Ортофосфат натрия

Не следует путать с трифосфатом натрия.

Ортофосфа́т на́трия (на́трий фосфорноки́слый (трёхзамещённый), трина́трийфосфа́т; химическая формула — Na₃PO₄) — одна из трёх натриевых солей ортофосфорной кислоты^[6].

Ортофосфат натрия
Структурная формула Молекулярное строение молекулы Безводный ортофосфат натрия
Общие
Систематическое наименование	Ортофосфат натрия
Сокращения	Тринатрийфосфат
Хим. формула	Na3O4P
Рац. формула	Na3PO4
Физические свойства
Состояние	Твердое; Кристаллическое[a]
Молярная масса	163,941 г/моль; 380,124 г/моль
Плотность	2,536 г/см³; 1,62 г/см³
Термические свойства
Температура
• плавления	1340 °C; 73,4[b][1] °C
Энтальпия
• образования	−1917 кДж/моль; −5480[2] кДж/моль
Химические свойства
Растворимость
• в воде	5,4 г/100 мл (0 °C) 14,5 г/100 мл (25 °C) 23,3 г/100 мл (40 °C) 54,3 г/100 мл (60 °C) 68,0 г/100 мл (80 °C) 94,6 г/100 мл (100 °C)[3]
Оптические свойства
Показатель преломления	1,4458, 1,4524[4]
Структура
Кристаллическая структура	Тригональная сингония (a = 1,202 нм, c = 1,266 нм, ПГ ${\displaystyle P3c1}$)[5]
Классификация
Рег. номер CAS	7601-54-9
PubChem	24243, 517071
Рег. номер EINECS	231-509-8
SMILES	[O-]P(=O)([O-])[O-].[Na+].[Na+].[Na+]
InChI	InChI=1S/3Na.H3O4P/c;;;1-5(2,3)4/h;;;(H3,1,2,3,4)/q3*+1;/p-3 RYFMWSXOAZQYPI-UHFFFAOYSA-K
Кодекс Алиментариус	E339(iii)
RTECS	TC9575000
ChEBI	37583
ChemSpider	22665
Безопасность
Краткие характер. опасности (H)	H315, H319, H335
Меры предостор. (P)	P261, P264, P264+P265, P271, P280, P302+P352, P304+P340, P305+P351+P338, P319, P321, P332+P317, P337+P317, P362+P364, P403+P233, P405, P501
Сигнальное слово	Осторожно
Пиктограммы СГС
NFPA 704	0 2 1
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.
Медиафайлы на Викискладе

При обычных условиях ортофосфат натрия представляет собой додекагидрат Na₃PO₄ · 12H₂O.

В лаборатории и в промышленности соединение получают в две стадии.

Находит широкое применение в пищевой промышленности, а также при добыче нефти.

Идентификация

Ион натрия в водном растворе можно обнаружить, используя AA или ICP методы, в то время как фосфат-ион — колориметрическими методами или ионной хроматографией^[7].

Физические свойства

Ортофосфат натрия представляет собой кристаллы без цвета, разрушающиеся при воздействии сухого воздуха^[8].

Термодинамические свойства ортофосфата натрия и его додекагидрата при температуре 298,15 К (25 °C) и давлении 100 кПа (если не указано иное) представлены в Таблице 1. Физические характеристики растворов ортофосфата натрия при 20 °C — плотность (ρ), показатель преломления (n) и абсолютная (динамическая) вязкость (η) — представлены в зависимости от массовой доли (w), моляльности (m) и молярности (c) в Таблице 2.

Таблица 1

Характеристика	Na3PO4	Na3PO4 · 12H2O	Источник
Энтальпия образования ΔfH°, кДж/моль	−1917	−5480	[2]
Стандартная энергия Гиббса ΔfG°, кДж/моль	−1789	−4662
Стандартная энтропия S°, Дж/(моль · K)	174	660
Изобарная теплоемкость[c] C°p, Дж/(моль · K)	153,5	665	[9]

Таблица 2^[10]

w, %	m, моль/кг	c, моль/л	ρ, г/см³	n	η
0,5	0,031	0,031	1,0042	1,3343	1,033
1,0	0,062	0,062	1,0100	1,3356	1,064
1,5	0,093	0,093	1,0158	1,3369	1,094
2,0	0,124	0,125	1,0216	1,3381	1,126
2,5	0,156	0,157	1,0275	1,3394	1,161
3,0	0,189	0,189	1,0335	1,3406	1,198
3,5	0,221	0,222	1,0395	1,3419	1,238
4,0	0,254	0,255	1,0456	1,3432	1,281
4,5	0,287	0,289	1,0517	1,3444	1,327
5,0	0,321	0,323	1,0579	1,3457	1,375
5,5	0,355	0,357	1,0642	1,3470	1,426
6,0	0,389	0,392	1,0705	1,3482	1,480
6,5	0,424	0,427	1,0768	1,3495	1,538
7,0	0,459	0,462	1,0832	1,3507	1,598
7,5	0,495	0,498	1,0896	1,3519	1,662
8,0	0,530	0,535	1,0961	1,3532	1,729

Химические свойства

Соединение хорошо растворяется в воде (кроме пластовой минерализованной ➤), но плохо в спирте^[7] и сероуглероде^[11].

В растворе соль имеет сильнощелочную (pH = 12,8) реакцию вследствие гидролиза^[8][11]:

${\displaystyle {\ce {Na3PO4 + H2O <=> Na2HPO4 + NaOH}}}$

Трёхзамещённый ортофосфат натрия обычно кристаллизуется из водных растворов в виде додекагидрата. Однако присутствие гидроксида натрия, способного встраиваться в кристаллическую решётку, оказывает влияние на состав кристаллогидрата: в зависимости от условий, формируются соединения состава от Na₃PO₄ · 0,3NaOH до Na₃PO₄ · 0,25NaOH (Monzel, 1937). При нахождении в растворах различной температуры соль выделяет NaOH и образует гидраты постоянного состава — Na₃PO₄ · 6H₂O (70 °C) и Na₃PO₄ · ½H₂O (100 °C)^[12]➤.

Получение

В лаборатории

Додекагидрат тринатрийортофосфата, как и другие его кристаллогидратные формы, может быть нейтрализацией ортофосфорной кислоты (или дигидрофосфата натрия) раствором гидроксида или карбоната натрия. В ходе реакции к ортофосфорной кислоте при взбалтывании приливают карбонат натрия до достижения слабощелочной реакции среды, после чего вводят избыток раствора гидроксида натрия. В результате образуется сильнощелочной раствор тринатрийфосфата^[13]:

${\displaystyle {\ce {H3PO4 + 3NaOH -> Na3PO4 + 3H2O}}}$

Раствор доводят до кипения, фильтруют и упаривают до начала кристаллизации. Образовавшиеся кристаллы отделяют от раствора и высушивают при комнатной температуре^[13].

Условия фильтрации и сушки позволяют получить различные гидратные формы соединения. Так, полугидрат (Na₃PO₄ · 0,5H₂O) образуется при фильтрации через воронку Бюхнера и сушке при температуре 121 °C. Кристаллизация при температуре около 86 °C способствует образованию гексагидрата (Na₃PO₄ · 6H₂O). Для получения восьмигидрата (Na₃PO₄ · 8H₂O) применяют раствор с точно заданным содержанием воды; его подвергают интенсивному перемешиванию, охлаждают до полной кристаллизации, после чего полученное вещество сушат на воздухе^[13][d].

В промышленности

1, 3 — реакторы; 2 — фильтр-пресс; 4 — фильтр; 5 — кристаллизатор; 6 — центрифуга; 7 — барабанная сушилка

Промышленное получение додекагидрата тринатрийфосфата осуществляется путём нейтрализации 45%-ой фосфорной кислоты (по содержанию оксида фосфора(V)). Процесс проходит в два этапа^[15]:

${\displaystyle {\ce {H3PO4 + Na2CO3 -> Na2HPO4 + CO2 + H2O}}}$

${\displaystyle {\ce {Na2HPO4 + NaOH -> Na3PO4 + H2O}}}$

Технология процесса
Раствор карбоната натрия подаётся в реактор 1, снабжённый мешалкой и наружным обогревом, совместно с оборотным раствором, оставшимся после обезвоживания соли. Нейтрализация фосфорной кислоты проводится при температуре кипения. Образовавшиеся примеси удаляются на фильтр-прессе 2. Затем очищенный раствор поступает в реактор 3, где его обрабатывают концентрированным раствором гидроксида натрия. Полученное вещество направляют на повторную фильтрацию 4 и затем — в кристаллизаторы 5. При охлаждении выпадает основная масса продукта в виде додекагидрата. Кристаллы отделяются на центрифуге 6: маточные растворы возвращаются в реактор 1, а влажные кристаллы направляются в барабанную сушилку 7 для охлаждения и последующей упаковки^[15].

Применение

Na₃PO₄ используется в составе моющих средств, а также в качестве компонента электролитов при производстве бутадиен-стирольных каучуков^[16]. Он применяется также при очистке металлов, в составах фотографических проявителей, средствах для удаления красок, при дублении кожи, производстве бумаги и осветлении сахара^[7].

Тринатрийфосфат эффективно смягчает воду, особенно в котлах высокого давления^[12]. Растворы этого соединения обладают хорошими смачивающими свойствами и низким межфазным натяжением с нефтью (3—5 мН/м). Благодаря высокому нефтевытесняющему эффекту, при взаимодействии с минерализованной пластовой водой они образуют высокодисперсную фазу с кристаллическими ортофосфатами кальция и магния, блокируя обводнённые каналы в пласте, в которые закачиваются^[17].

В пищевой промышленности Na₃PO₄, наряду с другими ортофосфатами натрия, используется в качестве регулятора кислотности, эмульгатора, текстуранта, влагоудерживающего агента, стабилизатора и комплексообразователя^[18].