Un ácido fosfórico , en sentido general, es un oxoácido de fósforo en el que cada átomo de fósforo se encuentra en estado de oxidación +5, y está unido a cuatro átomos de oxígeno , uno de ellos mediante un doble enlace , dispuesto como las esquinas de un tetraedro . Dos o más de estos PO
4los tetraedros pueden estar conectados por oxígenos de enlaces simples compartidos, formando cadenas lineales o ramificadas, ciclos o estructuras más complejas. Los átomos de oxígeno de un solo enlace que no se comparten se completan con átomos de hidrógeno ácidos . La fórmula general de un ácido fosfórico es H
n + 2−2 xPAG
norteO
3 n + 1− x, donde n es el número de átomos de fósforo yx es el número de ciclos fundamentales en la estructura de la molécula, entre 0 y ( n +2) / 2.
Eliminación de protones ( H+
) a partir de k grupos hidroxilo –OH deja aniones llamados genéricamente fosfatos (si k = n −2 x +2) o hidrogenofosfatos (si k está entre 1 y n −2 x +1), con fórmula general [H n −2 x + 2− k P norte O 3 norte + 1− x ] k - . El anión completamente disociado ( k = n −2 x +2) tiene la fórmula [P n O 3n - x +1 ] ( n −2 x +2) - es El término también se usa en química orgánica para los grupos funcionales que resultan cuando o más de los hidrógenos son reemplazados 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 .
El más simple y más común de los ácidos fosfóricos es el ácido ortofosfórico , H 3 PO 4 . De hecho, el término ácido fosfórico a menudo significa este compuesto específicamente (y esta es también la nomenclatura actual de la IUPAC ).
Se pueden unir dos o más moléculas de ácido ortofosfórico mediante condensación en moléculas más grandes mediante la eliminación de agua . La condensación de unas pocas unidades produce los ácidos oligofosfóricos , mientras que las moléculas más grandes se denominan ácidos polifosfóricos . (Sin embargo, la distinción entre los dos términos no está bien definida).
Por ejemplo, pirofosfórico , trifosfórico y tetrafosfórico ácidos pueden obtenerse mediante las reacciones
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 de H ( hidrógeno ) adicional, 1 átomo de P ( fósforo ) adicional y 3 átomos de O ( oxígeno ) adicionales . La fórmula general de un ácido polifosfórico es H
n +2PAG
norteO
3 n +1o HO (–P (O) (OH) –O–) n H.
Los ácidos polifosfóricos se utilizan en síntesis orgánica para ciclizaciones y acilaciones . [1] [2]
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 :
La fórmula general de un ácido fosfórico es H n −2 x +2 P n O 3 n - x +1 , donde n es el número de átomos de fósforo yx es el número de ciclos fundamentales en la estructura de la molécula; es decir, el número mínimo de enlaces que tendrían que romperse para eliminar todos los ciclos.
Ácido ortofosfórico
H 3 PO 4
Ácido pirofosfórico
H
4PAG
2O
7
Ácido tripolifosfórico
H
5PAG
3O
10
Ácido tetrapolifosfórico
H
6PAG
4O
13
Ácido trimetafosfórico
H 3 P 3 O 9
Anhídrido fosfórico
P 4 O 10
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 n O 5 n / 2 , como el pentóxido de fósforo P
4O
10.
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 fosfato de hidrógeno.
Los aniones del ácido ortofosfórico H
3correos
4son ortofosfato PO3−
4, fosfato de hidrógeno HPO2−
4y dihidrógeno fosfato H
2correos-
4
Disociación del ácido pirofosfórico H
4PAG
2O
7genera cuatro aniones, H
4- kPAG
2O-
7k - , donde la carga k varía de 1 a 4. El último es pirofosfato [P
2O4−
7. Los pirofosfatos son principalmente solubles en agua.
Asimismo, el ácido tripolifosfórico H
5PAG
3O
10produce al menos cinco aniones [H
5- kPAG
3O
10] k - , donde k varía de 1 a 5, incluido el tripolifosfato [P
3O5-
10. Ácido tetrapolifosfórico H
6PAG
4O
13produce al menos seis aniones, incluido el tetrapolifosfato [P
4O6−
13, etcétera. Tenga en cuenta que cada unidad de fósforo adicional agrega un átomo de P adicional, tres átomos de oxígeno adicionales y un átomo de hidrógeno adicional o una carga negativa adicional.
Los ácidos polifosfóricos ramificados dan aniones polifosfato ramificados de forma similar. El ejemplo más simple de esto es el trifosfono fosfato [OP (OPO
3)
3] 9− y sus versiones parcialmente disociadas.
La fórmula general para tales aniones polifosfato (no cíclicos), lineales o ramificados, es [H
n + 2− kPAG
norteO
3 n +1] k - , donde la carga k puede variar de 1 an +2. Generalmente en una solución acuosa , el grado o porcentaje de disociación depende del pH de la solución.
Las unidades de ácido fosfórico pueden unirse en anillos (estructuras cíclicas) formando moléculas de ácido metafosfórico . El compuesto más simple de este tipo es el ácido trimetafosfórico o el ácido ciclo-trifosfórico que tiene la fórmula H 3 P 3 O 9 . Su estructura se muestra en la ilustración. Dado que los extremos están condensados, su fórmula tiene un H 2 O (agua) menos que el ácido tripolifosfórico. Los comúnmente llamados trimetafosfatos en realidad tienen una mezcla de tamaños de anillos. Una fórmula general para tales compuestos cíclicos es (HPO 3 ) x donde x = número de unidades fosfóricas en la molécula. El monómero hipotéticoSe desconoce la existencia del ácido monometafosfórico (HPO 3 ), que sería de valencia isoelectrónica con el ácido nítrico .
Cuando estos ácidos metafosfóricos pierden sus hidrógenos como H + , se forman aniones cíclicos llamados metafosfatos . Un ejemplo de un compuesto con tal anión es el hexametafosfato de sodio (Na 6 P 6 O 18 ), utilizado como secuestrante y aditivo alimentario .
Estas series ácidos fosfóricos son generalmente agua - soluble teniendo en cuenta 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 incluso menos solubles.
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, con suficiente agua. La temperatura más alta o las condiciones ácidas pueden acelerar considerablemente las reacciones de hidrólisis . [3]
A la inversa, los ácidos polifosfóricos o polifosfatos se forman a menudo deshidratando una solución de ácido fosfórico; en otras palabras, eliminar el agua a menudo calentando y evaporando el agua.
Los compuestos de orto, piro y tripolifosfato se han usado comúnmente en formulaciones de detergentes (es decir, limpiadores). Por ejemplo, consulte Tripolifosfato de sodio . A veces, el pirofosfato, tripolifosfato, tetrapolifosfato, etc.se denominan difosfato , trifosfato , tetrafosfato , etc., especialmente cuando forman parte de ésteres de fosfato en bioquímica . También se utilizan para el control de incrustaciones y corrosión por proveedores de agua potable . [4] Como inhibidor de la corrosión, los polifosfatos actúan formando una película protectora en la superficie interior de las tuberías. [5]
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. Ver la imagen general estructura de un orto- (o mono-) fosfato éster abajo a la izquierda, en donde cualquiera de los R grupos pueden 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 en estas moléculas de éster puede perder H +iones para formar aniones, nuevamente dependiendo del pH en 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 difosfato de adenosina (ADP) y el trifosfato (ATP) .