اسيد فسفريك – کارا شیمی شرق

۱- مقدمه

اگرچه اسید فسفریک (H₃PO₄) به تنهایی دارای خواص چسبندگی نیست، ولی در واکنش با اکسیدهای فلزی، نمکهایی را تشکیل میدهد که خود به عنوان اتصالدهنده عمل میکنند. دیرگدازهایی که در آنها از چسبهای فسفاتی استفاده میشود به عنوان ” دیرگدازهای اتصال فسفاتی” شناخته میشوند.

به طورکلی، یون (PO4)^3-در H₃PO₄ بهعنوان رادیکال اسیدی شناخته میشود. اسید فسفریک و دیگر فسفاتها در برگیرنده رادیکالهای دیگری مانند (P2O7)^4- ، (P_nO_3n+1)^(n+2)- ، (PO3)^–هستند.

۲- تعریف اسید فسفریک

اسید فسفریک به نامهای مختلف وجود دارد که در جدول۱ نشان داده شده است. اما استفاده از اسید ارتوفسفریک یا H₃PO₄ عمومیت بیشتری دارد. بنابراین عموماً در به کار بردن نام اسید فسفریک منظور اسید ارتوفسفریک یا H₃PO₄ میباشد.

Phosphate-Bonded Refractories

جدول۱- انواع اسید فسفریک و خواص آنها
نام	فرمول شیمیایی	خواص
اسید هیپو فسفری	H₃PO₂	دمای ذوب ^oC27، کریستال بیرنگ
اسید فسفری	H₃PO₃	دمای ذوب ^oC72 ، کریستال بیرنگ
اسید هیپو فسفریک	H₄P₂O₆	اسید چهار ظرفیتی
اسید متافسفریک	(HPO₃)_n	بیرنگ و شیشهای
اسید پیروفسفریک	H₄P₂O₇	دمای ذوب ^oC61، بیرنگ، کریستالهای سوزنی شکل یا شیشهای جامد
اسید ارتوفسفریک	H₃PO₄	دمای ذوب ^oC43، بیرنگ، کریستال شفاف

۳- خواص مهم اسد فسفریک

اسید فسفریک خالص دارای دانسیته ۱٫۸۸ g/cm³ است. اسید فسفریک در بازار به صورت محلول آبی۵۰ تا ۸۵ درصد به فروش میرسد. هر کدام از این نوع اسید فسفریکها خواص منحصر به فرد خود را دارند. به عنوان مثال اسید فسفریک ۸۵ درصد دارای نقطه ذوب ^oC21 و چگالی ۱٫۶۸ g/cm³ میباشد و مقدار P₂O₅ در آن در حدود ۶۲درصد است، در حالیکه اسید فسفریک ۸۰ درصد، نقطه ذوب ^oC5، چگالی ۱٫۶۳ g/cm³ و درصد P₂O₅ در آن ۵۸درصد است.

۴- واکنش میان اسید فسفریک و اکسیدها یا هیدروکسیدها

اسید فسفریک با اکسیدها یا هیدروکسیدها واکنش میکند و با تشکیل نمک باعث ایجاد اتصال در دیرگدازها میگردد. اسید فسفریک و هیدروکسید آلومینیوم Al(OH)₃ در دمای اتاق واکنش میدهند و تشکیل نمک میدهند ولی واکنش میان اسید فسفریک و آلومینا در دمای اتاق به آهستگی اتفاق میافتد و برای تکمیل واکنش باید دما افزایش یابد. بنابراین هنگامی که دما افزایش مییابد، اسید فسفریک دیهیدراته شده و با آلومینا واکنش میدهد تا مونوآلومینیوم فسفات[۱] تشکیل میگردد:

Al₂O₃+3H₃PO₄= 2Al(H₂PO4)₃+3H2O

این واکنش در دمای بالای ^oC۱۲۷ شروع گردیده و تا دمای ^oC۴۲۷ ادامه مییابد. در دمای بین ^oC۷۳۲ تا ^oC۱۳۲۷، ارتو آلومینیوم فسفات یا AlPO₄ شکل میگیرد. بنابراین در دیرگدازهای آلومینایی این واکنش اتفاق میافتد و باعث ایجاد پیوند خواهد شد.

تولید اسید فسفریک

روش تر

در این روش اسید فسفریک با استفاده از سنگ فسفات و اسید سولفوریک تولید میشود.

خشک (حرارتی)

سنگ فسفات با مخلوطی از کربن و کوارتز در کوره الکتریکی قرار می گیرد و عنصر فسفر تولید می شود.

انتخاب فرآیند منتخب

به علت مصرف انرژی بالا در روش کوره ای بیشتر سعی میشود که اسید فسفریک به روش تر تولید شود، البته برای کاربردهای خیلی خاص لازم است اسید فسفریک به روش کوره ای تولید شود. اسید فسفریک تولید شده به روش تر بیشتر برای تولید کودهای شیمیایی به کار می رود. در کاربردهایی که اسید خالص تری مورد نیاز است می توان اسید فرایند روش تر را تصفیه نمود و اسید روشن تر و با درجه خلوص بالاتری بدست آورد.

اسید فسفریک به طور وسیعی در صنایع استفاده می شود :

۱٫تولید کودهای فسفات مانند مونو آمونیوم فسفات ، دی آمونیوم فسفات ، سوپر فسفات تریپل ، فسفات منیزیم و …

۲٫تولید فسفات های به کار رفته در مواد شوینده مانند تری سدیم فسفات و سدیم تری پلی فسفات.

۳٫تولید پاک کننده های فسفاته صنعتی : در تولید پاک کننده ها اسید فسفریک برای نرم کردن آب بکار می رود. آب نرم بدون یون های کلسیم و منیزیم که آب سخت را تشکیل می دهند ، اگر از بین نروند تشکیل آب سخت را می دهند که این یون ها با صابون تشکیل رسوبات غیرقابل حل می دهند که سبب لکه به روی لباس ها در هنگام شستشو می شوند. نمک های فسفات از اسید فسفریک به طور وسیع در پاک کننده ها به عنوان builder بکار می رود. بیشتر گستره ترکیبات فسفر در مخلوط پاک کننده های جامد است که سدیم تری پلی فسفات یکی از آنهاست. Na5P3O10 به عنوان نرم کننده آب ، سدیم تری پلی فسفات با کلسیم و منیزیم یوند برقرار می کند و تشکیل اجزا محلول را می دهد که کمپلکس یا کلیت است. این کمپلکس ها از واکنش کلسیم و منیزیم با صابون ممانعت به عمل می آورند تا رسوب ایجاد نشود.

۴٫تولید مواد تصفیه کننده و منعقد کننده در صنعت آب و فاضلاب.

۵٫به صورت گرید خوراکی ، مصرف در صنایع غذایی : از اسید فسفریک در تولید غذاهای اسیدی و نوشابه های گازدار مانند انواع کولاها استفاده می شود. به کارگیری این ماده سبب دادن طعم تندی به غذا شده و از آنجا که ماده شیمیایی با تولید انبوه است ، با قیمتی ارزان و حجمی فراوان در دسترس می باشد. همانطور که ذکر شد، قیمت پایین و حجم زیاد تولید این ماده ، آنرا در نقایسه با طعم دهنده های طبیعی نظیر زنجبیل برای دادن طعم تندی ، یا اسید سیتریک که از لیمو و عصاره لیمو ترش که برای دادن طعم ترشی به کار می رود ، در رتبه بالاتری قرار داده است.

۶٫تولید مکمل های خوراک دام و طیور مانند دی کلسیم فسفات.

۷٫تولید مواد بازدارنده اشتعال برای مصارف آتش نشانی.

۸٫مصرف در صنایع آبکاری.

۹٫کاربرد در زدودن زنگ آهن : از اسید فسفریک می توان مستقیما برای زدودن زنگ آهن (اکسید آهن ۳ ) از ابزارهای آهنی یا فولادی و تبدیل آهن به فسفات های محلول در آب استفاده نمود. پس از زدودن زنگ آهن فسفات آهن تولید شده تبدیل به ترکیب فسفات آهن سیاه شده که خود به عنوان عامل جلوگیری از خوردگی می تواند مورد استفاده قرار گیرد. اسید فسفریک به عنوان کاتالیت در صنایع پتروشیمی کاربرد دارد.

۱۰٫ کاربرد در پزشکی : از اسید فسفریک در دندان پزشکی و اورتودنسی به عنوان عامل قلم زنی جهت تمیز کردن و زبر کردن سطح دندان خصوصا در جاهایی که از اسباب و وسایل دندان پزشکی استفاده شده بکار می رود. همچنین از اسید فسفریک به عنوان کاتالیست در ساخت آسپرین به خاطر داشتن یون هیدروژن فراوان و الایندگی کمتر در مقایسه با اسید کلریدریک و سولفوریک استفاده می شود.

۱۱٫ کاربرد در کشاورزی : بیشتر اسید فسفریک در تولد کود بکار می رود. فسفر یکی از عناصر ضروری برای رشد گیاهان محسوب می شود. فسفات های آلی ترکیباتی هستند که انرژی لازم برای بیشتر واکنش هایی که در سلول های زنده اتفاق می افتند را مهیا می کنند بنابراین خاک های غنی با کودهای فسفاتی رشد گیاهان را بالا می برند. افزایش غلظت فسفات در سطح آب ها همچنین رشد گیاهان آبزی را بالا می برد. اضافات کودهای شیمیایی می توانند باعث تحریک رشد گیاهان در آب های دریاچه ها و آب های جاری بشوند. آب فاضلاب ها که شامل فسفات است می تواند تاثیر یکسانی داشته باشد. دریاچه ها که از مواد مغذی غنی هستند از افزایش سرعت انباشتگی تلف می شوند. وقتی گیاهان آبزی با این شرایط مغزی بودن محیط رشد می کنند پس از مدتی خواهند مرد. حال این گیاهان مرده برای تجزیه اکسیژن حل شده در آب را مصرف می کنند. این مصرف سطح اکسیژن حل شده را کاهش می دهد تا نقطه ای که برای حمایت حیوانات آبزی کافی نیست. برای کاهش تهدید Eutrophication دریاچه بسیاری از مناطق دارند فسفات ها را از پاک کننده ها حذف می کنند. در بعضی از موارد فسفات ها جای خودشان را با کربنات ها عوض می کنند. به عبارت دیگر پاک کنندهای جدید به گونه ای تهیه می شوند که با کلسیم و منیزیم یون های سخت آب را واکنش ندهند.