfóricas e íons são negligenciadas. O sistema pode ser
reduzido a uma equação de quinto grau para [H+] a qual pode ser resolvida
numericamente, resultando:
[A]
(mol/L)
pH
[H3PO4]/[A] (%)
[H2PO4−]/[A] (%) [HPO42−]/[A] (%)
[PO43−]/[A] (%)
1
1.08
91.7
8.29
6.20×10−6
1.60×10−17
10−1
1.62
76.1
23.9
6.20×10−5
5.55×10−16
10−2
2.25
43.1
56.9
6.20×10−4
2.33×10−14
10−3
3.05
10.6
89.3
6.20×10−3
1.48×10−12
10−4
4.01
1.30
98.6
6.19×10−2
1.34×10−10
10−5
5.00
0.133
99.3
0.612
1.30×10−8
10−6
5.97
1.34×10−2
94.5
5.50
1.11×10−6
10−7
6.74
1.80×10−3
74.5
25.5
3.02×10−5
10−10
7.00
8.24×10−4
61.7
38.3
8.18×10−5
Fonte: Wikipédia (en)
Para altas concentrações, a solução é principalmente composta de H3PO4. For
[A] = 10−2, o pH é próximo a pKa1, dando uma mistura equimolar de H3PO4 e
H2PO4−. Para [A] abaixo de 10−3, a solução é principalmente composta de
H2PO4− com [HPO42−] tornando-se não negligenciável para soluções muito
diluídas. [PO43−] é sempre negligenciável.
5.4.Derivados diretos
A partir do ácido fosfórico derivam-se o ácido difosfórico ou pirofosfórico, o
ácido metafosfórico e o ácido polifosfórico.
6.Aplicações
Principais usos
Destacam-se, genericamente, os seguintes usos para o ácido fosfórico:
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Indústria de fertilizantes
Industria de produção de sal mineral para alimentação animal
Indústria de bebidas
Usina de chocolate
Indústria farmacêutica
Formulação de detergentes
Abrilhantador de alúminio
Decapante
Trataremos mais pormenorizadamente das seguintes aplicações:
6.1.Preparação de haletos de hidrogênio
Ácido fosfórico reage com haletos para formar o gás haleto de hidrogênio
correspondente (fumos vaporosos são observados quando do aquecimento da
mistura de reação). Esta é uma prática comum para a preparação laboratorial
de haletos de hidrogênio.
NaCl(s) + H3PO4(l) → NaH2PO4(s) + HCl(g)
NaBr(s) + H3PO4(l) → NaH2PO4(s) + HBr(g)
NaI(s) + H3PO4(l) → NaH2PO4(s) + HI(g)
6.2.Remoção de ferrugem
O ácido fosfórico pode ser usado por aplicação direta a ferro enferrujado,
ferramentas de aço, ou superfícies de maneira a converter óxido de ferro (III) (a
popular ferrugem) em um composto fosfato solúvel em água. É normalmente
disponível como um líquido esverdeado, disponível para imersão (banho
ácido), mas é geralmente mais usado como um componente de um gel,
comumente chamado em inglês de naval jelly(geléia naval). Como um gel
espesso, pode ser aplicado em superfícies inclinadas, verticais, ou "sobre a
cabeça". Algumas vezes vendido com outros nomes, tais como "removedor de
ferrugem" ou "rust killer" (em inglês, "matador de ferrugem").
Cuidados devem ser tomados para evitar queimaduras pelo seu caráter
corrosivo ácido à pele e especialmente aos olhos, mas os resíduos são
facilmente diluídos com água. Quando suficientemente diluídos, pode ser
nutritivo à vida vegetal, contendo os nutrientes essenciais fósforo e ferro. Não
deve ser diretamente derramado na água de superfície tal como ralos ou em
drenos, entretanto.
Após tratamento, o óxido de ferro castanho-avermelhado será convertido ao
revestimento de composto fosfato de ferro preto que pode ser removido por
atrito. Por esta razão, nos processos de decapagem com ácidos clorídrico ou
sulfúrico é evitada pela tratamento das peças decapadas com ácido fosfórico
diluído.
6.5.Produção de tampões
Por causa da dissociação triprótica do ácido ortofosfórico, suas bases
conjugadas (os fosfatos mencionado acima) cobrem uma larga faixa de pH, e
por causa que soluções de ácido fosfórico/fosfatos são, em geral, não tóxicas,
misturas destes tipos de fosfatos são frequentemente usadas para produzir
agentes de tamponação, onde o pH desejado depende das proporções dos
fosfatos nas misturas. O sistema tampão a base de fosfato, formado pelo
fosfato de sódio e ácido fosfórico é eficaz em sua aplicação ao plasma
sanguíneo, no líquido intracelular e nos túbulos renais onde se concentra em
grande quantidade.[13] Similarmente, os não tóxicos sais do também triprótico
ácido cítrico, orgânico, são também frequentemente usados para produzir
tampões.
https://sites.google.com/site/scientiaestpotentiaplus/acido-fosforico