リン酸のソースを表示

{{ Infobox 化合物
| name=リン酸
| 画像=[[Image:Phosphoric-acid-montage.png|270px|構造式、3Dスティックモデル、電気ポテンシャルモデル]][[Image:Phosphoric-acid-2D-dimensions.png|200px]]
| IUPAC名=リン酸
| 別名=オルトリン酸
| 分子式= H<sub>3</sub>PO<sub>4</sub>
| 分子量= 98.00
| 組成式=
| 式量=
| 形状=斜方晶系に属す不安定な結晶、またはシロップ状の無色の液体
| CAS登録番号= [7664-38-2]
| SMILES=OP(O)(O)=O
| 密度=1.834 | 相=（固体）
| 水への溶解度= 
| 溶媒2=  | 溶解度2=
| 溶媒3=  | 溶解度3=
| 融点=42.35 | 融点注=
| 沸点=213 | 沸点注=（分解）
| pKa=2.12, 7.21, 12.67
| pKb=
| 旋光度=
| 粘度=
| 屈折率=
| 出典=[http://www.nihs.go.jp/ICSC/icssj-c/icss1008c.html ICSC]}}

'''リン酸'''（リンさん、燐酸、{{lang-en-short|phosphoric acid}}）は、[[リン]]の[[オキソ酸]]の一種で、化学式 H<sub>3</sub>PO<sub>4</sub> の無機酸である。'''オルトリン酸'''（おるとりんさん、orthophosphoric acid）とも呼ばれる。リン酸骨格をもつ他の類似化合物群（[[ピロリン酸]]など）は'''リン酸類'''（リンさんるい、{{lang-en-short|phosphoric acids}}）と呼ばれている。リン酸類に属する化合物を「リン酸」と略することがある。[[リン酸化物]]に[[水]]を反応させることで生成する。生化学の領域では、リン酸イオン溶液は'''無機リン酸''' (Pi) と呼ばれ、[[アデノシン三リン酸|ATP]] や [[デオキシリボ核酸|DNA]] あるいは [[リボ核酸|RNA]] の[[官能基]]として結合しているものを指す。

==概要==
純粋なリン酸は斜方晶系に属す不安定な[[結晶]]、またはシロップ状の無色の液体。融点 42.35 ℃。水・[[アルコール]]・[[エーテル (化学)|エーテル]]に可溶。

[[生化学]]において最も重要な無機オキソ酸といっても過言ではなく、[[デオキシリボ核酸|DNA]]、[[アデノシン三リン酸|ATP]] を構成するため非常に重要。[[生化学]][[化学反応|反応]]では、低分子化合物の[[代謝]]においてリン酸が付加した[[化合物]]（[[リン酸エステル]]など）が中間体として用いられることが多い。また[[蛋白質|タンパク質]]の機能調節（またそれによる[[シグナル伝達]]）においてもリン酸化は重要である。これらのリン酸化は多くの場合 ATP を用い、特定のリン酸化[[酵素]]によって行われる。

このほか、[[肥料]]・[[洗剤]]の製造、[[エチレン]]製造の[[触媒]]、清涼剤（[[コーラ (飲料)|コーラ]]の酸味料など）、歯科用セメント、金属表面処理剤、ゴム乳液の凝結剤、医薬、微生物による廃水浄化など用途は幅広い。

==性質==
[[Image:Phosphoric-acid-3D-vdW.png|right|120px|Phosphoric]]
純粋な無水リン酸は常圧で融点 42.35 [[セルシウス度|℃]] の白色固体であり、[[融解]]後は無色透明な液体となる。液体無水リン酸は高い[[電気伝導性]]を示し、またかなり強い酸性媒体であり、ハメットの[[酸度関数]]では ''H'' <sub>0</sub> = - 5 を示す。

オルトリン酸という別名があるが、この別名が用いられる場合は[[ポリリン酸]]類と区別するという意味で用いられる。オルトリン酸は無機物であり、3 価のやや弱い[[酸]]である。極性の高い化合物であるため、水に溶けやすい。オルトリン酸を含むリン酸類の[[リン|リン原子]]の[[酸化数]]は +5 であり、[[酸素]]の酸化数は -2 、[[水素]]の酸化数は +1 である。

75 &ndash; 85 % の純粋な水溶液は、無色透明で無臭、揮発性のない粘性液体である。この高い粘度は[[ヒドロキシル基]]による[[水素結合]]によるものである。

一般的には 85% (d = 1.685 g/cm<sup>3</sup>）、[[モル濃度]]は 14.6 mol/dm<sup>3</sup>、[[規定度]]は 43.8 N の水溶液として用いられることが多い。高濃度では[[腐食性]]を持つが、希薄溶液にすると腐食性は下がる。高濃度の溶液では温度によりオルトリン酸とポリリン酸の間で[[化学平衡|平衡]]が存在するが、表記の簡略化のため市販の濃リン酸は成分の全てがオルトリン酸であると表記されている。
: <math>\rm 2 H_3PO_4 \quad \overrightarrow\longleftarrow \quad H_4P_2O_7 + H_2O</math>

===水溶液中の電離平衡===
3 価の酸であるため、水と反応すると電離して 3 つの[[水素イオン]] H<sup>+</sup> を放出する。

:{{chem|H|3|PO|4}} {{eqm}} H<sup>+</sup> + H<sub>2</sub>PO<sub>4</sub><sup>−</sup>
 <math> K_{a1}=\frac{[\mbox{H}^+][\mbox{H}_2\mbox{PO}_4^-]}{[\mbox{H}_3\mbox{PO}_4]}\simeq 7.5\times10^{-3}</math> (pK<sub>a1</sub> 2.12)

:H<sub>2</sub>PO<sub>4</sub><sup>−</sup> {{eqm}} H<sup>+</sup> + HPO<sub>4</sub><sup>2−</sup>
 <math>K_{a2}=\frac{[\mbox{H}^+][\mbox{HPO}_4^{2-}]}{[\mbox{H}_2\mbox{PO}_4^-]}\simeq 6.2\times10^{-8}</math> (pK<sub>a2</sub> 7.21)

:HPO<sub>4</sub><sup>2−</sup> {{eqm}} H<sup>+</sup> + PO<sub>4</sub><sup>3−</sup>
 <math> K_{a3}=\frac{[\mbox{H}^+][\mbox{PO}_4^{3-}]}{[\mbox{HPO}_4^{2-}]}\simeq 2.14\times10^{-13}</math> (pK<sub>a3</sub> 12.67)

1 段階目の[[電離]]により発生するアニオンは H<sub>2</sub>PO<sub>4</sub><sup>–</sup> である。以下同様に 2 段階目の電離により HPO<sub>4</sub><sup>2–</sup> が、3 段階目の電離により PO<sub>4</sub><sup>3–</sup> が発生する。25 ℃ における[[平衡反応式]]と[[酸解離定数]] ''K'' <sub>a1</sub>, ''K'' <sub>a2</sub>, ''K'' <sub>a3</sub> の値は上に示す通りであり、pKa の値もそれぞれp''K'' <sub>a1</sub> = 2.12, p''K'' <sub>a2</sub> = 7.21, p''K'' <sub>a3</sub> = 12.67（各 25 ℃）となる。1 段目はやや強く解離し 0.1 [[濃度#物質量/体積（モル濃度）|mol/dm<sup>3</sup>]] の水溶液では[[電離度]]は約 0.27 であり、3 段目の解離はきわめて弱く、[[中和滴定曲線]]でも第三当量点は現れない。

p''K'' <sub>a</sub> の値からも分かるように、オルトリン酸の[[共役塩基]]は幅広い pH に渡って存在することができる。この性質を利用し、[[リン酸塩]]としたものが緩衝溶液に用いられている。リン酸塩類は生物学の分野においても多々登場しており、特に [[デオキシリボ核酸|DNA]] や [[リボ核酸|RNA]]、[[アデノシン三リン酸]]などのリン酸化された糖がよく知られている。詳細については記事[[リン酸塩]]を参照のこと。

[[画像:Titration-H3PO4-NaOH.jpg|thumb|right|280px|[[水酸化ナトリウム]]水溶液による中和滴定曲線]]
酸解離に関する標準[[エンタルピー]]変化、[[ギブス自由エネルギー]]変化、[[エントロピー]]変化の値が報告されており<ref name=Parker>D.D. Wagman, W.H. Evans, V.B. Parker, R.H. Schumm, I. Halow, S.M. Bailey, K.L. Churney, R.I. Nuttal, K.L. Churney and R.I. Nuttal, The NBS tables of chemical thermodynamics properties, J. Phys. Chem. Ref. Data 11 Suppl. 2 (1982)</ref>、解離に伴いエントロピーの減少がおこるのは、電荷の増加に伴いイオンの[[水和]]の程度が増加し、電縮が起こり[[水]]分子の[[水素結合]]による秩序化の度合いが増加するからである<ref name=tanaka>田中元治　『基礎化学選書8　酸と塩基』　裳華房、1971年</ref>。

{| class="wikitable" style="text-align: center; white-space:nowrap;"
|-
! 　
!! style="white-space:nowrap"| <math>\mathit{\Delta} H^\circ</math>
!! style="white-space:nowrap"| <math>\mathit{\Delta} G^\circ</math>
!! style="white-space:nowrap"| <math>\mathit{\Delta} S^\circ</math>
!! style="white-space:nowrap"| <math> \mathit{\Delta} Cp^\circ</math>
|-
! style="white-space:nowrap"| 第一解離
| style="white-space:nowrap; background-color:#ffffff"| &minus;7.95 kJ/mol
| style="white-space:nowrap; background-color:#ffffff"| 12.26 kJ/mol
| style="white-space:nowrap; background-color:#ffffff"| &minus;67.8 J/mol K
| style="white-space:nowrap; background-color:#ffffff"| &minus;155 J/mol K
|-
! style="white-space:nowrap"| 第二解離
| style="white-space:nowrap; background-color:#ffffff"| 4.15 kJ/mol
| style="white-space:nowrap; background-color:#ffffff"| 41.13 kJ/mol
| style="white-space:nowrap; background-color:#ffffff"| &minus;123.9 J/mol K
| style="white-space:nowrap; background-color:#ffffff"| &minus;226 J/mol K
|-
! style="white-space:nowrap"| 第三解離
| style="white-space:nowrap; background-color:#ffffff"| 14.74 kJ/mol
| style="white-space:nowrap; background-color:#ffffff"| 70.45 kJ/mol
| style="white-space:nowrap; background-color:#ffffff"| &minus;188.7 J/mol K
| style="white-space:nowrap; background-color:#ffffff"| &minus;　 J/mol K
|-
|}

===縮合リン酸===
オルトリン酸を加熱すると[[脱水反応]]が起こる。150 ℃ で[[無水物]]となり、200 ℃ で 2 つのオルトリン酸が反応し徐々に[[ピロリン酸]]（二リン酸）H<sub>4</sub>P<sub>2</sub>O<sub>7</sub> が生成する。さらに高次の縮合リン酸 H<sub>n+2</sub>P<sub>n</sub>O<sub>3n+1</sub> も生成し、300 ℃ 以上では 1 つのリン酸ユニットにつき 1 つの水分子が脱離してメタリン酸（ポリリン酸）(HPO<sub>3</sub>)<sub>n</sub> が生成する<ref>[http://www.bartleby.com/65/ph/phsphracid.html phosphoric acid. The Columbia Encyclopedia, Sixth Edition. 2001-05]</ref>。メタリン酸はオルトリン酸が脱水縮合した化合物とみなすことが可能である。

<div style="float:right">[[Image:Tripolyphosphoric-acid-3D-vdW.png|140px]]</div><div style="float:right">[[Image:Trimetaphosphoric-acid-3D-vdW.png|100px]]</div>
いずれも複数の PO<sub>4</sub> 四面体を酸素原子を架橋として連結した構造であり、ポリリン酸は一般的に PO<sub>4</sub> 四面体が環状に連結した'''シクロリン酸'''（しくろりんさん、cyclophosphoric acid）である。

このような加熱により生成するポリリン酸の混合物は、高温において金属などに対する作用も激しくなり、[[ガラス]]でさえ侵すようになり、'''強リン酸'''（きょうりんさん）と呼ばれることもある。

それ以上の脱水は非常に難しいが、脱水したら[[五酸化二リン]]（十酸化四リン）が生成する。五酸化二リンは水と激しく反応する固体であり、[[乾燥剤]]としても用いられる。

==利用==
===ハロゲン化水素の調製===
リン酸と[[無機ハロゲン化物]]を反応させると、対応する[[ハロゲン化水素]]ガスが発生する。これは研究室レベルでハロゲン化水素を入手する簡単な方法である。
:NaCl(s)+H<sub>3</sub>PO<sub>4</sub>(l) &rarr; NaH<sub>2</sub>PO<sub>4</sub>(s)+HCl(g)
:NaBr(s)+H<sub>3</sub>PO<sub>4</sub>(l) &rarr; NaH<sub>2</sub>PO<sub>4</sub>(s)+HBr(g)
:NaI (s)+H<sub>3</sub>PO<sub>4</sub>(l) &rarr; NaH<sub>2</sub>PO<sub>4</sub>(s)+HI (g)

===皮膜処理===
{{Main|リン酸塩皮膜処理}}
リン酸は錆びた鉄の表面に存在する[[酸化鉄]]を不溶性のリン酸塩へと変換し、皮膜を生成することができる。この廃液処理は環境に配慮する必要がある。

===食品添加物===
リン酸塩としたものが[[食品添加物]]として用いられている。リン酸塩が身体に与える影響について、様々な議論が交わされている。

===肥料===
リン酸は[[窒素]]、[[カリウム]]と伴に[[肥料]]の三大要素であり、量的には肥料としての消費量が圧倒的に多い。[[リン鉱石]]を[[硫酸]]で処理しリン酸を可溶性とした、[[過リン酸石灰]]が最も多く生産されているが、[[硫酸イオン]]を含まずリン酸の含量の多い[[重過リン酸石灰]]も普及している。
: <math>\rm Ca_5OH(PO_4)_3 + 7 H_3PO_4 \longrightarrow 5 Ca(H_2PO_4)_2 + H_2O</math>

===赤外線吸収剤===
赤外線を吸収する性質を利用して赤外線吸収リン酸塩ガラス、赤外線吸収フィルム用樹脂、[[紫外線|UV]] カット化粧品などに用いられている。
また、この性質を利用して軍用では[[水和]]蒸気を[[煙幕]]として発生させる[[白リン弾]]や[[赤リン発煙弾]]がある。

==合成==
;熱合成法
:[[リン]]単体を燃焼させ[[五酸化二リン]]を生成させ、これを希薄なリン酸水溶液に溶解させることで純粋なリン酸が得られる。最も環境にやさしい合成法であるが、鉱山から採掘されたリン単体に含まれる不純物を取り除く必要がある。
::3H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>(aq) + Ca<sub>3</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>2</sub>(aq) + 6H<sub>2</sub>O(l) ↔ 2H<sub>3</sub>PO<sub>4</sub>(aq) + 3CaSO<sub>4</sub>(aq)+ 6H<sub>2</sub>O(l)
;湿式合成法
:約35％の[[硫酸]]を[[リン鉱石]]（[[リン酸カルシウム]]）と反応させることで得られる。
::3H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>(aq) + Ca<sub>3</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>2</sub>(aq) + 6H<sub>2</sub>O(l) ↔ 2H<sub>3</sub>PO<sub>4</sub>(aq) + 3CaSO<sub>4</sub>(aq)+ 6H<sub>2</sub>O(l)
::10H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>(aq) + 3Ca<sub>3</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>2</sub>・CaF<sub>2</sub> + 20H<sub>2</sub>O(l) ↔ 6H<sub>3</sub>PO<sub>4</sub>(aq) + 10(CaSO<sub>4</sub>・2H<sub>2</sub>O)+ 2HF(g)
:ろ過により精製可能であるが、[[フッ化水素酸]]などの不純物が混入することがあるため、熱合成法と比較すると純度が落ちる。

2008年度日本国内生産量は 152,976 [[トン|t]]、消費量は 37,625 t である<ref>[http://www.meti.go.jp/statistics/tyo/seidou/result/ichiran/02_kagaku.html 経済産業省生産動態統計・生産・出荷・在庫統計]平成20年年計による</ref>。

==リン酸イオン==
<div style="float:right">[[Image:Phosphate anion.svg|100px]]</div><div style="float:right">[[Image:Hydrogen phosphate.svg|100px]]</div><div style="float:right">[[Image:Dihydrogen phosphate.svg|100px]]</div>

[[Image:Phosphate-3D-vdW.png|right|100px|リン酸イオン]]
リン酸の第一段階電離により、'''リン酸二水素イオン'''（りんさんにすいそいおん、dihydrogenphosphate(1-), H<sub>2</sub>PO<sub>4</sub><sup>&minus;</sup>）、第二段階解離により'''リン酸水素イオン'''（りんさんすいそいおん、hydrogenphosphate(2-), HPO<sub>4</sub><sup>2&minus;</sup>）、第三段階解離により'''リン酸イオン'''（りんさんいおん、phosphate, PO<sub>4</sub><sup>3&minus;</sup>）を生成し、それぞれリン酸二水素塩、リン酸水素塩、[[リン酸塩]]の結晶中に存在する。

リン酸イオンは[[正四面体]]型構造であり、P&mdash;O 結合距離はリン酸アルミニウム結晶中で152 pmである。

==リン酸塩==
{{main|リン酸塩}}
'''リン酸塩'''（りんさんえん、phosphate）には正塩、および水素塩/[[酸性塩]]（リン酸水素塩、hydrogenphosphate / リン酸二水素塩、dihydrogenphosphate）が存在し、リン酸ナトリウム Na<sub>3</sub>PO<sub>4</sub> 水溶液は塩基性（pH～12）、リン酸水素ナトリウム Na<sub>2</sub>HPO<sub>4</sub> 水溶液は弱塩基性（pH～9.5）、リン酸二水素ナトリウム NaH<sub>2</sub>PO<sub>4</sub> 水溶液は弱酸性（pH～4.5）を示す。

[[アルカリ金属]]塩、[[アンモニウム]]塩は水に可溶であるが、[[アルカリ土類金属]]塩をはじめとしてその他のものは極めて難溶性であることが多い。

===リン酸塩鉱物===
[[Image:Apatite_violette_2(Portugal).jpg|thumb|right|200px|燐灰石]]
生物の作用によるもの、[[ペグマタイト]]などに含まれるものなどがあり、[[希土類]]元素、[[ウラン]]、[[トリウム]]などを含むものが多い。
* [[カコクセナイト]], Cacoxenite (AlFe<sub>24</sub>O<sub>6</sub>(OH)<sub>12</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>17</sub>・75H<sub>2</sub>O) 
* [[トルコ石]], Turquoise (CuAl<sub>6</sub>(PO<sub>4</sub>）<sub>4</sub>（OH）<sub>8</sub>'''&middot;'''4H<sub>2</sub>O) 
* [[モナズ石]], Monazite ((Ce,La,Nd,Th)PO<sub>4</sub>) 
* [[燐灰ウラン石]], Autunite (Ca(UO<sub>2</sub>)<sub>2</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>2</sub>・10-12H<sub>2</sub>O) 
* [[燐灰石]], Apatite (Ca<sub>5</sub>(OH,F)(PO<sub>4</sub>)<sub>3</sub>) 

==健康関連==
コーラなどの飲料・食品に酸味を与えるための廉価な添加物としてクエン酸などの代用に使われるが、これらによるリン酸の摂取と骨の密度の低下とが結びつけられている<ref>{{cite journal |author=Katherine L Tucker, Kyoko Morita, Ning Qiao, Marian T Hannan, L Adrienne Cupples and Douglas P Kiel |journal=Am. J Clin. Nut.|year=2006 |pmid=17023723 |volume=84 |issue=4 |pages=936–42 |title=Colas, but not other carbonated beverages, are associated with low bone mineral density in older women: The Framingham osteoporosis study}}</ref>。
逆にリンの摂取が少ないと骨密度が下がるという研究<ref>Elmståhl S, Gullberg B et al. :Increased incidence of fractures in middle-aged and elderly men with low intakes of phosphorus and zinc" Osteoporos Int 8(4), 1998, pp333-40. PMID 10024903</ref>もあるがこの研究は腸内でのリン酸とマグネシウム、カルシウムの結合の影響は考慮せず体内に吸収されたリンの量での研究である。またリン酸を含む飲料が尿によるカルシウム排出量に影響しないという研究<ref>Heaney RP, Rafferty K. "Carbonated beverages and urinary calcium excretion" American Journal of Clinical Nutrition 74(3), September 2001, pp343-347. PMID 11522558</ref><ref>Barger-Lux MJ, Heaney RP, Stegman MR. [http://www.ajcn.org/cgi/reprint/52/4/722?maxtoshow=&HITS=10&hits=10&RESULTFORMAT=&author1=Barger-Lux+&andorexactfulltext=and&searchid=1&FIRSTINDEX=0&sortspec=relevance&resourcetype=HWCIT "Effects of moderate caffeine intake on the calcium economy of premenopausal women"] American Journal of Clinical Nutrition, Vol. 52:722–725</ref>がある。[[リン]]自体は人体に必須のミネラルであり、厚生労働省が定めた摂取基準によれば 18 &ndash; 49 歳の成人の 1 日あたり目安量は男性 1050 mg、女性 900 mg、上限量は男女とも 3500 mg とされている<ref>[http://www.mhlw.go.jp/houdou/2004/11/h1122-2b.html 日本人の食事摂取基準（2005年版）]（厚生労働省）</ref>、しかしリン酸でなくても野菜、肉など生物に由来する食物に普通に含まれる元素である。

== 参考文献 ==
{{脚注ヘルプ}}
<div class="references-small"><references/></div>

==関連項目==
{{Commonscat|Phosphoric acid|リン酸}}
{{Commonscat|Phosphorus oxoacids|縮合リン酸}}
*[[高エネルギーリン酸結合]]
*[[リン酸塩]]
*[[亜リン酸]]

==外部リンク==
* [http://www.ilo.org/public/english/protection/safework/cis/products/icsc/dtasht/_icsc10/icsc1008.htm International Chemical Safety Card 1008]
* [http://www.npi.gov.au/database/substance-info/profiles/71.html National Pollutant Inventory - Phosphoric acid fact sheet]
*[http://www.cdc.gov/niosh/npg/npgd0506.html NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards]
*[http://www2.iq.usp.br/docente/gutz/Curtipot_.html Excel spreadsheet containing phosphoric acid titration curve, distribution diagram and buffer pH calculation]
*[http://genhydro.com/genhydro_US/msds/pH_Down_Wet.pdf General Hydroponics Liquid pH Down MSDS fact sheet]

{{官能基}}
{{水素の化合物}}
{{リンの化合物}}
{{chem-stub}}
{{DEFAULTSORT:りんさん}}
[[Category:無機化合物]]
[[Category:リンの化合物]]
[[Category:生化学]]
[[Category:オキソ酸]]