Fosfatos

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6-ÁCIDO FOSFÓRICO Y FOSFATOS INTRODUCCIÓN

El fósforo forma más oxoácidos que cualquier otro elemento y el número de sus

oxoaniones probablemente sólo son superados por los del silicio. Muchos de ellos son de gran

importancia tecnológica y otros desempeñan un papel relevante en diversos procesos biológicos.

Consecuentemente, el conocimiento de la química de estos sistemas ha adquirido un notable

interés.

Pese a ser elevado el número de oxoácidos del fósforo, el hecho de que posean una serie

de rasgos estructurales comunes facilita su estudio y sistematización. Básicamente, estos

principios estructurales son:

a) En todos los oxoácidos el átomo de fósforo es tetracoordinado y contiene al menos una

unidad P=O.

b) b) Todos los átomos de fósforo contienen al menos una unidad P-OH, siendo tales

grupos ionizables como dadores protónicos.

c) c) Algunas especies tiene uno (o más) grupos P-H; los hidrógenos unidos directamente

al fósforo no son ionizables.

d) d) La concatenación puede producirse a través de uniones P-O-P ó P-P directamente.

En el primer caso se obtienen cadenas de tetraedros tanto abiertas (lineales) como

cerradas (cíclicas) mediante compartición de vértices, nunca de aristas o caras.

El ácido fosfórico forma varias series de sales en las que uno, dos o tres hidrógenos han

sido reemplazados. Por condensación de los fosfatos simples pueden obtenerse los denominados

polifosfatos, estructuralmente caracterizados por la concatenación de unidades “PO4” en cadenas

abiertas (polifosfatos de cadena) o cíclicas (metafosfatos o ciclofosfatos, denominación esta

última más recomendable). Los procesos de condensación (referidos a la condensación del ácido

ortofosfórico) pueden representarse esquemáticamente mediante las ecuaciones.

n H3PO4 = Hn+2PnO3n+1 + (n-1)H2O (polifosfatos lineales)

n H3PO4 = (HPO3)n+ n H2O (ciclofosfatos)

Se han obtenido polifosfatos de cadena lineal de hasta 200 unidades “PO4”. Conforme

aumenta la longitud de la cadena la relación O/P = (3n+1)/n se aproxima a 3, razón por la cual

muchos de estos compuestos fueron denominados erróneamente metafosfatos.

Las aplicaciones del ácido fosfórico y los fosfatos son numerosas y muy diversas. En el

esquema adjunto se incluyen, las más representativas en términos cuantitativos.

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OBJETIVOS 1-Examinar algunos de los aspectos más relevantes de los equilibrios del ácido fosfórico y sus sales en disolución. Realizando la valoración potenciométrica de una disolución de acido fosfórico y la preparación de una disolución tampón. 2-Obtener polifosfatos (lineales o cíclicos) mediante deshidratación por calefacción de algunos de estos fosfatos simples. CUESTIONES PREVIAS.

1. El ácido ortofosfórico se obtiene industrialmente por tratamiento de fosfatos minerales

con ácido sulfúrico. a) Proponed un esquema del proceso de obtención. b) Calculad la masa de

de ácido ortofosfórico que puede obtenerse por tratamiento de 1 tonelada de apatita del 80% de

pureza si el rendimiento es del 60%.

2. Teniendo en cuenta el valor de las constantes de acidez del ácido ortofosfórico

pKa1 = 2,1; pKa2 = 7,1; pKa3 = 12,4 ( a 25ºC) calculad el pH de una disolución 0,1 M de

dihidrógenofosfato de sodio y de otra disolución de la misma concentración de monohidrógeno

fosfato de sodio.

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3. Describa los distintos oxoácidos del fósforo, incluyendo sus estructuras de Lewis y su

carácter ácido-base.

4. El hipotético primer miembro de la serie de ciclofosfatos, el anión ciclodifosfato no se

ha podido caracterizar. Discutid las posibles causas.

5. Realizad una descripción comparativa de las estructuras de los siguientes aniones:

pirofosfato (P2O74-), tetrapolifosfato (P4O13

6-) y ciclotetrafosfato (P4O124-).

6. Describa de manera simplificada, las moléculas de ADP y ATP. ¿Qué relación hay

entre ellas?

7. Justificad la elección de los dos indicadores ácido-base que se utilizan en la valoración

que se realiza en esta práctica (ver procedimiento experimental).

8. Calcular el volumen de ácido fosfórico concentrado que se necesita para preparar

100mL de una disolución 1M. El ácido concentrado tiene R=85% y d=1.7g/mL.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.

Material Reactivos

Vaso de precipitado de 50mL Disolución concentrada de H3PO4

Vaso de precipitado de 250 mL Disolución 0,1 M de NaOH (valorada)

PH-metro Ácido clorhídrico 0,1 M

Bureta 25mL Fenolftaleína

Pipeta de 10 mL(aforada y graduada) Naranja de metilo

Aforado de 100 mL Dihidrógenofostato sódico (NaH2PO4)

Papel milimetrado Monohidrógenofosfato sódico (Na2HPO4)

Cuentagotas

Probeta

Embudo cónico

Tubo Pyrex

A) Valoración del H3PO4 0,1 M con NaOH 0,1 M y construcción de la curva de valoración

1) Preparar 100 mL de H3PO4 1 M a partir de H3PO4 concentrado. Teniendo en cuenta la

información de la etiqueta, densidad y riqueza, calcular el volumen que se necesita.

Se pipetea exactamente el volumen calculado y se introduce en un matraz aforado de 100 mL,

enrasar con agua y homogeneizar la mezcla.

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2) Preparación de 100 mL de H3PO4 0,1 M a partir de la disolución de H3PO4 1 M

Calcular el volumen necesario para preparar esta disolución y proceder como en el apartado

anterior

3) Valoración del H3PO4 0,1 M con NaOH 0,1 M y construcción de la curva de valoración

En un vaso de precipitados de 250 mL se introducen exactamente medidos con pipeta, 10 mL de

la disolución de H3PO4 0,1 M y se añaden aproximadamente 100 mL de agua destilada (para

que haya un volumen suficiente y el electrodo quede sumergido). Añadir unas gotas de naranja

de metilo y de fenolftaleína.

En la bureta de 25 mL se introduce la disolución de NaOH 0,1 M y se enrasa a cero

Colocar el vaso de precipitados con la disolución del ácido en la placa agitadora, sumergir el

electrodo y proceder a la valoración. Para ello añadir desde la bureta el hidróxido sódico,

agitando constantemente la disolución y midiendo el pH después de cada adición.

Representar gráficamente los valores de pH frente al volumen de NaOH añadido en mililitros.

Se deberá obtener una curva similar a la siguiente, donde el eje X sólo coincidirá si las

concentraciones son las mismas que las empleadas para la curva que se representa a

continuación. Los saltos de pH, sin embargo son independientes de la concentración tanto de

ácido como de base.

Recomendaciones:

Añadir la disolución de NaOH a intervalos de 1 mL hasta que se alcance un pH próximo a 2’5,

entonces se continuará añadiendo el NaOH a intervalos de 0,5 mL. Cuando se observe en una

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adición que el valor del pH varía considerablemente respecto de los anteriores, las adiciones

deberán ser aun más pequeñas.

Actuar del mismo modo en las siguientes etapas incrementando el volumen adicionado cuando

los cambios de pH producidos sean pequeños.

Gestión de residuos: Introducir las disoluciones en el frasco etiquetado como “disoluciones

fosfórico”

B) Disolución tampón

En muchos procesos químicos es necesario que el pH de la disolución permanezca constante.

Por ejemplo, a nivel industrial en el tratamiento de las aguas residuales, en los procesos de

electrodeposición y en la manufactura de materiales fotográficos. También es muy importante

mantener el pH constante, en muchas de las reacciones que tienen lugar en los sistemas vivos, ya

que en los procesos metabólicos la función de las proteínas depende de su estructura y esta

depende del pH. Por ejemplo, el pH de la sangre debe ser próximo a 7,4; el pH de la saliva es

próximo a 6,8 y las enzimas del estómago sólo actúan a un pH de, aproximadamente, 1,5.

Una disolución que tiene la propiedad de mantener un pH prácticamente constante aun cuando

se le adicionen cantidades moderadas de ácidos o de bases, es denominada disolución reguladora

de pH o disolución tampón. Las disoluciones reguladoras contienen o bien un ácido débil y una

sal del ácido débil o bien una base débil y una sal de la base débil; los dos componentes de la

disolución deben encontrarse en proporciones aproximadamente iguales.

1) Preparación de una disolución tampón de pH=7

Método A: Utilizando la curva obtenida.

Determinar la cantidad de hidróxido sódico necesaria para alcanzar este pH por mezcla de la

disolución de ácido fosfórico comprobar el resultado midiendo el pH. Proceder para obtener un

total de 25mL.

Método B: Utilizando una sal del ácido.

El monohidrogenofosfato que se requiere se produce "in situ" mediante la reacción (1). Para ello

se mezclan volumenes determinados de disoluciones de hidróxido sódico y dihidrogenofosfato

potásico o sódico.

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OH- + H2PO4- HPO4

= + H2O

Pesar 0,7 g. de dihidrogenofosfato sódico y disolverlo con unos 20 mL de agua destilada.

Calcular la cantidad necesaria de disolución de NaOH 0,1 M para conseguir una disolución de

pH=7. Medir el pH.

2) Comprobación del poder tamponante

Poner en dos vasos de 25 mL dos porciones de 20 mL cada una de la disolución tampón

anteriormente preparada, a la primera de ellas añadir 1 mL de HCl 0,1 M y a la segunda 1 mL

de NaOH 0,1M. Repetir este mismo ensayo con 20mL de agua destilada. Y medir el pH en cada

uno.

Gestión de residuos: Introducir las disoluciones tampón en el frasco etiquetado como

“tampón pH=7”

C) Preparación del pirofosfato tetrasódico.

Colocad 1.5 g de monohidrogenofosfato sódico en un tubo de ensayo Pyrex y calentad

hasta eliminar toda el agua. Sacad el producto del tubo y pesadlo una vez enfriado.

Realizar IR y comparar con la muestra pura.

Gestión de residuos: Introducir el sólido en el frasco etiquetado como “pirofosfato”