ácido fosfórico

En el proceso húmedo, los minerales que contienen fosfato, como la hidroxiapatita de calcio o la fluorapatita , se tratan con ácido sulfúrico . ^{[ 20 ]}

Ca ₅ (PO ₄ ) ₃ OH + 5 H ₂ SO ₄ → 3 H ₃ PO ₄ + 5 CaSO ₄ + H ₂ O

Ca ₅ (PO ₄ ) ₃ F + 5 H ₂ SO ₄ → 3 H ₃ PO ₄ + 5 CaSO ₄ + HF

Entre los subproductos se encuentran el sulfato de calcio ₍ CaSO₄ ) y el fluoruro de hidrógeno (HF). El gas HF se puede recuperar haciéndolo pasar por un depurador húmedo (de agua) que produce ácido fluorhídrico . _El CaSO₄ es más conocido como yeso, que se usa comúnmente en la industria de la construcción; sin embargo, el _CaSO₄ producido a partir de la producción de ácido fosfórico puede contener trazas de elementos radiactivos como el radio . Esto lo hace inadecuado para uso comercial, y se le llama fosfoyeso para distinguirlo. Generalmente se almacena indefinidamente.

En ambos casos , la solución de ácido fosfórico suele contener entre un 23 y un 33 % de P₂O₅ _{( 32-46 %} de H₃PO₄ ₎ . Puede concentrarse para producir ácido fosfórico de grado comercial , que contiene entre _{un 54 y} un 62 % de P₂O₅ ₍ 75-85 _% de H₃PO₄ ) . La eliminación adicional de agua produce ácido superfosfórico con una concentración _de P₂O₅ superior al 70 % (equivalente a casi el 100 % de _H₃PO₄ ) _{. El ácido fosfórico} obtenido mediante ambos procesos puede purificarse aún más eliminando compuestos de arsénico y otras impurezas potencialmente tóxicas.

Para producir ácido fosfórico de grado alimenticio, el mineral de fosfato se reduce primero con coque en un horno de arco eléctrico para obtener fósforo elemental . Este proceso también se conoce como proceso térmico o proceso de horno eléctrico. También se añade 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 hacer ácido fosfórico. ^{[ 21 ]} El proceso térmico produce ácido fosfórico con una concentración muy alta de P ₂ O ₅ (alrededor del 85 %) y un bajo nivel de impurezas.

_Sin embargo, este proceso es más costoso y requiere más energía que el proceso húmedo, que produce ácido fosfórico con una menor concentración de P₂O₅ (aproximadamente 26-52 %) y un mayor nivel de impurezas. El proceso _húmedo es el método más común para producir ácido fosfórico para uso como fertilizante. ^{[ 22 ]} Incluso en China, donde el proceso térmico todavía se usa ampliamente debido al carbón relativamente barato en comparación con el ácido sulfúrico, más de 7/8 del ácido fosfórico se produce mediante el proceso húmedo. ^{[ 23 ]}

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

H₃PO₄ _⇌ H₂PO₄⁻ + H⁺ , ^pKa1 = _2,14​​_​​​​

H₂PO₄⁻ ⇌ HPO₄²⁻ + H⁺ , pKa₂ = 7,20_​​​^​_​

HPO 2− 4 ⇌ PO 3− 4 + H ⁺ , p K _a3 = 12,37

_{La diferencia entre valores} sucesivos de pKa es suficientemente grande como para que se puedan preparar sales de monohidrogenofosfato, HPO2−4 , o de dihidrogenofosfato, H2PO − 4 , a partir de una solución de ácido fosfórico ajustando el pH para que esté a medio camino entre los respectivos _{valores de} pKa .

Las soluciones acuosas de hasta 62,5 % de _H₃PO₄ son eutécticas , presentando una depresión del punto de congelación de hasta -85 °C. Cuando la concentración de ácido aumenta por encima del 62,5 %, el punto de congelación aumenta, alcanzando los 21 ° C con un 85 % de _{H₃PO₄ (} p /p; el monohidrato ). Más allá de esto, el _diagrama de fases se vuelve complejo, con máximos y mínimos locales significativos. Por esta razón , el ácido fosfórico rara vez se vende por encima del 85 %, ya que más allá de este valor _{, añadir o eliminar pequeñas cantidades de humedad conlleva el riesgo de que toda la masa se congele por completo, lo que sería un problema grave a gran escala. Existe un máximo local al 91,6 %, que corresponde al hemihidrato 2H₃PO₄} • H₂O , que se _congela a 29,32 °C. ^{[ 26 ] [ 27 ]} Existe una segunda depresión eutéctica menor a una concentración del 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 se produzca la cristalización, y puede ser relativamente resistente a la cristalización incluso cuando se almacena por debajo del punto de congelación. ^{[ 4 ]}    

El ácido fosfórico está disponible comercialmente en forma de soluciones acuosas de diversas concentraciones, que generalmente no superan el 85%. Si se concentra aún más, experimenta una lenta autocondensación, formando un equilibrio con el ácido pirofosfórico .

2 H ₃ PO ₄ ⇌ H ₂ O + H ₄ P ₂ O ₇

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. ^{[ 28 ]}

A medida que aumenta la concentración , se forman ácidos superiores , culminando en la formación de ácidos polifosfóricos . ^{[ 29 ]} No es posible deshidratar completamente el ácido fosfórico a pentóxido de fósforo ; en cambio, 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 fraccional de congelación/fusión. ^{[ 4 ] [ 3 ]}