Kyselina fosforečná
Obsah boxu
Šablona:Infobox - chemická sloučenina Kyselina fosforečná, systematickým názvem kyselina trihydrogenfosforečná, je anorganická kyselina se sumárním vzorcem H3PO4. Je to jedna z nejvýznamnějších a nejvíce vyráběných průmyslových chemikálií na světě. V čisté formě je to při pokojové teplotě bílá krystalická látka, ale nejčastěji se setkáváme s jejími vodnými roztoky, které jsou bezbarvé, sirupovité kapaliny bez zápachu. Je to středně silná, trojsytná kyselina, která hraje klíčovou roli v biochemii a má široké uplatnění v průmyslu, zejména při výrobě hnojiv, v potravinářství jako přídatná látka E338 a v metalurgii.
🧪 Chemické vlastnosti
Kyselina fosforečná je trojsytná (triprotická) kyselina, což znamená, že její molekula může postupně odštěpit až tři protony (vodíkové ionty H+). Tato disociace probíhá ve třech stupních, z nichž každý má svou vlastní disociační konstantu (pKa):
1. H3PO4 + H2O ⇌ H3O+ + H2PO4− (pKa1 = 2,15) 2. H2PO4− + H2O ⇌ H3O+ + HPO42− (pKa2 = 7,20) 3. HPO42− + H2O ⇌ H3O+ + PO43− (pKa3 = 12,32)
Z hodnot pKa je zřejmé, že první disociační stupeň odpovídá středně silné kyselině, zatímco druhý a třetí stupeň jsou podstatně slabší. V roztoku tak v závislosti na pH existují různé fosforečnanové ionty.
Při zahřívání podléhá kyselina fosforečná kondenzaci (dehydrataci), při které se molekuly spojují za odštěpení vody. Tím vznikají složitější kyseliny, jako je kyselina difosforečná (pyrofosforečná, H4P2O7) a kyselina trifosforečná (H5P3O10), případně cyklická kyselina trimetafosforečná a další polyfosforečné kyseliny.
Je silně hygroskopická, pohlcuje tedy vzdušnou vlhkost. Její koncentrované roztoky jsou viskózní a mají sirupovitou konzistenci.
⚙️ Výroba
Průmyslová výroba kyseliny fosforečné probíhá převážně dvěma metodami: mokrým procesem a termickým procesem.
💧 Mokrý proces
Tato metoda je ekonomicky výhodnější a představuje většinu světové produkce. Principem je rozklad přírodních fosfátových rud, jako je apatit, silnou kyselinou, nejčastěji kyselinou sírovou.
Reakce zjednodušeně probíhá podle rovnice: Ca5(PO4)3F + 5 H2SO4 + 10 H2O → 3 H3PO4 + 5 CaSO4·2H2O + HF
Hlavním produktem je zředěná a znečištěná kyselina fosforečná, vedlejším produktem je sádrovec (dihydrát síranu vápenatého), který se obvykle ukládá na haldy. Kyselina vyrobená tímto způsobem obsahuje řadu nečistot (např. sloučeniny železa, hliníku, fluoru nebo kadmia) a označuje se jako "zelená" nebo "obchodní" kyselina. Pro většinu aplikací, zejména pro výrobu hnojiv, je tato čistota dostačující. Pro potravinářské nebo farmaceutické účely se musí dále náročně čistit.
🔥 Termický proces
Termický proces poskytuje mnohem čistší produkt, ale je energeticky a finančně náročnější. Skládá se ze dvou hlavních kroků:
1. **Výroba elementárního fosforu:** Fosfátová ruda se v elektrické obloukové peci za vysokých teplot (kolem 1500 °C) redukuje koksem za přítomnosti oxidu křemičitého. Vznikají páry bílého fosforu, které se následně kondenzují. 2. **Hydratace oxidu fosforečného:** Bílý fosfor se spálí v proudu vzduchu na oxid fosforečný (P4O10), který se následně rozpustí ve vodě za vzniku velmi čisté kyseliny fosforečné.
P4 + 5 O2 → P4O10 P4O10 + 6 H2O → 4 H3PO4
Tímto způsobem se vyrábí kyselina potravinářské kvality.
💡 Využití
Kyselina fosforečná má mimořádně široké spektrum využití v různých odvětvích.
🚜 Zemědělství
Přibližně 90 % veškeré produkce kyseliny fosforečné je určeno pro výrobu průmyslových hnojiv. Neutralizací kyseliny amoniakem vznikají fosforečnany amonné (např. fosforečnan monoamonný (MAP) a fosforečnan diamonný (DAP)), které jsou klíčovou složkou vícesložkových hnojiv (NPK). Fosfor je jedním ze tří základních makronutrientů nezbytných pro růst rostlin.
🥤 Potravinářství
V potravinářském průmyslu se používá vysoce čistá kyselina fosforečná jako přídatná látka s označením E338. Plní několik funkcí:
- **Okyselující prostředek:** Dodává nápojům, zejména kolového typu (např. Coca-Cola, Pepsi), charakteristickou ostrou a mírně štiplavou chuť.
- **Regulátor kyselosti:** Upravuje a stabilizuje pH potravin.
- **Konzervant:** Zpomaluje růst bakterií a plísní.
Nachází se také v džemech, tavených sýrech a některých masných výrobcích.
🔩 Odstraňování rzi
Kyselina fosforečná se používá jako účinný odstraňovač rzi (tzv. odrezovač). Reaguje s oxidem železitým (Fe2O3), který tvoří rez, a přeměňuje ho na fosforečnan železitý (FePO4). Ten vytváří na povrchu kovu černou, pevnou a nerozpustnou vrstvu, která kov dočasně chrání před další korozí a zároveň slouží jako dobrý podklad pro nátěry.
🦷 Zubní lékařství a farmacie
V stomatologii se zředěný roztok kyseliny fosforečné používá k leptání zubní skloviny před aplikací kompozitních výplní nebo ortodontických zámků. Leptání vytvoří mikroskopické nerovnosti, které zlepší přilnavost materiálu k zubu. Je také součástí některých zubních cementů a protetických roztoků. Ve farmacii slouží jako katalyzátor nebo pro úpravu pH v některých lécích.
🧪 Ostatní využití
- **Výroba detergentů:** Je prekurzorem pro výrobu fosfátů, které se dříve masivně používaly jako změkčovače vody v pracích prášcích (dnes je jejich použití omezeno kvůli eutrofizaci vod).
- **Úprava kovů:** Používá se pro fosfátování povrchů kovů, což zlepšuje jejich odolnost proti korozi a přilnavost barev.
- **Katalyzátor:** V organické syntéze působí jako kyselý katalyzátor, například při výrobě ethenu z ethanolu.
- **Elektrolyt:** V některých typech palivových článků (PAFC - Phosphoric Acid Fuel Cell).
🌍 Výskyt v přírodě
Kyselina fosforečná a její soli, fosforečnany, jsou všudypřítomné v živých organismech a jsou pro život naprosto nezbytné.
- **Nukleové kyseliny:** Tvoří páteř molekul DNA a RNA, kde fosfodiesterové vazby spojují jednotlivé nukleotidy.
- **Energetický metabolismus:** Adenosintrifosfát (ATP) je univerzálním přenašečem energie v buňkách. Energie se uvolňuje rozštěpením makroergních fosfátových vazeb.
- **Kosti a zuby:** Fosforečnan vápenatý (ve formě hydroxyapatitu) je hlavní minerální složkou kostí a zubů, kterým dodává pevnost a tvrdost.
- **Buněčné membrány:** Fosfolipidy jsou základními stavebními kameny všech biologických membrán.
V neživé přírodě se fosforečnany nacházejí v minerálech, především v apatitu, který je hlavním zdrojem fosforu pro průmyslovou výrobu.
⚠️ Bezpečnost a rizika
Koncentrovaná kyselina fosforečná je žíravina. Při kontaktu s pokožkou nebo očima může způsobit vážné popáleniny a poleptání. Je nutné používat odpovídající osobní ochranné pracovní prostředky, jako jsou ochranné brýle, rukavice a ochranný oděv. Při požití může způsobit poškození trávicího traktu.
Páry kyseliny mohou dráždit dýchací cesty. Přestože je kyselina fosforečná v zředěné formě součástí mnoha potravin, její nadměrná konzumace (zejména z kolových nápojů) je spojována s možným úbytkem vápníku z kostí a zvýšeným rizikem osteoporózy a tvorby ledvinových kamenů.
Z ekologického hlediska představují fosforečnany riziko eutrofizace vodních toků a nádrží. Přemnožení sinic a řas vede k úbytku kyslíku ve vodě a úhynu ryb a dalších vodních organismů.
📖 Pro laiky
Představte si kyselinu fosforečnou jako univerzálního pomocníka, kterého najdete na nečekaných místech. V zemědělství funguje jako koncentrovaná "potrava" pro rostliny, která jim dodává klíčový prvek – fosfor – pro jejich růst. V vaší oblíbené Cole působí jako koření, které dodává nápoji typickou ostrou chuť a zároveň ho chrání před zkažením. Pokud máte doma zrezivělé nářadí, kyselina fosforečná se chová jako "lékař na rez", který rez nejen odstraní, ale povrch kovu i ochrání tenkou vrstvou. A co je nejdůležitější, v našem vlastním těle je tato látka naprosto nepostradatelná – tvoří základ naší DNA, pomáhá ukládat a přenášet energii a buduje naše kosti a zuby. Je to tedy látka s mnoha tvářemi: od průmyslového giganta přes potravinářskou přísadu až po základní stavební kámen života.