как из фосфора получить фосфорную кислоту

Получение фосфорной кислоты из фосфора — это сложный химический процесс, который требует ряда стадий. Рассмотрим его пошагово, начиная с фосфора и заканчивая фосфорной кислотой.

1. Получение фосфора из фосфатных руд

Процесс начинается с извлечения фосфора, который в природе обычно встречается в виде фосфатных минералов, таких как апатит (Ca₅(PO₄)₃(F,Cl,OH)). Эти минералы являются основным источником фосфора.

• Добыча и подготовка фосфатной руды: Руду сначала измельчают и обрабатывают, чтобы отделить фосфат кальция от других примесей.

• Получение фосфора из фосфатной руды: Существует два основных способа получения фосфора: с помощью печей и электролиза.

  1. Фосфор из фосфатной руды можно получить путем обработки при высокой температуре с углем (уголь, как восстановитель, в процессе карботермии):

     $${\text{Ca}}_3({\text{PO}}_4{)}_2+3\text{C}\stackrel{\text{T}}{}2\text{CaO}+{\text{P}}_4+3{\text{CO}}_2$$

     В процессе карботермии, фосфат кальция (апатит) подвергается восстановлению углеродом при высоких температурах (1000–1300°C), что приводит к образованию фосфора и оксида кальция.

2. Получение фосфора из белого фосфора

Белый фосфор (${\text{P}}_4$) является наиболее распространенной формой фосфора, который используют в промышленности для дальнейших преобразований. Белый фосфор — это твердые кристаллические вещества, которые представляют собой молекулы ${\text{P}}_4$ в виде тетраэдрических структур.

• Окисление белого фосфора: Чтобы получить фосфорную кислоту, белый фосфор окисляют кислородом из воздуха.

  1. Процесс окисления:

     Белый фосфор при нагревании с кислородом (или воздухом) реагирует с кислородом, образуя фосфорный ангидрид (P₄O₁₀):

     $${\text{P}}_4+5{\text{O}}_2\to {\text{P}}_4{\text{O}}_{10}$$

     Это происходит при температуре около 300-400°C.

3. Получение фосфорной кислоты (H₃PO₄)

Фосфорный ангидрид (P₄O₁₀) является кислотным оксидом, который может реагировать с водой, образуя фосфорную кислоту.

• Гидролиз фосфорного ангидрида: Фосфорный ангидрид растворяется в воде с образованием фосфорной кислоты.

  1. Процесс гидролиза:

     $${\text{P}}_4{\text{O}}_{10}+6{\text{H}}_2\text{O}\to 4{\text{H}}_3{\text{PO}}_4$$

     В результате этой реакции образуется фосфорная кислота (${\text{H}}_3{\text{PO}}_4$).

4. Технологические особенности

• Контроль температуры и концентрации: Окисление белого фосфора и образование фосфорной кислоты требует контроля температуры и состава реакционной смеси. Обычно для окисления фосфора используется специализированное оборудование — конвертеры или реакторы, работающие при высокой температуре и с постоянной подачей кислорода.

• Промышленное использование: В промышленности этот процесс широко используется для производства фосфорной кислоты, которая является важным сырьем для производства удобрений (например, суперфосфатов), моющих средств и фосфатных добавок в производстве стекла и других материалов.

Заключение

В общем, процесс получения фосфорной кислоты из фосфора состоит из нескольких ключевых этапов:

1. Получение фосфора из фосфатной руды (карботермическим методом).

2. Окисление белого фосфора до фосфорного ангидрида.

3. Гидролиз фосфорного ангидрида для получения фосфорной кислоты.

Каждый из этих этапов требует специфического оборудования и контроля условий реакции, чтобы получить чистую и высококонцентрированную фосфорную кислоту.