Axit Photphoric là gì? Tính chất và cách điều chế H3PO4?

1. Axit photphoric là gì?

Định nghĩa: Axit photphoric còn có những tên gọi khác là axit phosphoric, trihiđroxiđioxiđophotpho, Axit orthophotphoric.

Đây là một axit trung bình-yếu thường được gặp dưới dạng sirô không màu, không mùi, khó bay hơi. Dạng thô của axit này được chiết xuất từ ​​đá phốt phát, trong khi dạng tinh khiết hơn được sản xuất công nghiệp từ phốt pho (P) trắng. Axit photphoric tinh khiết thường ở trạng thái rắn kết tinh và ở dạng ít cô đặc

Công thức hóa học: H3PO4

Cấu trúc phân tử : Axit photphoric có 3 giai đoạn phân ly. Cấu trúc phân tử của axit này bao gồm 3 phân tử hydro liên kết với phân tử PO4. Trong cấu trúc tinh thể của Axit photphoric gồm có những tứ diện PO4 và liên kết với nhau bằng hidro.

H3P04 là một hóa chất độc hại nhưng những ứng dụng vô cùng quan trọng trong công nghiệp và đời sống, đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành sản xuất, đặc biệt là sản xuất phân bón và thuốc bảo vệ thực vật.

2. Tính chất vật lý, tính chất hóa học của Axit Photohoric:

2.1. Tính chất vật lý:

Axit photphoric là chất kết tinh trong suốt, tồn tại ở hai dạng là: chất rắn tinh thể không màu (tan vô hạn trong nước hoặc rượu, có cấu trúc tứ diện đều) và chất lỏng trong suốt (không màu, có vị chua). Thông thường, axit photphoric được sử dụng dưới dạng dung dịch đặc, nhớt, không màu ở nồng độ 85%.

Axit photphoric là axit ưa nước, dễ tan, tan vô hạn trong etanol (rượu) và nước theo bất kỳ tỉ lệ nào.

Có khối lượng riêng (mật độ) là: 1,87 g/cm3

Nhiệt độ nóng chảy Axit photphoric là: 42,35 độ C (dạng H3PO4.H2O có nhiệt độ nóng chảy = 29,32 độ C ) ;

Nhiệt độ phân huỷ: 213 độ C

2.2. Tính chất hóa học:

 Axit photphoric có tất cả các tính chất của một axit:

– Phân ly thuận nghịch theo 3 nấc:

 Axit photphoric là một axit ba có độ bền trung bình, trong dung dịch nước sẽ phân ly thuận nghịch theo 3 nấc như sau:

H3PO4 ↔ H + + H2PO4-  (Phân ly chính)

H2PO4 – ↔ H + + HPO4(2-)   (Phân ly kém)

HPO42 – ↔ H + + PO4(3-)   (Phân ly rất yếu)

Như vậy trong dung dịch axit photphoric có các ion H+, H2PO4-, HPO4(2-), PO4(3-) và các phân tử H3PO4 không phân ly.

– Làm quỳ tím chuyển thành màu đỏ.

– Tác dụng với oxit bazơ để tạo thành muối và nước:

2H3PO4 + 3Na2O → 2Na3PO4 + 3H2O

Khi phản ứng với bazơ, tùy theo tỉ lệ phản ứng có thể tạo thành các muối khác nhau, các sản phẩm của muối thay đổi tùy theo tốc độ phản ứng, chẳng hạn như muối axit, muối trung hòa hoặc hỗn hợp các muối đó.

Ví dụ:

KOH + H3PO4 → KH2PO4 + H2O

2KOH + H3PO4 → K2HPO4 + 2H2O

3KOH + H3PO4 → K3PO4 + 3H2O

– Tác dụng với kim loại đứng trước H2 tạo thành muối và giải phóng khí H2:

Ví dụ: 2H3PO4 + 3Mg → Mg3(PO4)2 + 3H2

– Khi tác dụng với muối sẽ cho ra muối mới và axit mới:

Ví dụ: H3PO4 + 3AgNO3 → 3HNO3 + Ag3PO4

– Axit Photphoric cũng mang tính oxi hóa – khử:

Trong H3PO4, P có mức oxi hóa +5 là mức oxi hóa cao nhất nhưng H3PO4 không có tính oxi hóa như HNO3 vì nguyên tử P có bán kính lớn hơn so với bán kính của N nên tỷ lệ điện dương trên P nhỏ dẫn đến năng lực nhận e kém .

– Phản ứng nhiệt phân:

Ở nhiệt độ 200-250°C và 400-500°C, axit photphoric thể hiện tính oxi hóa – khử khi xảy ra phản ứng nhiệt phân.

Dưới tính năng của nhiệt độ trong khoảng chừng từ 200 – 250 độ C. H3PO4 sẽ nhiệt phân theo phương trình sau đây: 

2H3 PO4 → H4P2O7 + H2O

Dưới công dụng của nhiệt độ trong khoảng chừng từ 400 – 500 độ C. H3PO4 sẽ nhiệt phân theo phương trình sau đây:

H4P2O7 → 2HPO3 + H2O .

3. Điều chế Axit Photphoric:

3.1. Trong phòng thí nghiệm:

Trong phòng thí nghiệm, axit phosphoric được điều chế bằng cách dùng axit nitric đặc HNO3 oxy hóa photpho ở nhiệt độ cao:

P + 5HNO3 (rắn) → H3PO4 + 5NO2 + H2O (nhiệt độ)

3.2. Trong công nghiệp:

Axit photphoric trong công nghiệp được sản xuất hầu hết qua hai giải pháp đó là quy trình nhiệt (phương pháp khô) và quy trình khí ẩm (phương pháp ướt). Cụ thể như sau

– Quy trình nhiệt (phương pháp khô): H3PO4 thu được bằng cách đốt cháy photpho nguyên tố để tạo photpho pentaoxit P2O5, P2O5 được hòa tan trong axit photphoric loãng rồi cho tiếp tục phản ứng với nước. Qua quá trình đốt phospho trong lò điện thì mọi tạp chất đã bị loại bỏ vì vậy ta sẽ thu được H3PO4 vô cùng tinh khiết.

P → P2O5 → H3PO4

4P + 5O2 → 2P2 O5 (nhiệt độ)

P2O5 + 3H2 O → 2H3 PO4

– Quy trình khí ẩm (phương pháp ướt hay còn gọi là phương pháp trích ly/chiết): Đây là cách dùng axit sunfuric đậm đặc trên quặng phốt phát để phân huỷ khoáng calcium phốt phát, thường được tìm thấy trong tự nhiên như quặng apatit.

Phản ứng: Ca3(PO4)2 + 3H2SO4 (đậm đặc) → 3CaSO4 (kết tủa) + 2H3PO4 (nhiệt độ)

H3PO4 được tạo thành sau đó được tách ra khỏi kết tủa bằng cách lọc và cô đặc. Tuy nhiên, axit H3PO4 thu được bằng phương pháp này không tinh khiết. Để thu được axit tinh khiết có nồng độ cao hơn người ta thường dùng phương pháp khô.  

4. Ứng dụng:

– Ứng dụng trong ngành nông nghiệp:

Trong nông nghiệp, Axit photphoric có ứng dụng vô cùng quan trọng đối với việc sản xuất phân bón. Axit photporic đậm đặc, hoàn toàn có thể chứa tới 70% – 75% P2O5 – nguyên liệu không thể thiếu dùng để điều chế muối photphat, sản xuất phân lân, sản xuất thuốc trừ sâu (hợp chất photpho), điều chế phân lân, thức ăn gia súc …

– Ứng dụng trong ngành công nghiệp:

Axit Photphoric có vai trò quan trọng trong công nghiệp với các ứng dụng như

+ Là chất phụ gia trong những loại đồ uống giải khát, mứt, thạch rau câu, pho mát hoặc để tạo hương thơm, tăng độ ngọt, tạo sự đậm đà cho thực phẩm bằng cách tích hợp với Hfcs (đã giải quyết và xử lý enzym) với mục tiêu để tạo thêm vị ngọt .

+ Là chất tẩm gỗ chống cháy và chống ăn mòn sắt kẽm kim loại. Axit photphoric còn là nguyên liệu để sản xuất thủy tinh, gạch men, giải quyết và xử lý nước, công nghệ xi mạ, sản xuất chất giặt tẩy rửa.

+ Là loại axit này cũng giúp làm chậm sự tăng trưởng của nấm mốc và vi trùng trong công thức đường nên được dùng làm chất dữ gìn và bảo vệ, bảo quản.

+ Độ pH của  Axit photphoric được ứng dụng để sản xuất những các sản phẩm từ sữa. Muối của axit photphoric có tính năng thay đổi đạm (protein), để cải tổ chất lượng của mẫu sản phẩm. Ví dụ về những loại sản phẩm từ sữa có chứa axit photphoric là sữa, bơ và phô mai .

 + Hóa chất axit photphoric còn được sử dụng trong dược phẩm.

5. Bài tập áp dụng:

Câu 1. Hấp thụ hoàn toàn 11,2 lít khí CO₂ (đktc) bằng một dung dịch chứa 20 g NaOH. Muối được tạo thành là:

Hướng dẫn giải:

n_CO2= 11,2/22,4 = 0,5 mol;

n_NaOH = 20/ 40 = 0,5 mol

T = n_NaOH/n_CO2 = 0,5/0,5 = 1 mol

Sau phản ứng thu được muối NaHCO₃

Câu 2. Hoà tan 6,2 g natri oxit vào 193,8 g nước thì được dung dịch A. Nồng độ phần trăm của dung dịch A là:

Hướng dẫn giải:

nNa₂O = mNa₂O/M_Na2O =6,22/(23 + 16) = 0,1 (mol)

Phương trình hóa học:

Na₂O + H₂O → 2NaOH

0,1          0,1     0,2

Theo phương trình hóa học:: n_NaOH = 2nNa₂O = 2.0,1 = 0,2 (mol)

⟹ m_NaOH = n_NaOH. M_NaOH = 0,2.40 = 8 (g)

Khối lượng dung dịch sau là: m_{dd sau} = mNa₂O + mH₂O = 6,2 + 193,8 = 200 (g)

Dung dịch A thu được là dung dịch NaOH

Nồng độ phần trăm C%NaOH = m_NaOH/m_ddsau.100% = 8/200.100% = 4 %

Câu 3. Cho a gam P₂O₅ tác dụng với 507 ml dung dịch NaOH 2M, sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được dung dịch A. Cô cạn dung dịch A thu được 6a gam chất rắn. Giá trị của a là

Hướng dẫn giải:

Xét trường hợp 1:

P₂O₅và NaOH pứ vừa đủ tạo muối:

n_H2O = n_NaOH = 1,014 mol.

P₂O₅+ H₂O →  2H₃PO₄

a/142 → 2a/142 mol

Có thể xảy ra các phương trình hóa học sau:

H₃PO₄ + NaOH → NaH₂PO₄+ H₂O (3)

H₃PO₄ + 2NaOH → Na₂HPO₄+ 2H₂O (4)

H₃PO₄ + 3NaOH → Na₃PO₄+ 3H₂O (5)

Áp dụng bảo toàn khối lượng ta có:

m_H3PO4 + m_NaOH= m_rắn + m_H2O

(2a/142).98 + 1,014.40 = 6a + 1,014.18

→ a = 13,772 gam (loại).

Trường hợp 2: Chất rắn gồm: NaOH dư; Na₃PO₄

P₂O₅ + 6NaOH→ 2Na₃PO₄ + 3H₂O

a/142 1,014 2a/142 3a/142

Áp dụng bảo toàn khối lượng:

m_P2O5 + m_NaOHbđ = m_rắn + m_H2O

a + 0.507.2.40 = 3a + 18.6a/142 => a = 17,04 gam.

Câu 4. Đốt hoàn toàn m gam photpho trong oxi dư, rồi cho sản phẩm tác dụng với dung dịch NaOH dư, thu được 41,0 gam muối. Giá trị của m là

Hướng dẫn giải:

Phương trình phản ứng xảy ra

4P + 5O₂ → 2P₂O₅

P₂O₅+ 6NaOH dư → 2Na₃PO₄ + 3H₂O

=> n_Na3PO4 = 41/164 = 0,25 (mol)

Bảo toàn nguyên tố P  ta có

n_P = n_Na3PO4 = 0,25 (mol)

=> m_P = 0,25.31 = 7,75 (gam)

Câu 5. Cho 7,1 gam P₂O₅ vào 100 ml dung dịch NaOH 1,5M thu được dung dịch X. Cô cạn dung dịch X được hỗn hợp gồm các chất là

Hướng dẫn giải:

Ta có

n_P2O5 = 0,05 mol;

n_NaOH= 0,15 mol = 3n_P2O5

=> Phản ứng tạo ra 2 muối là NaH₂PO₄ và Na₂HPO₄

Phương trình phản ứng

P₂O₅ + 2NaOH + H₂O → 2NaH₂PO₄

P₂O₅ + 4NaOH →  2Na₂HPO₄ + H₂O