磷酸 思维导图

中心主题：磷酸 (H₃PO₄)

一级分支 1：基本性质

• 二级分支 1.1：物理性质

  • 外观：无色晶体或无色粘稠的浓液体。
  • 气味：无味。
  • 溶解性：易溶于水,与水以任意比例互溶。
  • 吸湿性：具有强烈的吸湿性,能从空气中吸收水分。
  • 熔点/沸点：纯磷酸熔点为 42.35°C,市售浓磷酸通常为粘稠液体。

• 二级分支 1.2：化学性质

  • 酸性：
    • 是一种中强酸,在水溶液中分步电离。
    • 电离方程式：
      • H₃PO₄ ⇌ H⁺ + H₂PO₄⁻ (第一步,主要)
      • H₂PO₄⁻ ⇌ H⁺ + HPO₄²⁻ (第二步)
      • HPO₄²⁻ ⇌ H⁺ + PO₄³⁻ (第三步,非常困难)
    • 特性：具有酸的通性，但酸性比盐酸、硫酸等强酸弱。
  • 氧化性/还原性：
    • 非氧化性酸：磷酸中的磷元素为最高价+5价，但在通常条件下不具有强氧化性。
    • 特殊情况：与活泼金属（如锌、铁）反应时，会被还原成磷化氢 (PH₃)，该气体有剧毒。
      • 2H₃PO₄ + 3Zn = 3ZnHPO₄ + PH₃↑
  • 热稳定性：
    • 磷酸非常稳定，加热至高温（200°C以上）时，主要发生分子内脱水，生成焦磷酸 (H₄P₂O₇) 和偏磷酸 (HPO₃)。
    • 2H₃PO₄ --(加热)--> H₄P₂O₇ + H₂O
    • nH₃PO₄ --(加热)--> (HPO₃)_n + nH₂O
  • 配位性：
    • 磷酸根离子 (PO₄³⁻) 是一个很好的配体，能与许多金属离子形成稳定的络合物。
    • 例子：与 Fe³⁺ 反应生成无色的 [Fe(PO₄)₂]³⁻ 络离子，可用于掩蔽 Fe³⁺。

一级分支 2：制备与工业生产

• 二级分支 2.1：实验室制法

  • 方法：用五氧化二磷 (P₄O₁₀) 溶于热水。
  • 化学方程式：
    • P₄O₁₀ + 6H₂O (热) = 4H₃PO₄
  • 注意：P₄O₁₀ 溶于冷水会生成偏磷酸。

• 二级分支 2.2：工业制法 (湿法磷酸)

  • 原理：用硫酸分解磷矿石（主要成分是氟磷酸钙 Ca₅F(PO₄)₃）。
  • 化学方程式：
    • Ca₅F(PO₄)₃ + 5H₂SO₄ + 10H₂O = 3H₃PO₄ + 5CaSO₄·2H₂O↓ + HF↑
  • 过程：将磨细的磷矿石与硫酸在反应器中混合，反应后过滤，得到粗磷酸，再经浓缩、净化得到成品。
  • 优点：原料（磷矿石、硫酸）便宜,成本较低。
  • 缺点：产品纯度较低（“湿法磷酸”），含有较多杂质（如铁、铝、镁等）。

• 二级分支 2.3：工业制法 (热法磷酸)

  • 原理：将白磷 (P₄) 在空气中燃烧生成五氧化二磷,再用水吸收。
  • 化学方程式：
    • P₄ + 5O₂ = P₄O₁₀
    • P₄O₁₀ + 6H₂O = 4H₃PO₄
  • 过程：电炉法生产白磷,燃烧后水吸收。
  • 优点：产品纯度极高（“热法磷酸”）,可达食品级或电子级。
  • 缺点：能耗高，白磷有剧毒且易燃,生产成本高。

一级分支 3：重要用途与应用

• 二级分支 3.1：农业领域 (最大用途)

  • 生产磷肥：是制造各种高效磷肥的基础原料。
    • 过磷酸钙：Ca₃(PO₄)₂ + 2H₂SO₄ = Ca(H₂PO₄)₂ + 2CaSO₄
    • 重过磷酸钙：Ca₃(PO₄)₂ + 4H₃PO₄ = 3Ca(H₂PO₄)₂
  • 生产饲料添加剂：如磷酸氢钙 (CaHPO₄),用作牲畜的矿物质饲料。

• 二级分支 3.2：食品工业

  • 酸度调节剂：广泛用于各种饮料、食品中,提供独特的酸味。
  • 螯合剂：可以螯合金属离子,防止食品氧化变质和变色。
  • 膨松剂：与碳酸氢钠等反应,用于焙烤食品。
  • 例子：可乐、果酱、奶酪、罐头等。

• 二级分支 3.3：化工领域

  • 生产洗涤剂：曾是三聚磷酸钠 (Na₅P₃O₁₀) 的主要原料，用作软水剂和助洗剂（因导致水体富营养化，现受限制）。
  • 生产其他磷酸盐：如焦磷酸钠、六偏磷酸钠等，在食品、水处理、纺织等领域有广泛应用。
  • 催化剂：在某些有机合成反应中用作催化剂或脱水剂。

• 二级分支 3.4：其他领域

  • 电镀工业：用作钢铁件的磷化剂，在表面形成一层不溶于水的磷酸盐保护膜,防锈。
  • 医药工业：用于制造某些药物和缓冲剂。
  • 金属表面处理：清洗金属表面,去除铁锈。

一级分支 4：安全与储存

• 二级分支 4.1：危险性

  • 腐蚀性：浓磷酸对皮肤、眼睛和呼吸道有强烈的腐蚀性和刺激性。
  • 健康危害：吸入其蒸气或雾会刺激鼻、喉和呼吸道,皮肤接触会造成化学灼伤。
  • 环境危害：属于环境污染物,过量排放会导致水体富营养化。

• 二级分支 4.2：安全防护

  • 个人防护：操作时必须穿戴耐酸碱的防护服、防护手套、护目镜和防毒面具。
  • 应急处理：不慎接触皮肤，立即用大量流动清水冲洗至少15分钟，溅入眼睛，立即用大量流动清水或生理盐水冲洗,并就医。

• 二级分支 4.3：储存方法

  • 储存条件：储存于阴凉、通风的库房，远离火种、热源。
  • 储存要求：保持容器密封，应与碱类、易燃物、还原剂等分开存放,切忌混储。
  • 储存容器：可用聚乙烯或聚丙烯塑料桶、不锈钢容器储存。

一级分支 5：相关化合物

• 二级分支 5.1：正磷酸盐

  • 定义：磷酸与碱完全中和形成的盐，如 Na₃PO₄ (磷酸钠)。
  • 性质：水溶液因水解而呈碱性。

• 二级分支 5.2：磷酸氢盐

  • 定义：磷酸中的两个氢离子被取代形成的盐，如 Na₂HPO₄ (磷酸氢二钠)。
  • 性质：水溶液因水解和电离程度相近，而呈弱酸性或弱碱性，常用作缓冲溶液。

• 二级分支 5.3：磷酸二氢盐

  • 定义：磷酸中的一个氢离子被取代形成的盐，如 NaH₂PO₄ (磷酸二氢钠)。
  • 性质：水溶液因水解程度大于电离，而呈弱酸性，也常用作缓冲溶液。

• 二级分支 5.4：焦磷酸 (H₄P₂O₇)

  • 定义：两个磷酸分子脱去一分子水形成。
  • 性质：是四元酸,酸性比正磷酸强。

• 二级分支 5.5：偏磷酸 (HPO₃)

  • 定义：多个磷酸分子脱去多个水形成,是链状或环状的多磷酸。
  • 性质：具有很强的脱水能力。