Acide phosphorique

Acide minéral obtenu par traitement de roches phosphatées ou par combustion du phosphore, l’acide phosphorique, de formule H3PO4, est important en chimie minérale (les engrais phosphatés) et fondamental en biochimie (génome, vecteur d’énergie, ossification).

A température ambiante, l’acide phosphorique est un solide cristallin de densité 1,83, qui fond à 42,4 °C. C’est un oxotriacide minéral capable de céder trois protons en formant successivement trois bases conjuguées :
dihydrogénophosphate [H2PO4]- (pKa = 2,12), hydrogénophosphate [HPO4]2- (pKa = 7,21)et orthophosphate [PO4]3- (pKa = 12,67). Le pKa de l’hydrogénophosphate amène cet anion à être employé pour la préparation de solutions tampon proches du pH physiologique.

L’acide phosphorique est généralement obtenu selon la voie humide dans un réacteur (digesteur) du phosphate naturel (fluorophosphate de calcium principalement) par attaque à l’acide sulfurique concentré (cf. Acide sulfurique) à 80 °C :
Ca10(PO4)6F2 + 10 H2SO4 + 20 H2O ------> 6 H3PO4 + 10 CaSO4,2H2O + 2 HF
On obtient deux phases principales : liquide (solution d’acide phosphorique) et solide (sulfate de calcium, cf. Plâtre). Selon les procédés, qui se distinguent par l’état d’hydratation du sulfate de calcium dénommé pour l’occasion phosphogypse, on obtient :

    • un acide à 30 % basé sur l’anhydride phosphorique (P2O5) qui est ensuite concentré par évaporation (procédés Rhône-Poulenc, Prayon) et le dihydrate CaSO4,2H2O,
    • un acide à 40 % de P2O5, mais procédé délicat à maîtriser et accompagné de l’hémihydrate CaSO4,0,5H2O.

L’acide fluorhydrique (cf. Fluor) formé réagit en partie avec la silice présente dans le minerai pour donner de l’acide fluosilicique (H2SiF6), le reste est fixé pour éviter la pollution atmosphérique. Il est utilisé pour produire des fluosilicates et des fluorures.

L’acide phosphorique destiné à la fabrication de phosphates alimentaires peut être également élaboré par voie thermique par réduction de phosphate naturel, en présence de coke et de silice, au four électrique. Le phosphore obtenu est oxydé en l’anhydride P2O5, puis hydraté en acide. Cette voie, qui donne un acide de très haute pureté est peu à peu abandonnée au profit de la voie humide, suivie d’une purification par extraction liquide-liquide.

L’élimination du phosphogypse est effectuée par filtration. La quantité de phosphogypse formé est très importante : 5 t pour 3 t de phosphate naturel, conduisant à 1 t d’équivalent P2O5 (l’acide phosphorique à 75 % contient 54 % de P2O5). Pour une production mondiale dépassant les 30 Mt, cela représente quelques montagnes de gypse qui viennent épaissir les sédiments du plateau continental, avec les problèmes environnementaux correspondants… De ce fait, les usines de production sont construites en zone côtière et l’acide phosphorique est transporté vers les lieux de consommation par tankers spécialisés.

L’acide phosphorique est employé à plus de 90 % pour la fabrication des engrais minéraux où il est apporté sous forme de phosphate de calcium ou d’ammonium dans des compositions simples, binaires (NP ou PK) ou ternaires (NPK) par référence à la présence d’azote (N) sous forme de sels d’ammonium (cf. Ammoniac) et de potasse (K). La teneur en phosphore est toujours exprimée en équivalents P2O5.

Parmi les autres applications de l’acide phosphorique, on peut citer :

    • la fabrication des tripolyphosphates (lessives). Quoique très réglementée, elle représente encore 3 % de la consommation mondiale d’acide phosphorique,
    • les phosphates à usage alimentaire : ce sont des phosphates de sodium, de potassium ou de calcium. En jouant sur le rapport molaire métal/P et la température de neutralisation, on obtient les différents phosphates recherchés,
    • l’alimentation du bétail (4 % des débouchés) : phosphates de sodium, magnésium et calcium,
    • les traitements de surface des métaux. La phosphatation désigne plus particulièrement le traitement de l’acier par l’acide phosphorique, opération qui provoque la formation de phosphate de fer assurant une passivation et améliorant la tenue à la corrosion des revêtements de peinture.
    • les dérivés du phosphore élémentaire, lequel est obtenu par voie thermique, et destiné à la synthèse des chlorures de phosphore (chlorures, oxychlorure), pentasulfure, P2S5, anhydride phosphorique, destinés à élaborer divers produits organiques (composés organophosphorés) pour les industries des herbicides, élastomères, tensioactifs… ainsi que l’hypophosphate de sodium, NaPO2H2, utilisé dans le nickelage chimique. Les capacités annuelles mondiales de production de phosphore élémentaire sont de l’ordre de 1,6 Mt.

L’acide phosphorique et ses anions ne sont pas toxiques et se retrouvent de fait de manière incontournable dans les systèmes biologiques notamment par l’intermédiaire du triphosphate d’adénosine, ATP (cf. ATP/ADP) vecteur d’énergie dans les organismes vivants et des quatre nucléotides constitutifs de l’ADN (cf. ADN) et de l’ARN.

C’est aussi, sous la forme minérale d’hydroxypatite, Ca10(PO4)6(OH)2, un des constituants avec les glycosaminoglycanes, l’acide hyaluronique (cf. GAGsI et GAGsII) de la structuration des cellules osseuses : cette matrice minérale représente environ 70 % du poids de l’os sec.

Enfin, n’oublions pas que l’acide phosphorique est employé dans les boissons non alcoolisées comme régulateur de pH (E338) et principalement dans les sodas au cola (Coca Cola®, Pepsi Cola®), d’où la

Pensée du jour :
« Pour fortifier ses os, faut-il combiner le lait maternel au Coca Cola ? »

Sources :

Pour en savoir plus :

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