인산
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인산(燐酸, 틀:Llang)은 화학식이 인 약산이다. 오르토인산(틀:Llang)) 또는 인산(V)(틀:Llang))이라고도 한다. 순수한 인산은 무색의 고체이다.
세 개의 수소는 모두 다양한 정도의 산성이어서 분자로부터 H+ 이온(양성자)으로 떨어져 나갈 수 있다. 세 개의 H+ 이온이 모두 떨어져 나가게 되면 일반적으로 인산염(燐酸, 틀:Llang)이라고 하는 오르토인산 이온 PO43−이 된다. 하나 또는 두 개의 H+ 이온이 떨어져 나가면 인산 이수소 이온 틀:Chem 또는 인산 수소 이온 틀:Chem가 각각 생성된다. 오르토인산은 또한 유기인산염이라고 하는 에스터를 형성한다.[1]
인산은 무색, 무취, 비휘발성 시럽 액체인 85% 수용액의 형태로 화학 실험실에서 흔히 발견된다. 비록 인산이 강산의 엄격한 정의를 충족시키지는 못하지만, 85% 수용액은 피부를 심하게 자극하고 눈을 손상시킬 수 있다. "오르토인산"이라는 이름은 인산을 피로인산과 같은 다른 "인산"들과 구별하는 데 사용할 수 있다. 그럼에도 불구하고 "인산"이라는 용어는 보통 이 특정 화합물을 의미하며, 이것이 현재 IUPAC 명명법에 의한 이름이다.
제조
인산은 두 가지 일반적인 경로를 통해 산업적으로 생산된다.[2] 습식 공정에서 수산화인회석 칼슘과 같은 인산염 함유 광물은 황산으로 처리된다.[3]
플루오린인회석은 대체 원료이며, 이 경우에 플루오린화물은 불용성 화합물인 Na2SiF6로 제거된다. 인산 용액은 일반적으로 23–33% P2O5 (32–46% H3PO4)를 포함하고 있다. 이것은 약 54–62% P2O5 (75–85% H3PO4)를 함유하고 있는 상업용 인산을 생산하기 위해 농축될 수 있다. 추가로 물을 제거하면 P2O5 농도가 70% 이상(거의 100% H3PO4에 해당)인 초인산이 생성된다. 부산물로 황산 칼슘(석고)이 생성되고, 인산부생석고로 제거된다.
식품용 인산을 생성하기 위해 먼저 인광석을 전기아크로에서 코크스와 함께 환원시켜 인 원소를 만든다. 실리카도 첨가되어 규산 칼슘 슬래그가 생성된다. 인 원소는 용광로에서 증류되어 공기와 함께 연소돼 고순도의 오산화 인이 생성되며, 이를 물에 용해시켜 인산을 만든다.
이러한 두 가지 공정에서 생산된 인산은 불순물인 비소 및 기타 잠재적인 독성 화합물을 제거하기 위해 추가로 정제할 수 있다.
산성 특성
3개의 수소는 모두 산성이며, 해리 상수 pKa1 = 2.14, pKa2 = 7.20, pKa3 = 12.37이다. 따라서 수용액에서 인산은 매우 낮은 pH를 제외하고 대부분 3가지 음이온의 일부 조합으로 해리된다. 화학 평형식은 다음과 같다.
- H3PO4 + H2O ⇄ H3O+ + H2PO4− , Ka1= 7.25×10−3 , [pKa1 = 2.14]
- H2PO4−+ H2O ⇄ H3O+ + HPO42− , Ka2= 6.31×10−8 , [pKa2 = 7.20]
- HPO42−+ H2O ⇄ H3O+ + PO43− , Ka3= 3.98×10−13 , [pKa3 = 12.37]
용도
인산의 주된 용도는 비료이며, 생산량의 약 90%가 비료로 사용된다.[4]
| 용도 | 수천 톤의 수요(2006년) | 주요 인산염 유도체 |
|---|---|---|
| 비누 및 세제 | 1836 | 삼인산 나트륨 |
| 식품 산업 | 309 | 삼인산 나트륨 (Na5P3O10), 헥사메타인산 나트륨, 인산 삼나트륨, 피로인산 이나트륨, 알루미늄 인산 나트륨, 인산이수소 칼슘, 인산 이나트륨 (Na2HPO4), H3PO4 |
| 물 처리 | 164 | 헥사메타인산 나트륨, 삼인산 나트륨, 피로인산 사나트륨, 인산이수소 나트륨 (NaH2PO4), 인산 이나트륨 |
| 치약 | 68 | 인산 이칼슘 (CaHPO4), IMP, SMFP |
| 기타 용도 | 287 | 삼인산 나트륨 (Na3P3O9), TCP, APP, DAP, 인산 아연 (Zn3(PO4)2), 인산 알루미늄 (AlPO4, H3PO4) |
식품용 인산(첨가제 E338[5])은 다양한 콜라, 잼과 같은 식품 및 음료를 산성화하는 데 사용되어 톡쏘는 신맛을 내게 한다. 인산은 또한 방부제 역할을 한다.[6] 코카콜라를 포함하는 인산을 함유한 청량 음료는 때때로 인산염 소다 또는 인산염으로 불린다. 청량 음료의 인산은 치아 부식을 유발할 가능성이 있다.[7] 인산은 또한 신장결석을 형성하는 데 기여할 가능성이 있는데, 특히 이전에 신장결석을 가지고 있었던 사람들에게 그러하다.[8]
인산의 특정 용도들은 다음과 같다.
- 인산염 피막 처리 또는 부동태화에 의한 방청 처리
- 인-31 핵자기공명에 대한 외부 표준
- 인산형 연료 전지
- 활성탄 생산[9]
- 화합물 반도체 공정에서 인듐 인화물에 대해 선택적으로 인듐 갈륨 비소화물을 에칭하기 위해[10]
- 이산화 규소에 대해 선택적으로 질화 규소를 에칭하기 위한 미세 가공[11]
- 화장품 및 스킨케어 제품의 pH 조절제[12]
- 유제품, 식품 및 양조 산업에서의 살균제[13]
안전성
장기간의 규칙적인 콜라 섭취와 중년 후반의 여성(남성은 아님)의 골다공증 사이에 연관성이 있는 것으로 나타났다.[14] 이것은 인산의 존재 때문이라고 생각되었고, 여성에서의 위험성은 낮은 골밀도와 상관 관계가 있는 콜라를 많이 섭취하는 것과 함께 다이어트 콜라나 카페인이 없는 콜라보다 설탕과 카페인이 함유된 콜라에서 더 큰 것으로 나타났다.
적당한 농도의 인산 용액은 피부에 자극적이다. 농축된 용액과 접촉시 심각한 피부 화상과 영구적인 눈 손상을 일으킬 수 있다.[15]