Ácidos fosfóricos y fosfatos.

En química, un ácido fosfórico, en el sentido general, es un oxoácido de fósforo en el que cada átomo de fósforo (P) se encuentra en estado de oxidación +5, y está unido a cuatro átomos de oxígeno (O ) átomos, uno de ellos mediante un doble enlace, dispuestos como las esquinas de un tetraedro. Dos o más de estos tetraedros PO₄ pueden estar conectados por oxígenos compartidos de enlace simple, formando líneas lineales o cadenas ramificadas, ciclos o estructuras más complejas. Los átomos de oxígeno con enlaces simples que no se comparten se completan con átomos de hidrógeno ácidos. La fórmula general de un ácido fosfórico es H_n+2−2x P_nO_3n+1−x, donde n es el número de átomos de fósforo y x es el número de átomos fundamentales. ciclos en la estructura de la molécula, entre 0 y n + 2/2.

Eliminación de protones (H⁺) de los grupos hidroxilo k –OH deja aniones genéricamente llamados fosfatos (si k = n − 2x + 2) o fosfatos de hidrógeno (si k está entre 1 y n − 2 x + 1), con fórmula general [H_{n −2x+2−k}P_n O_3n+1−x] ^k-. El anión completamente disociado (k = n − 2x + 2) tiene la fórmula < span class="chemf nowrap">[P_nO_3n−x+1]^{(n−2x+2)−}. El término fosfato también se usa en química orgánica para los grupos funcionales que resultan cuando o más hidrógenos se reemplazan por enlaces a otros grupos.

Estos ácidos, junto con sus sales y ésteres, incluyen algunos de los compuestos de fósforo más conocidos, de gran importancia en bioquímica, mineralogía, agricultura, farmacia, industria química e investigación química.

Ácidos

Ácido fosfórico

El ácido fosfórico más simple y más común es el ácido ortofosfórico, H₃PO₄. De hecho, el término ácido fosfórico a menudo significa específicamente este compuesto (y esta es también la nomenclatura actual de la IUPAC).

Ácidos oligofosfóricos y polifosfóricos

Dos o más moléculas de ácido ortofosfórico se pueden unir por condensación en moléculas más grandes mediante la eliminación del agua. La condensación de algunas unidades produce el ácidos oligofosfóricos, mientras que las moléculas más grandes se llaman ácidos polifosfóricos. (Sin embargo, la distinción entre los dos términos no está bien definida.)

Por ejemplo, los ácidos pirofosfórico, trifosfórico y tetrafosfórico se pueden obtener mediante las reacciones

$${\displaystyle {\begin{aligned}{\ce {2 H3PO4}} {\cH4P2O7 + H2O}\[2pt]{\ce {\h4P2O7 + H3PO4} {\ce {\longrightarrow {\ce {\ce {\cH5P3O10 + H2O}}\[2pt]{\ce {\c} {\c} {\c} {\cH3}}}}}}}}} {}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {} {}}}}}} {}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}$$

La "columna vertebral" de una molécula de ácido polifosfórico es una cadena de átomos de P y O alternados. Cada unidad ortofosfórica adicional que se condensa agrega 1 átomo adicional de H (hidrógeno), 1 átomo adicional de P (fósforo) y 3 átomos adicionales de O (oxígeno). La fórmula general de un ácido polifosfórico es H_n+2P_nO_3n+1 o HO[−P(O)(OH)−O−]_nH .

Los ácidos polifosfóricos se utilizan en síntesis orgánica para ciclaciones y acilaciones; una alternativa es el reactivo de Eaton.

Ácidos fosfóricos cíclicos

La condensación entre dos unidades –OH de la misma molécula, por otro lado, elimina dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno, creando un ciclo, como en la formación del ácido trimetafosfórico:

H₅P₃O₁₀ → H₃P₃O₉ + H₂O

La fórmula general de un ácido fosfórico es H_n−2x+2P_nO_{3n −x+1}, donde n es el número de átomos de fósforo y x es el número de ciclos fundamentales en la estructura de la molécula; es decir, el número mínimo de enlaces que habría que romper para eliminar todos los ciclos.

• 
  Ácido ortofosfórico
  H₃PO₄
• 
  Ácido pirofosfórico
  H₄P₂O₇
• 
  Ácido tripolíforo
  H₅P₃O₁₀
• 
  Ácido tetrapolíforo
  H₆P₄O₁₃
• 
  Ácido trimetafosfórico
  H₃P₃O₉
• 
  Anhídrido fosfórico
  P₄O₁₀

El caso límite de condensación interna, donde todos los átomos de oxígeno se comparten y no hay átomos de hidrógeno (x = n+2/2) sería un anhídrido P_2nO_{₅n}, como pentóxido de fósforo P₄O₁₀.

Fosfatos

La eliminación de los átomos de hidrógeno como protones H⁺ convierte un ácido fosfórico en un anión fosfato. La eliminación parcial produce varios aniones de hidrógeno fosfato.

Ortofosfato

Los aniones del ácido ortofosfórico H₃PO_{4< /sub>} son ortofosfato (comúnmente llamado simplemente "fosfato") PO3−< /span>4, fosfato monohidrógeno HPO2−< /span>4 y dihidrógenofosfato H₂ PO₄⁻.

Olifosfatos y polifosfatos lineales

Disociación del ácido pirofosfórico H₄P_2O7 genera cuatro aniones, [H_4−kP₂O₇]^k−, donde la carga k varía de 1 a 4. La el último es pirofosfato [P₂O₇ ]⁴⁻. Los pirofosfatos son en su mayoría solubles en agua.

Del mismo modo, el ácido tripolifosfórico H₅P_3O10 produce al menos cinco aniones [H_5−kP₃O_10]^k−, donde k varía de 1 a 5, incluido el tripolifosfato [P₃O₁₀] ^5-. Ácido tetrapolifosfórico H₆P₄O₁₃ produce al menos seis aniones, incluido el tetrapolifosfato [P ₄O₁₃]⁶⁻, y así sucesivamente. Tenga en cuenta que cada unidad fosfórica adicional agrega un átomo de P adicional, tres átomos de O adicionales y un átomo de hidrógeno adicional o una carga negativa adicional.

Los ácidos polifosfóricos ramificados dan aniones polifosfato ramificados de manera similar. El ejemplo más simple de esto es el trifosfono fosfato [OP(OPO₃)₃]⁹⁻ y sus versiones parcialmente disociadas.

La fórmula general de estos aniones polifosfato (no cíclicos), lineales o ramificados, es [H_n+2−kP_nO_3n+1]^k− , donde el cargo k puede variar de 1 a n + 2. Generalmente en una solución acuosa, el grado o porcentaje de disociación depende del pH de la solución.

Polifosfatos cíclicos

Las unidades de ácido fosfórico se pueden unir entre sí en anillos (estructuras cíclicas) formando moléculas de ácido metafosfórico. El compuesto más simple es el ácido trimetafosfórico o el ácido ciclotrifosfórico que tiene la fórmula H₃P₃O₉. Su estructura se muestra en la ilustración. Como los extremos están condensados, su fórmula tiene un H₂O (agua) menos que el ácido tripolifosfórico. Los comúnmente llamados trimetafosfatos en realidad tienen una mezcla de tamaños de anillos. Una fórmula general para dichos compuestos cíclicos es [HPO₃]_{< i>x} donde x = número de unidades fosfóricas en la molécula. El hipotético monómero ácido monometafosfórico (HPO₃), que sería valencia isoelectrónico con ácido nítrico, no se sabe que exista.

Cuando estos ácidos metafosfóricos pierden sus hidrógenos como H⁺, se forman aniones cíclicos llamados metafosfatos se forman. Un ejemplo de un compuesto con dicho anión es el hexametafosfato de sodio (Na₆P₆O₁₈), utilizado como secuestrante y aditivo alimentario.

Propiedades químicas

Solubilidad

Estas series de ácidos fosfóricos son generalmente solubles en agua considerando la polaridad de las moléculas. Los fosfatos de amonio y alcalinos también son bastante solubles en agua. Las sales alcalinotérreas comienzan a volverse menos solubles y las sales de fosfato de varios otros metales son aún menos solubles.

Hidrólisis y condensación

En soluciones acuosas (soluciones de agua), el agua hidroliza gradualmente (en el transcurso de horas) los polifosfatos en fosfatos más pequeños y finalmente en ortofosfato, si se le proporciona suficiente agua. Las temperaturas más altas o las condiciones ácidas pueden acelerar considerablemente las reacciones de hidrólisis.

Por el contrario, los ácidos polifosfóricos o polifosfatos a menudo se forman deshidratando una solución de ácido fosfórico; en otras palabras, eliminar el agua a menudo calentándola y evaporándola.

Usos

Los compuestos de orto, piro y tripolifosfato se han utilizado comúnmente en formulaciones de detergentes (es decir, limpiadores). Por ejemplo, consulte Tripolifosfato de sodio. En ocasiones se denominan difosfato, trifosfato, tetrafosfato, etc. al pirofosfato, tripolifosfato, tetrapolifosfato, etc., especialmente cuando forman parte de ésteres de fosfato en bioquímica. Los proveedores de agua potable también los utilizan para el control de incrustaciones y corrosión. Como inhibidor de la corrosión, los polifosfatos actúan formando una película protectora en la superficie interior de las tuberías.

Ésteres de fosfato

Los grupos −OH en los ácidos fosfóricos también pueden condensarse con los grupos hidroxilo de los alcoholes para formar ésteres de fosfato. Dado que el ácido ortofosfórico tiene tres grupos −OH, puede esterificarse con una, dos o tres moléculas de alcohol para formar un mono, di o triéster. Vea la imagen de la estructura general de un éster orto- (o mono-)fosfato a continuación a la izquierda, donde cualquiera de los grupos R puede ser un hidrógeno o un radical orgánico. También son posibles ésteres de di y tripoli (o tri) fosfato, etc. Cualquier grupo −OH en los fosfatos de estas moléculas de éster puede perder H^{+< /sup>} iones para formar aniones, nuevamente dependiendo del pH de una solución. En la bioquímica de los organismos vivos, existen muchos tipos de compuestos (mono)fosfato, difosfato y trifosfato (esencialmente ésteres), muchos de los cuales desempeñan un papel importante en el metabolismo, como el adenosín difosfato (ADP) y el trifosfato (ATP).