Ácido fosfórico

Ácido fosfórico (ácido ortofosfórico, ácido monofosfórico o ácido fosfórico (V)) es un compuesto inorgánico sólido incoloro e inodoro que contiene fósforo con la fórmula química H₃PO₄. Se encuentra comúnmente como una solución acuosa al 85%, que es un líquido almibarado incoloro, inodoro y no volátil. Es un químico industrial importante, siendo un componente de muchos fertilizantes.

El compuesto es un ácido. La eliminación de los tres iones H⁺ da como resultado el ion fosfato PO 3−4. La eliminación de uno o dos protones da iones de dihidrógeno fosfato H₂PO −4, y el ion de fosfato de hidrógeno HPO2−4, respectivamente. El ácido fosfórico forma ésteres, llamados organofosforados.

El nombre "ácido ortofosfórico" se puede utilizar para distinguir este ácido específico de otros "ácidos fosfóricos", como el ácido pirofosfórico. Sin embargo, el término "ácido fosfórico" a menudo significa este compuesto específico; y esa es la nomenclatura actual de la IUPAC.

Producción

El ácido fosfórico se produce industrialmente por una de dos rutas, procesos húmedos y secos.

Proceso húmedo

En el proceso húmedo, un mineral que contiene fosfato, como la hidroxiapatita de calcio y la fluorapatita, se trata con ácido sulfúrico.

Ca₅(PO₄)₃OH + 5 H₂SO₄ → 3 H₃PO₄ + 5 CaSO4 + H₂O

Ca₅(PO₄)₃F + 5 H₂SO₄ → 3 H₃PO₄ + 5 CaSO4 + HF

El sulfato de calcio (yeso, CaSO₄) es un subproducto que se elimina como fosfoyeso. El gas de fluoruro de hidrógeno (HF) se transmite a un depurador húmedo (agua) que produce ácido fluorhídrico. En ambos casos, la solución de ácido fosfórico suele contener un 23–33 % de P2O5 (32–46 % H₃PO₄). Puede concentrarse para producir ácido fosfórico comercial o de grado comercial, que contiene alrededor de 54 a 62 % de P2O5 (75 a 85 % de H₃PO₄). La eliminación adicional de agua produce ácido superfosfórico con una P₂O₅ concentración superior al 70 % (que corresponde a casi el 100 % de H₃PO₄). El ácido fosfórico de ambos procesos puede purificarse aún más mediante la eliminación de compuestos de arsénico y otras impurezas potencialmente tóxicas.

Proceso seco

Para producir ácido fosfórico apto para uso alimentario, el mineral de fosfato se reduce primero con coque en un horno de arco eléctrico para obtener fósforo elemental. También se agrega sílice, lo que da como resultado la producción de escoria de silicato de calcio. El fósforo elemental se destila del horno y se quema con aire para producir pentóxido de fósforo de alta pureza, que se disuelve en agua para producir ácido fosfórico.

Propiedades

Propiedades ácidas

En solución acuosa, el ácido fosfórico se comporta como un ácido triprótico.

H₃PO₄ ⇌ H₂PO−4 + H⁺, pK_a1 = 2.14

H₂PO−4 ⇌ HPO2 - 24 + H⁺, pK_a2 = 7.20

HPO2 - 24 PO PO3 - 34 + H⁺, pK_a3 12.37

La diferencia entre valores sucesivos de pK_a es lo suficientemente grande como para que las sales de fosfato de monohidrógeno, HPO2−4 o fosfato de dihidrógeno, H2PO−4, se puede preparar a partir de una solución de ácido fosfórico ajustando el pH para que esté a mitad de camino entre los respectivos valores de pK.

Sistema eutéctico

El diagrama de fase del H₃PO_4·H2O es complicado. Soluciones hasta 62,5 % H₃PO₄ son eutécticos y muestran una depresión del punto de congelación de hasta -85 °C. Más allá de este punto de congelación aumenta, alcanzando los 21°C en un 85% H₃PO₄ (p/p) y un máximo local al 91,6% que corresponde al hemihidrato 2H₃PO₄•H ₂O, congelación a 29,32°C. Hay una segunda depresión eutéctica más pequeña a una concentración de 94,75% con un punto de congelación de 23,5°C. A concentraciones más altas, el punto de congelación aumenta rápidamente.

El ácido fosfórico concentrado tiende a sobreenfriarse antes de que ocurra la cristalización y puede ser relativamente resistente a la cristalización incluso cuando se almacena por debajo del punto de congelación. Para muchos usos industriales, el 85% representa un límite superior práctico, donde las concentraciones más altas corren el riesgo de que toda la masa se congele cuando se transporta dentro de camiones cisterna y tenga que fundirse, aunque la cristalización parcial todavía puede ocurrir en temperaturas bajo cero.

Autocondensación

El ácido fosfórico está disponible comercialmente como soluciones acuosas de varias concentraciones, que normalmente no superan el 85 %. Si se concentra más, sufre una autocondensación lenta, formando un equilibrio con el ácido pirofosfórico:

2 H₃PO₄ ⇌ H₂O + H₄P₂O₇

Incluso a una concentración del 90 %, la cantidad de ácido pirofosfórico presente es insignificante, pero más allá del 95 % comienza a aumentar, alcanzando el 15 % en lo que de otro modo habría sido 100 % de ácido ortofosfórico.

A medida que aumenta la concentración, se forman ácidos más altos, que culminan en la formación de ácidos polifosfóricos. No es posible deshidratar completamente el ácido fosfórico a pentóxido de fósforo, sino que el ácido polifosfórico se vuelve cada vez más polimérico y viscoso. Debido a la autocondensación, el ácido ortofosfórico puro solo se puede obtener mediante un cuidadoso proceso de fusión/congelación fraccionada.

Usos

El uso dominante del ácido fosfórico es para fertilizantes, consumiendo aproximadamente el 90 % de la producción.

El ácido fosfórico de calidad alimentaria (aditivo E338) se utiliza para acidificar alimentos y bebidas, como varios refrescos de cola y mermeladas, proporcionando un sabor ácido o agrio. El ácido fosfórico también sirve como conservante. Los refrescos que contienen ácido fosfórico, que incluiría Coca-Cola, a veces se denominan refrescos de fosfato o fosfatos. El ácido fosfórico en los refrescos tiene el potencial de causar erosión dental. El ácido fosfórico también tiene el potencial de contribuir a la formación de cálculos renales, especialmente en aquellos que han tenido cálculos renales anteriormente.

Las aplicaciones específicas del ácido fosfórico incluyen:

• en tratamiento anti-rusto por recubrimiento de conversión de fosfato o pasivación
• para prevenir la oxidación del hierro mediante el proceso de Parkerización
• como estándar externo para la resonancia magnética nuclear de fósforo-31
• en células de combustible de ácido fósforo
• en la producción de carbono activada
• en el procesamiento semiconductor compuesto, a la arsenida de galio indio selectivamente con respecto al fosfido indio
• en microfabricación a nitruro de silicio etch selectivamente con respecto al dióxido de silicio
• en microfabricación a aluminio etch
• como adaptador de pH en cosméticos y productos de cuidado de la piel
• como agente sanitario en las industrias lácteas, alimentarias y cervecerías

El ácido fosfórico también se puede usar para el pulido químico (grabado) de metales como el aluminio o para la pasivación de productos de acero en un proceso llamado fosfatización.

Seguridad

El ácido fosfórico no es un ácido fuerte. Sin embargo, en concentraciones moderadas, las soluciones de ácido fosfórico irritan la piel. El contacto con soluciones concentradas puede causar quemaduras graves en la piel y daño ocular permanente.

Se ha demostrado una relación entre el consumo regular de refrescos de cola a largo plazo y la osteoporosis en mujeres de mediana edad (pero no en hombres).

Fuentes citadas

• Haynes, William M., ed. (2011). CRC Handbook of Chemistry and Physics (92nd ed.). CRC Prensa. ISBN 978-1439855119.