磷酸

磷酸（英語：phosphoric acid）或稱為正磷酸（英語：Orthophosphoric acid），化學式${\displaystyle {\ce {H3PO4}}}$，是一種常見的無機酸，不易揮發，不易分解，幾乎沒有氧化性。具有酸的通性，是三元弱酸，其酸性比鹽酸、硫酸、硝酸弱，但比醋酸、硼酸等強。由五氧化二磷溶於熱水中即可得到。正磷酸工業上用硫酸處理磷灰石即得。用硝酸使磷氧化，可以得到較純的磷酸；一般是83%－98%的稠厚溶液，如果再濃縮，可以得到無色晶體。磷酸在空氣中容易潮解；加熱會逐漸失水得到焦磷酸，進一步失水得到偏磷酸。磷酸容易自行結合成多種化合物如焦磷酸（pyrophosphoric acid）或三聚磷酸（triphosphoric acid）等。

磷酸
IUPAC名 trihydroxidooxidophosphorus phosphoric acid
別名	正磷酸、原磷酸
識別
CAS號	7664-38-2  Y 16271-20-8（半水化合物）  N
PubChem	1004
ChemSpider	979
SMILES	OP(=O)(O)O
InChI	1/H3O4P/c1-5（2,3）4/h（H3,1,2,3,4）
InChIKey	NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYAI
UN編號	1805
EINECS	231-633-2
ChEBI	26078
RTECS	TB6300000
KEGG	D05467
性質
化學式	H3PO4
莫耳質量	97.995 g·mol⁻¹
外觀	白色固體或黏稠液體（>42 °C）
密度	1.885 g/mL （液態） 1.685 g/mL （85%水溶液） 2.030 g/mL （25°C晶體）
熔點	42.35 °C （無水化合物） 29.32 °C （半水化合物）
沸點	158 °C（分解）
溶解性（水）	5.48 g/mL
pKa	2.148, 7.198, 12.319
黏度	2.4–9.4 cP （85% aq. soln.） 147 cP （100%）
熱力學
ΔfHm⦵298K	-1288 kJ·mol−1[1]
S⦵298K	158 J·mol−1·K−1[1]
危險性
歐盟危險性符號 腐蝕性 C
警示術語	R：R34
安全術語	S：S1/2-S26-S45
MSDS	ICSC 1008
歐盟編號	015-011-00-6
NFPA 704	0 3 0
閃點	不可燃
若非註明，所有數據均出自標準狀態（25 ℃，100 kPa）下。

除了用作化學試劑之外，磷酸也可主要用於製藥、鐵銹轉化劑、食品添加物、溶劑、電解液、肥料、冶金、飼料等，也有在醫學美容及牙科的用途。

磷酸為三元酸，可解離出三個氫離子，因此可形成三種不同的酸根，分別是：磷酸二氫根H₂PO₄⁻、磷酸氫根HPO2−
4以及磷酸根PO3−
4。

結構

以磷為中心、四個氧環繞其周圍，其中包括一個雙鍵氧和三個羥基。三個可解離的氫原子分別與三個氧原子結合。

化學性質

純磷酸的無水化合物在室溫下為白色晶體，熔點42.35 °C，溶化後為黏稠液體。

正磷酸具有極大的極性，因此磷酸極易溶於水。

正磷酸的中心磷（P）的氧化數為+5，而周圍氧原子（O）的氧化數為-2，氫離子為+1。

磷酸為無毒性的無機物，是一種三元弱酸。三元酸的意思是可在水中解離出三顆H⁺的酸性物質，磷酸的解離過程如下：K_a1、K_a2和K_a3為化學式在25°C下的解離常數

H₃PO_4（s）   + H₂O_（l） ⇌H₃O⁺_（aq） + H₂PO₄⁻_（aq）      K_a1= 7.11×10⁻³

H₂PO₄⁻_（aq）+ H₂O_（l） ⇌H₃O⁺_（aq） + HPO₄²⁻_（aq）      K_a2= 6.32×10⁻⁸

HPO₄²⁻_（aq）+ H₂O_（l） ⇌ H₃O⁺_（aq） +  PO₄³⁻_（aq）       K_a3= 4.49×10⁻¹³

由於磷酸的多元酸性質，使它的pH值幅度較大，造成它的緩衝現象。又由於其無毒性又容易取得，實驗室及工業常拿無毒磷酸鹽與弱酸（如檸檬酸）混合物作為緩衝溶液，

磷酸時廣泛存在於生物體中，特別是磷酸化醣類，如DNA、RNA以及ATP。

如果將正磷酸加熱，數個磷酸分子的單體會脫水聚合起來，如：

兩個磷酸相連脫去一個水，形成焦磷酸（pyrophosphoric acid，${\displaystyle {\ce {H4P2O7}}}$）

如果數個磷酸環狀相接起來，並脫去一分子水，會形成偏磷酸（metaphosphoric acid），通式為：（HPO₃）_n。中文命名為n偏磷酸（n≥3）。^[2]偏磷酸是一種具脫水性的物質，因此常被用作乾燥劑。要進一步將偏磷酸脫水相當困難，需使用極強的脫水劑搭配加熱（單純加熱無效），才可將偏磷酸脫水形成磷酸酐（五氧化二磷，phosphorus pentoxide，化學式：${\displaystyle {\ce {P2O5}}}$，分子式：P₄O₁₀），磷酸酐具有極強的脫水性，可用作酸性物質的乾燥劑。

若在超強酸（superacids，比H₂SO₄還強的酸）中作用，磷酸會形成理論上具腐蝕性的酸性物質，四羥基合鏻離子（tetrahydroxylphosphoniumion）。以氟銻酸（fluoroantimonic acid，${\displaystyle {\ce {HSbF6}}}$）作超強酸為例：

H₃PO₄ + HSbF₆ → [P(OH)₄⁺][SbF₆]⁻

水溶液

磷酸濃度的計算方法（[A]為莫耳濃度）[A] = [H₃PO₄] + [H₂PO₄⁻] + [HPO₄²⁻] + [PO₄³⁻]

下表是磷酸在不同濃度下的pH、及磷酸的各共軛鹼濃度。

[A] （mol/L）	pH	[H3PO4]/[A] （%）	[H2PO4−]/[A] （%）	[HPO42−]/[A] （%）	[PO43−]/[A] （%）
1	1.08	91.7	8.29	6.20×10−6	1.60×10−17
10−1	1.62	76.1	23.9	6.20×10−5	5.55×10−16
10−2	2.25	43.1	56.9	6.20×10−4	2.33×10−14
10−3	3.05	10.6	89.3	6.20×10−3	1.48×10−12
10−4	4.01	1.30	98.6	6.19×10−2	1.34×10−10
10−5	5.00	0.133	99.3	0.612	1.30×10−8
10−6	5.97	1.34×10−2	94.5	5.50	1.11×10−6
10−7	6.74	1.80×10−3	74.5	25.5	3.02×10−5
10−10	7.00	8.24×10−4	61.7	38.3	8.18×10−5

鑑別

可以使用硝酸銀和蛋白質對正、偏、焦磷酸進行鑑別。硝酸銀可以與正磷酸生成黃色的磷酸銀沉澱，而與焦磷酸、偏磷酸生成白色沉澱，但偏磷酸能使蛋白沉澱。^[3]

製備

磷酸有三種製備方法，加熱法（thermal process）、潮溼製造法（wet process）及乾窯法（dry kiln process）

加熱法

燃燒磷單質產生五氧化二磷並且溶於水產生磷酸。此方法可生產較純的磷酸，因為在煉製磷的過程中已經去除許多雜質，然而仍需去除藏在裡面的砷。 純磷的現代製法大部分是將磷酸鈣與砂（主要成分為二氧化矽）及焦炭一起放在電爐中加熱。化學式如下：

• ${\displaystyle {\ce {Ca3(PO4)2 + 3SiO2 -> 3CaSiO3 + P2O5}}}$
• ${\displaystyle {\ce {P2O5 + 5C->2P + 5CO}}}$

潮溼製造法

參見：硝酸磷肥法

潮溼製造法是在磷酸鈣中加入硫酸，磷酸鈣的來源通常是磷灰石。

反應：（X為鹵素）

${\displaystyle {\ce {Ca5(PO4)3 X + 5H2SO4 + 10H2O -> 3H3PO4 + 5CaSO4*2H2O + HX}}}$

硫酸鈣溶解度較小，因此可以被過濾掉。

以此方法最初製造出來的磷酸濃度大約含有23%至33%的${\displaystyle {\ce {P2O5}}}$，再進行蒸餾或稀釋調整成想要的濃度。商品級的磷酸約54%，而超磷酸的濃度約70%.^[4][5]

潮溼製造法的產品還須經過純化移除掉內含的氟化物及砷化物。

用途

性質

濃磷酸約75–85%左右，為澄清、無色、無味、非揮發性的濃稠液體。磷酸雖然無毒性，但85%的濃磷酸具有腐蝕性。

在如此高的濃度下，濃磷酸中的磷酸分子會聚合起來形成聚磷酸。

與鹵化物的反應

磷酸與鹵化物會產生氫鹵化物氣體，在實驗室可以此法製備鹵化氫。

NaCl（s）	+ H3PO4（l） → NaH2PO4（s）	+ HCl（g）
NaBr（s）	+ H3PO4（l） → NaH2PO4（s）	+ HBr（g）
NaI（s）	+ H3PO4（l） → NaH2PO4（s）	+ HI（g）

鐵銹轉化劑

磷酸可作為鐵銹轉化劑的成分，磷酸可將紅棕色的Fe₂O₃轉為黑色的FePO₄，予以剝除後可露出新的金屬面，也可暫不進行剝除，讓他作為金屬面的保護層，防止其進一步的氧化。

鐵銹轉化劑有時被配置成液體供金屬浸泡。有時被配置成凝膠狀，暱稱「海軍果醬（naval jelly）」，可塗抹在垂直或陡峭的斜面上。

食品添加劑

食品級的磷酸可用來酸化飲品或食物，如可樂等。^[6] 

藥用

磷酸也被應用於牙科及美容上。牙科方面，磷酸可用於清潔牙面及牙齒美白。

磷酸也被添加於防暈藥。

其他應用

除了以上的應用外，磷酸還有下列用途：

• 含有磷-31的磷酸可作為核磁共振的外標物
• 高性能液相色譜法
• 溫氏法（Wentworth Process）：作為活性碳的氧化劑。^[7]
• 磷酸燃料電池中的電解液。
• 作為烯烴和水加成的催化劑以製造醇類。
• 作為銅電鍍拋光的電解液。
• 作為助焊劑
• 在半導體製程當中，磷酸可做為蝕刻的溶劑，例如：磷酸與過氧化氫的混合物可將InGaAs轉為InP，達到蝕刻的目的^[8]。
• 蝕刻氮化矽，磷酸可將Si₃N₄轉化為SiO₂。^[9]
• 做為緩衝溶液。
• 作為皮革處理及洗滌劑的分散媒。
• 作為保養品中pH值的調節劑^[10]。
• 建築業上用磷酸以移除礦物沉積物、水泥圖片及水漬。
• 水耕法中用作pH值的調節劑，也可作為植物磷養分的直接來源。
• 水族箱中，使用磷酸作為消除綠斑藻的工具，以及有利於水草生長

生物學影響

飲料添加物

磷酸用在食品添加劑，素來有骨質疏鬆症的疑慮。以往的調查是藉由問卷選填飲用可樂及其他碳酸飲料的頻率，發現飲用碳酸飲料的受試者較易有骨質疏鬆症的問題。研究指出，飲用碳酸飲料者沒有比其他人攝取更多的磷，但身體的鈣磷比卻顯著的降低。《美國臨床營養學雜誌》（American Journal of Clinical Nutrition）中的有項研究^[11]在1996年至2001年使用雙倍能量的X光去探測1672位女性及1148位男性的骨密度，發現磷酸確實會降低骨密度，此研究提供了比以往使用問卷調查更有利的證據。

另一項臨床研究指出，磷的攝取會降低骨密度。但此實驗以磷的總攝取量為主，並未明確證明使骨密度降低的主因是磷酸。^[12]

但在Heaney及Rafferty使用鈣平衡的方法對於20至40歲的女人一日習慣飲用三杯以上（680 ml）碳酸飲料進行的臨床研究，卻發現含磷酸的碳酸飲料與鈣流失無關。^[13]研究比較了水、牛奶以及各種非酒精飲料（兩種含咖啡因，兩種不含咖啡因，兩種含磷酸，兩種含檸檬酸）。他們發現，相較於水，只有牛奶以及另外兩項含有咖啡因的飲品會增加尿液中的鈣含量，而添加有磷酸的咖啡因飲料和含咖啡因的飲料鈣量流失速度差不多，並沒有擴大咖啡因造成流失鈣質的影響。由於研究顯示咖啡因所造成的鈣質流失會逐漸補回來^[14]，而磷酸在實驗中又沒有對鈣質流失造成影響。Heaney及Rafferty認為前面實驗受試者骨質疏鬆的原因是受試者飲用碳酸飲料，造成牛奶攝取量的漸少，造成鈣攝取量不足。

參見

• 化學主題

• 磷酸鹽
• 磷酸銨
• 磷脂