"Химия", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е. и др.
Фосфорная кислота H₃PO₄ — важная кислородсодержащая кислота фосфора. Она участвует в образовании фосфатов, которые нужны растениям и входят в состав минеральных удобрений; её применяют также в пищевой промышленности и производстве химических веществ. Кислота трёхосновная: в её молекуле есть три атома водорода, способных замещаться металлом. Поэтому при реакции с основаниями могут образоваться разные соли, а результат зависит от соотношения реагентов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Фосфорная кислота — кислородсодержащая кислота с формулой H₃PO₄. Это означает, что её молекула состоит из трёх атомов водорода, одного атома фосфора и четырёх атомов кислорода. Формулу важно знать, чтобы правильно составлять уравнения реакций и определять состав её солей.
Трёхосновная кислота — кислота, молекула которой может отдавать три иона водорода H⁺. У фосфорной кислоты эти ионы отделяются не одновременно, а последовательно, поэтому в растворе возможны разные частицы и образуются кислые и средние соли. Это понятие помогает предсказать, сколько атомов водорода может заместить металл.
Фосфаты — соли фосфорной кислоты, в составе которых есть фосфатные кислотные остатки. Например, NaH₂PO₄ и Na₂HPO₄ содержат водород и являются кислыми солями, а Na₃PO₄ — средняя соль. Знание состава солей позволяет отличать продукты неполной нейтрализации от продукта полной нейтрализации.
В молекуле H₃PO₄ атомы водорода связаны с кислородом, а не непосредственно с фосфором. В воде некоторые связи разрываются так, что в раствор переходят ионы H⁺, а оставшаяся часть молекулы становится отрицательно заряженной. Именно появление H⁺ объясняет кислотные свойства раствора, а не просто наличие атомов водорода в формуле.
Фосфорная кислота диссоциирует ступенчато: сначала H₃PO₄ ⇄ H⁺ + H₂PO₄⁻, затем H₂PO₄⁻ ⇄ H⁺ + HPO₄²⁻, и далее HPO₄²⁻ ⇄ H⁺ + PO₄³⁻. Каждая следующая частица теряет ещё один ион водорода и получает больший отрицательный заряд. Ступенчатость объясняет, почему состав соли зависит от того, сколько основания добавили к кислоте.
Фосфорная кислота слабая: в водном растворе она распадается на ионы не полностью. Поэтому в уравнениях диссоциации используют знак обратимости ⇄, показывающий, что одновременно идут прямой и обратный процессы. Слово «слабая» характеризует степень распада на ионы, а не опасность вещества и не способность реагировать с основаниями.
Кислота реагирует с щёлочами, потому что ионы H⁺ соединяются с гидроксид-ионами OH⁻ и образуют воду. Если основания недостаточно, замещается часть водорода и получается кислая соль; при полном замещении образуется средняя соль. Так, при разных соотношениях реагентов возможны NaH₂PO₄, Na₂HPO₄ или Na₃PO₄, поэтому одного названия кислоты недостаточно для определения продукта.
Фосфорная кислота нелетучая: при обычных условиях она не переходит легко в газообразное состояние. Её соли — фосфаты — имеют большое практическое значение, поскольку фосфор необходим для роста растений и входит в состав удобрений. Кислоту и её соли применяют также в химическом производстве и пищевой промышленности, где используют их свойства и способность регулировать состав продуктов.
| Процесс | Уравнение | Что образуется |
|---|---|---|
| Первая ступень диссоциации | H₃PO₄ ⇄ H⁺ + H₂PO₄⁻ | Дигидрофосфат-ион |
| Вторая ступень диссоциации | H₂PO₄⁻ ⇄ H⁺ + HPO₄²⁻ | Гидрофосфат-ион |
| Третья ступень диссоциации | HPO₄²⁻ ⇄ H⁺ + PO₄³⁻ | Фосфат-ион |
| Частичная нейтрализация | H₃PO₄ + NaOH → NaH₂PO₄ + H₂O | Кислая соль |
| Полная нейтрализация | H₃PO₄ + 3NaOH → Na₃PO₄ + 3H₂O | Средняя соль |
Сначала определите, какой процесс описан: диссоциация кислоты в воде или её реакция со щёлочью. Затем проследите, сколько ионов H⁺ отделилось либо сколько молекул NaOH вступило в реакцию. Это помогает выбрать верную формулу соли и проверить, что число атомов и зарядов согласованы.
Задача. Составьте уравнение реакции фосфорной кислоты с гидроксидом натрия, если на один моль H₃PO₄ приходится два моля NaOH. Определите, какая соль образуется, и проверьте уравнение. Важно не пытаться сразу записать среднюю соль: количество основания показывает, сколько атомов водорода будет замещено натрием.
Записываем формулы исходных веществ: H₃PO₄ и NaOH. Фосфорная кислота содержит три атома водорода, а каждая молекула NaOH может нейтрализовать один ион H⁺. Поэтому два моля щёлочи могут заместить два из трёх атомов водорода.
Определяем состав соли. После замещения двух атомов водорода остаётся один водород в кислотном остатке, а два места занимают ионы натрия. Получается кислая соль Na₂HPO₄, которую называют гидрофосфатом натрия.
Записываем схему реакции: H₃PO₄ + 2NaOH → Na₂HPO₄ + H₂O. Теперь уравниваем количество воды: два иона H⁺ от кислоты соединяются с двумя OH⁻ от щёлочи, поэтому справа должно быть две молекулы H₂O. Итоговое уравнение: H₃PO₄ + 2NaOH → Na₂HPO₄ + 2H₂O.
Проверяем баланс атомов с обеих сторон. Слева находятся три атома водорода в кислоте и два в щёлочи, два атома натрия, один атом фосфора и шесть атомов кислорода; справа в Na₂HPO₄ и двух H₂O столько же каждого атома. Значит, уравнение составлено правильно, а продуктом является кислая соль.
Ответ: H₃PO₄ + 2NaOH → Na₂HPO₄ + 2H₂O; образуется гидрофосфат натрия Na₂HPO₄. При решении похожих задач сначала сопоставляйте количество кислоты и основания, а затем подбирайте соль. После этого обязательно проверяйте сохранение числа атомов в уравнении.
Считать фосфорную кислоту одноосновной только потому, что в формуле записана одна группа H₃PO₄. Ошибка возникает, если число молекул принимают за число замещаемых атомов водорода. Проверьте формулу: в каждой молекуле кислоты три атома H, и она может образовать несколько видов солей.
Сразу записывать Na₃PO₄ при любой реакции с NaOH. Так делают, забывая, что средняя соль появляется при замещении всех трёх атомов водорода. Сверьте коэффициенты: для полной нейтрализации одному молю H₃PO₄ нужны три моля NaOH.
Путать кислые соли со свободной кислотой. В NaH₂PO₄ и Na₂HPO₄ водород входит в состав соли, но это не означает, что продуктом реакции осталась H₃PO₄. Проверьте заряд кислотного остатка и число атомов натрия: их сочетание должно давать нейтральное соединение.
Записывать диссоциацию всей кислоты как полное отделение трёх ионов H⁺ одним действием. Эту ошибку допускают, не учитывая ступенчатый характер процесса и слабость кислоты. Проверка проста: записывайте отдельные ступени и убедитесь, что на каждой отделяется только один H⁺.
Тема связана с общими свойствами кислот: фосфорная кислота реагирует с основаниями, а кислотные остатки входят в состав солей. При составлении уравнений применяются правила расстановки коэффициентов и закон сохранения массы, согласно которому атомы не исчезают и не возникают в ходе реакции. Ступенчатая диссоциация помогает понять, почему многоосновные кислоты образуют несколько видов солей.
Фосфаты связывают химию с биологией и сельским хозяйством: фосфор нужен живым организмам, а соединения фосфора используют в удобрениях. Изучая формулы таких веществ, можно проследить, как свойства кислоты объясняют состав её солей и их практическое применение. Это также подготавливает к изучению других кислородсодержащих кислот.
§ 32. Фосфорная кислота
