P2O5 + KOH → KH2PO4 + H2O

Phản ứng giữa P₂O₅ và KOH là một điển hình cho phản ứng giữa oxit axit và bazơ mạnh, mang lại các sản phẩm muối photphat có nhiều ứng dụng thực tiễn. Việc phân tích sâu cơ chế phản ứng, điều kiện phản ứng, cũng như mối liên hệ với phản ứng hấp thụ CO₂ giúp người học mở rộng tư duy từ một phản ứng cơ bản sang các ứng dụng và bài toán vận dụng cao trong hóa học vô cơ và môi trường.

Phương trình hóa học

\[P_2O_5 + KOH + H_2O \rightarrow 2KH_2PO_4\]

Phương trình đã cân bằng:

\[P_2O_5 + 2KOH + H_2O \rightarrow 2KH_2PO_4\

Ngoài ra, nếu sử dụng KOH dư hoặc lượng nước đủ để thủy phân hoàn toàn P₂O₅, phản ứng có thể tạo ra muối photphat axit, như:

\[P_2O_5 + 4KOH \rightarrow 2K_2HPO_4 + H_2O \quad (\text{nếu môi trường dư oxi axit theo tỉ lệ 1:4})\]

\[P_2O_5 + 6KOH \rightarrow 2K_3PO_4 + 3H_2O \quad (\text{nếu môi trường oxit axit dư theo tỉ lệ 1:6})\]

Điều kiện phản ứng

Phản ứng tự phát, xảy ra ngay khi hai chất tiếp xúc nhau ở điều kiện thường. Cụ thể:

• Phản ứng xảy ra dễ dàng ở nhiệt độ phòng.
• Có thể xảy ra trong dung dịch nước hoặc ở trạng thái rắn-nóng chảy.
• Không cần xúc tác hoặc áp suất cao.
• Tính thuận chiều, không thuận nghịch.

Phản ứng giữa P₂O₅ và KOH là phản ứng hóa học nhiều nấc xảy ra giữa một oxit axit mạnh (P₂O₅) và một bazơ mạnh (KOH), nhằm tạo ra muối trung hoặc hoặc muối axit với gốc photphat tương ứng tùy thuộc vào tỉ lệ phản ứng. Sản phẩm KH₂PO₄ được tạo ra khi tỉ lệ giữa P₂O₅:KOH = 1:2.

P₂O₅ có ái lực rất mạnh với nước, và khi phản ứng với KOH trong dung dịch nước thì luôn sinh ra các sản phẩm tương ứng tùy vào số mol của bazơ cung cấp.

Nguyên lý phản ứng và cơ chế tạo muối photphat

Phản ứng giữa P₂O₅ và KOH là một phản ứng trao đổi axit – bazơ mở rộng, xảy ra giữa oxit axit (P₂O₅) và bazơ (KOH), tạo muối và nước.

Giai đoạn 1:

P₂O₅ tác dụng với nước tạo ra H₃PO₄:

\[P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4\]

Giai đoạn 2:

Axit photphoric sau đó phản ứng với KOH theo tỉ lệ mol khác nhau, tạo ra muối axit (KH₂PO₄) nếu KOH thiếu với tỉ lệ 1:2

\[H_3PO_4 + 2KOH \rightarrow K_2HPO_4 + 2H_2O\]

Thực hiện phản ứng

Chuẩn bị

Hóa chất:

• P₂O₅ tinh khiết (dạng bột trắng khan).
• Dung dịch KOH có nồng độ xác định.

Dụng cụ:

• Ống nghiệm hoặc cốc thủy tinh chịu nhiệt.
• Cân phân tích (nếu cần định lượng).
• Đũa khuấy thủy tinh, pipet, cốc đong.
• Dụng cụ bảo hộ: găng tay, kính, tủ hút khí.

Thực hiện

1. Cân lượng nhỏ P₂O₅ (khoảng 1–2 gam).
2. Hòa tan lượng xác định KOH vào nước cất (nồng độ 1M hoặc cao hơn).
3. Thêm từ từ P₂O₅ vào dung dịch KOH trong khi khuấy đều.
4. Phản ứng xảy ra nhanh chóng, có thể sinh nhiệt nhẹ.

Lưu ý

• Phản ứng tỏa nhiệt nên cần cho từ từ P₂O₅ vào dung dịch, tránh bỏ một lần.
• Không để P₂O₅ tiếp xúc không khí lâu vì sẽ hút ẩm mạnh.
• Không nên hít bụi P₂O₅, vì nó phản ứng mạnh với nước trong màng nhầy hô hấp.

Nhận biết phản ứng đang xảy ra và kiểm tra sản phẩm

Dấu hiệu nhận biết phản ứng:

• Dung dịch ấm lên nhẹ (do tỏa nhiệt).
• P₂O₅ tan nhanh trong dung dịch KOH, không còn chất rắn.

Nhận biết sản phẩm KH₂PO₄ hoặc muối photphat axit:

• Kiểm tra bằng chỉ thị pH:
  • K₃PO₄: dung dịch bazơ nhẹ, có khả năng làm quỳ tím chuyển xanh.
  • K₂HPO₄: dung dịch bazơ yếu, gần trung tính nhưng có khả năng làm quỳ tím chuyển xanh.
  • KH₂PO₄: dung dịch gần trung tính hoặc hơi axit → quỳ tím hồng nhẹ.
• Phản ứng với dung dịch bạc nitrat (AgNO₃):
  • Ion PO₄³⁻ tạo kết tủa màu vàng nhạt:

\[PO_4^{3-} + 3Ag^+ \rightarrow Ag_3PO_4 \downarrow\]

• Thử bằng dung dịch bari clorua (BaCl₂):
  • Tạo kết tủa trắng Ba₃(PO₄)₂ không tan:

\[2PO_4^{3-} + 3Ba^{2+} \rightarrow Ba_3(PO_4)_2 \downarrow\]

Kali Hydroxide (KOH)

KOH là một base ion hóa mạnh, phản ứng cực kỳ linh hoạt do sự hiện diện của OH⁻ giàu electron và K⁺ trơ, dễ tan. Nó thể hiện rõ vai trò:

• Là base mạnh trong vô cơ và hữu cơ.
• Là chất phản ứng “điểm khởi đầu” cho nhiều chuỗi tổng hợp hóa học.
• Là công cụ điều chỉnh pH, xúc tác chuyển hóa, phân tích định tính và tạo muối.

Từ góc nhìn điện tử, bản chất OH⁻ chính là “tâm phản ứng” – nơi hội tụ mật độ điện tích âm, sẵn sàng tấn công H⁺ hoặc C=O, trong khi K⁺ làm nền cho sự cân bằng điện tích và khả năng hòa tan.

Cấu trúc tinh thể và phân ly

KOH là hợp chất ion, tồn tại ở trạng thái rắn dưới dạng mạng tinh thể ion gồm các ion K⁺ và OH⁻, liên kết với nhau bằng lực hút tĩnh điện.

Khi tan trong nước, KOH phân ly hoàn toàn:

\[KOH \to K^+ + OH^-\]

Đây là quá trình không thuận nghịch trong dung dịch loãng vì năng lượng phân ly được bù đắp bằng năng lượng solvat hóa rất mạnh (đặc biệt cho ion OH⁻).

KOH là một bazơ mạnh hoàn toàn, không tồn tại phân tử KOH tự do trong dung dịch, mà chỉ có ion.

Cấu trúc điện tử và ý nghĩa hóa học

KOH là một hợp chất ion gồm hai thành phần chính: cation K⁺ (kali dương) và anion OH⁻ (hydroxit). Trong trạng thái rắn, chúng được sắp xếp thành mạng tinh thể ion thông thường, liên kết với nhau bằng lực hút tĩnh điện. Khi tan trong nước, KOH phân ly hoàn toàn thành các ion riêng biệt: K⁺ và OH⁻. Không còn tồn tại phân tử KOH ở dạng nguyên vẹn trong dung dịch loãng.

K⁺: cation nhóm IA

Cấu hình electron: [Ar] Không có electron chưa ghép đôi, không còn lớp ngoài cùng nên trơ về mặt oxi hóa – khử, chỉ tham gia các tương tác tĩnh điện (ion – ion, ion – phân cực). Bán kính lớn, mật độ điện tích thấp, dễ tan, dễ khuếch tán trong nước.

OH⁻: anion nhỏ, phân cực mạnh – Tính base cực mạnh

KOH là một trong những bazơ mạnh nhất trong hóa học, tương đương với NaOH. Khi tan trong nước, nó tạo thành dung dịch có pH gần 14, tức là môi trường cực kỳ kiềm. Điều này xảy ra vì ion hydroxit (OH⁻) có khả năng hút proton rất mạnh, tạo ra nước trong quá trình đó làm cho sự phân ly trở nên hoàn toàn và không thuận nghịch.

Cụ thể, khi OH⁻ gặp một proton tự do (ví dụ từ một axit), chúng kết hợp thành nước – một phân tử rất bền về mặt năng lượng. Đây là lý do tại sao KOH phản ứng hoàn toàn và nhanh chóng với hầu hết các axit để tạo thành muối và nước.

\[OH^- + H^+ \to H2O \quad K = 10^{14}\]

Đây là phản ứng cực kỳ tỏa nhiệt, bù lại năng lượng phân ly ban đầu giải thích vì sao KOH có tính base cực mạnh.

Tính chất hóa học tổng quát

KOH thể hiện đầy đủ tính chất của bazơ mạnh tan hoàn toàn trong nước, với các đặc điểm:

• Tạo dung dịch có pH ~14, ăn mòn protein, là chất hữu cơ có tính ăn da mạnh.
• Phản ứng với acid tạo muối và nước (trung hòa hoàn toàn).
• Phản ứng với oxit acid tạo muối.
• Phản ứng với muối phản ứng trao đổi ion.
• Tham gia các phản ứng thủy phân base của ester, amid,…
• Hút CO₂ từ không khí tạo K₂CO₃ và KHCO₃.
• Là chất khử nước yếu, nhưng là chất thủy phân mạnh.
• Phản ứng oxi hóa – khử đặc biệt trong môi trường kiềm.

Phản ứng đặc trưng và cơ chế điện tử

Phản ứng trung hòa với acid

\[KOH + HCl \to KCl + H_2O\]

Tổng quát:

\[AOH + HX \to AX + H_2O\]

KOH phản ứng với mọi axit mạnh hoặc yếu để tạo thành muối kali và nước. Cơ chế đơn giản: ion OH⁻ nhận proton từ axit, hình thành nước. Phản ứng này xảy ra hoàn toàn, giải phóng nhiều nhiệt và được ứng dụng rộng rãi trong trung hòa hóa học.

Phản ứng với oxit acid (P₂O₅, SO₂, CO₂, Cl₂O,…)

KOH có thể thủy phân các hợp chất như ester và amide, biến chúng thành muối của acid và rượu hoặc amoniac. Cơ chế thường bắt đầu bằng việc OH⁻ tấn công vào nguyên tử carbon của nhóm cacbonyl (C=O), sau đó phân cắt liên kết để tạo sản phẩm. Đây là những phản ứng kiểu axit–bazơ Lewis, nơi OH⁻ là base.

\[2KOH + CO_2 \to K_2CO_3 + H_2O\]

\[KOH + SO_2 \to KHSO_3\]

Phản ứng với muối tạo kết tủa hydroxide kim loại

\[FeCl_3 + 3KOH \to Fe(OH)_3 \downarrow + 3KCl\]

OH⁻ phản ứng với ion kim loại trung tâm → tạo hydroxit không tan. Mức độ kết tủa phụ thuộc vào hằng số Ksp và pH dung dịch.

Phản ứng với hợp chất hữu cơ – thủy phân

• Ester: \[RCOOR’ + KOH \to RCOOK + R’OH\]

• Amide: \[RCONH_2 + KOH \to RCOOK + NH_3\]

Cơ chế: OH⁻ tấn công điện tích δ⁺ trên C=O → mở vòng trung gian tetrahedral → phân cắt tạo sản phẩm. Đây là phản ứng kiểu nucleophilic acyl substitution trong môi trường base.

Phản ứng khử nước yếu (trái ngược với P₂O₅)

KOH không phải chất hút nước mạnh, nhưng có thể loại nước trong phản ứng tách nước nội phân tử, khi có xúc tác nhiệt:

\[C_2H_5OH \xrightarrow{[KOH,t°]} C_2H_4 + H_2O\]

1. Phản ứng đặc biệt – KOH trong môi trường nhiệt cao
2. Phản ứng với kim loại amphoteric (Al, Zn)

\[2Al + 2KOH + 6H_2O \to 2K[Al(OH)_4] + 3H2 \uparrow\]

Một số kim loại như nhôm hoặc kẽm có thể phản ứng với KOH trong môi trường nước, sinh ra khí hydro và tạo thành phức chất hydroxo. Ví dụ, nhôm phản ứng với KOH trong nước sẽ tạo ra phức tetrahydroxoaluminate kali và giải phóng khí hydro. Đây là phản ứng oxy hóa – khử điển hình trong môi trường kiềm, với OH⁻ vừa làm base, vừa làm phối tử.

Cơ chế:

• OH⁻ làm môi trường base và phối tử.
• Al bị oxi hóa → ion Al³⁺ → tạo phức bền với OH⁻.
• H₂ sinh ra do mất electron từ kim loại.

Phản ứng với halogen

\[Cl_2 + 2KOH \to KCl + KClO + H2O\]

Ở nhiệt độ thấp, clo có thể phản ứng với dung dịch KOH tạo thành hỗn hợp kali clorua và kali hypoclorit (KCl và KClO), được dùng trong chất tẩy trắng. Ở nhiệt độ cao, sản phẩm thay đổi thành kali clorat (KClO₃), ứng dụng trong chất nổ và pháo hoa.

\[3Cl_2 + 6KOH \to 5KCl + KClO_3 + 3H_2O\]

Tính ăn mòn và ứng dụng công nghiệp

KOH là chất rắn màu trắng, hút ẩm mạnh, dễ tan trong nước, tan nhanh hơn và tạo dung dịch đậm đặc hơn so với NaOH. Do đó, nó thường được dùng khi cần dung dịch kiềm mạnh, nhưng không muốn tăng áp suất thẩm thấu quá nhiều.

Vì có khả năng phân hủy chất hữu cơ, protein và dầu mỡ, KOH được sử dụng nhiều trong công nghiệp làm sạch, xà phòng hóa, sản xuất chất tẩy rửa, dung dịch điện phân trong pin alkaline, xử lý dầu mỏ và xử lý nước thải.

Trong phòng thí nghiệm, KOH thường được dùng như một chất tạo môi trường kiềm, chất hút CO₂ hoặc chất nền cho nhiều phản ứng hữu cơ cần base mạnh nhưng không tạo muối phụ khó kiểm soát.

Oxi axit – diphosphorus pentoxide (P₂O₅)

Cấu trúc phân tử và tính chất vật lý cơ bản

P₂O₅ (diphosphorus pentoxide) là oxit bền nhất của phospho, có công thức thực tế là P₄O₁₀. Cấu trúc của nó là một phân tử khung tứ diện ba chiều gồm 4 nguyên tử P nằm ở các đỉnh của một tứ diện, liên kết với nhau qua các cầu nối O và các nhóm P=O. Cụ thể, mỗi nguyên tử phospho gắn với 1 nhóm P=O và 3 nhóm PO (cầu nối), tạo thành mạng lưới dạng lồng (adamantane-like cage).

Mỗi nguyên tử P trong P₄O₁₀ đạt trạng thái lai hóa sp³, và đều có số oxi hóa +5. Tất cả các nguyên tử oxy đều ở trạng thái oxi hóa −2, và không có electron chưa ghép đôi – khác biệt so với các oxit kiểu superoxit hoặc peroxit.

Do liên kết P=O có năng lượng liên kết rất lớn, đồng thời mạng tinh thể phân tử được cố định bởi nhiều cầu nối PO–P, P₂O₅ là một chất rắn rất bền nhiệt, dễ thăng hoa nhưng không dễ phân hủy ở điều kiện thường. Nó là một chất hút ẩm cực mạnh và tác nhân khử nước mạnh bậc nhất trong hóa học vô cơ và hữu cơ.

Tính chất hóa học tổng quát

Là một oxit axit mạnh, P₂O₅ thể hiện tất cả các tính chất đặc trưng của oxit acid phi kim:

• Phản ứng mãnh liệt với nước tạo axit phosphoric.

\[P_2O_5 + 3H_2O \to 2H_3PO4\]

• Phản ứng với base, oxit bazơ tạo muối phosphate.

\[P_2O_5 + 3Na_2O \to 2Na_3PO_4\]

\[P_2O_5 + 6KOH \rightarrow 2K_3PO_4 + 3H_2O\]

• Phản ứng khử nước với hợp chất hữu cơ hoặc acid có nhóm –OH.

\[P_2O_5 + C_2H_5COOH \to  (CH_3CO)_2O + 2HPO_3\]

• Có khả năng tạo dẫn xuất polyphosphoric acid hoặc metaphosphoric acid.

\[nP_2O_5 + (n+2)H_2O \xrightarrow{đkpư} 2H_{n+2}P_nO_{3n+1}\]

Tất cả những tính chất trên đều bắt nguồn từ cấu trúc điện tử của phospho (3s² 3p³), khi ở trạng thái oxi hóa +5, có orbital d trống, cho phép mở rộng liên kết đến hơn 4 liên kết sigma – tức có thể tạo các cấu trúc mạng lớn và dễ dàng hút nhóm –OH để tạo liên kết mới.

Phản ứng đặc trưng và cơ chế phân tử

Phản ứng với nước – tạo H₃PO₄:

\[P_2O_5 + 3H_2O \to 2H_3PO_4\]

Cơ chế phản ứng là quá trình thủy phân liên kết P–O–P trong P₄O₁₀, từng nhóm P=O bị tấn công bởi phân tử nước tại vị trí phospho điện dương. Mỗi lần tấn công dẫn đến việc mở một liên kết cầu PO–P và hình thành nhóm –OH, kết quả là chuyển dần cấu trúc mạng oxit thành phân tử H₃PO₄. Phản ứng này tỏa nhiệt mạnh, và xảy ra mãnh liệt ngay cả với hơi nước trong không khí.

Điểm đặc biệt là tùy lượng nước dùng mà ta có thể điều khiển phản ứng theo các mức:

• Với nước dư, thu được H₃PO₄ (orthophosphoric acid).
• Với nước ít hơn, thu được các dẫn xuất như H₄P₂O₇ (acid pyrophosphoric) hoặc (HPO₃)ₙ (metaphosphoric acid), phản ánh khả năng điều chỉnh mạng phosphat.

Phản ứng với base hoặc oxit bazơ

P₂O₅ phản ứng với dung dịch kiềm như NaOH hoặc với oxit bazơ như CaO để tạo muối phosphate:

\[P_2O_5 + 6NaOH \to 2Na_3PO_4 + 3H_2O\]

Hoặc:

\[P_2O_5 + 3CaO \to Ca3(PO4)2\]

Phản ứng này là một quá trình trung hòa acid–base kiểu oxit, trong đó ion O²⁻ từ base hoặc base oxide phối hợp với nhóm P⁵⁺ điện dương. Mỗi P tạo thành anion PO₄³⁻, tạo liên kết bền với các cation kim loại. Phản ứng thường được tiến hành ở trạng thái nóng chảy, đặc biệt trong công nghiệp sản xuất phân lân (superphosphate).

Cơ chế phản ứng phản ánh khả năng phân cực mạnh của liên kết P=O và tính chất điện dương của phospho khi ở trạng thái oxi hóa cao, khiến nó dễ dàng kết hợp với OH⁻ hoặc O²⁻ để ổn định điện tích.

Phản ứng khử nước với hợp chất hữu cơ

Một trong những tính chất hóa học đặc biệt nhất của P₂O₅ là khả năng khử nước hợp chất hữu cơ – đặc biệt là các hợp chất chứa nhóm –OH như alcohol, acid carboxylic, amid,…

Ví dụ:

• Khử nước alcohol tạo ete hoặc olefin:

\[RCH_2CH_2OH \xrightarrow{[P_2O_5]} RCH=CH_2 + H2O\]

• Khử nước acid carboxylic để tạo anhydride:

\[2CH_3COOH \xrightarrow{[P_2O_5]} (CH_3CO)_2O + H_2O\]

• Khử amide để tạo nitrile:

\[RCONH_2 \xrightarrow{[P_2O_5]} R-CN + H_2O\]

P₂O₅ hoạt động như một tác nhân hút nước theo đúng nghĩa vật lý và hóa học. Nó tạo liên kết bền với nhóm –OH, đồng thời hấp phụ phân tử nước tạo thành, thúc đẩy phản ứng chuyển hóa nội phân tử xảy ra. Cơ chế phản ứng thường đi qua bước trung gian tạo ester phosphat nội phân tử (phosphoryl hóa tạm thời), rồi sau đó giải phóng sản phẩm khử nước.

Phản ứng với amoniac và base nitơ – tạo phosphate amoni

P₂O₅ có thể phản ứng với NH₃ hoặc các base nitơ yếu để tạo muối ammonium phosphate:

\[P_2O_5 + 2NH_3 + 3H_2O \to 2(NH_4)H_2PO_4\]

Phản ứng này vừa là trung hòa vừa là quá trình phối hợp – ion NH₄⁺ đóng vai trò như cation kiềm, liên kết với anion phosphate tạo thành từ quá trình thủy phân P₂O₅. Đây là phản ứng then chốt trong công nghiệp sản xuất phân bón phức ammonium phosphate.

Phản ứng với SO₃ hoặc acid sulfuric – tạo hỗn hợp acid siêu khan

P₂O₅ có thể trộn với H₂SO₄ đặc để tạo hỗn hợp siêu hút nước gọi là acid sulfuric fuming khan, hoặc với SO₃ để tạo thành hỗn hợp acid hỗn hợp poly.

Điều này rất quan trọng trong phản ứng sulfon hóa trong tổng hợp hữu cơ, khi P₂O₅ làm nhiệm vụ loại bỏ nước, giữ môi trường siêu acid ổn định và điều hướng chuyển hóa nhóm chức.

Muối Kali Hydro Photphat (K₂HPO₄)

KH₂PO₄ là một muối axit đặc biệt, có cấu trúc điện tử bền, tính acid yếu, khả năng tạo hệ đệm quan trọng và phản ứng linh hoạt với kiềm, kim loại và chất hữu cơ. Trong các ứng dụng thực tế, nó không chỉ là nguồn cung phospho và kali, mà còn đóng vai trò điều chỉnh pH và tham gia vào cơ chế phản ứng acid–base rất đặc trưng.

Cấu trúc phân tử và bản chất ion

KH₂PO₄ là một muối được tạo thành từ sự trung hòa từng phần acid phosphoric (H₃PO₄) bằng kali hydroxide. Cụ thể, chỉ một proton của H₃PO₄ được thay thế bởi ion K⁺, còn hai proton vẫn giữ lại trên nhóm phosphat.

Khi tan trong nước, KH₂PO₄ phân ly hoàn toàn thành các ion:

• K⁺: cation kiềm, đóng vai trò cân bằng điện tích, không phản ứng.
• H₂PO₄⁻: ion dihydrogen phosphat – chính là trung tâm phản ứng.

Ion H₂PO₄⁻ có cấu trúc tứ diện: nguyên tử phospho ở trung tâm, liên kết với bốn nguyên tử oxy. Trong đó:

• Một nhóm là liên kết đôi P=O (không mang điện tích).
• Hai nhóm là P–OH (chưa mất proton).
• Một nhóm là P–O⁻ (mang điện tích âm).

Ion H₂PO₄⁻ là một anion lưỡng tính yếu, có khả năng:

• Nhường proton (là acid yếu).
• Nhận thêm proton (như một base rất yếu – rất ít gặp).

Tính chất acid–base đặc trưng

KH₂PO₄ là muối axit nên mang tính acid yếu. Cụ thể, H₂PO₄⁻ có thể tiếp tục phân ly để tạo ra ion H⁺ và HPO₄²⁻:

\[H_2PO_4^- \leftrightarrow H^+ + HPO_4^- \quad K_{a2} = 6,2 \times 10^{-8}\]

Hằng số phân ly (Ka₂) khoảng 6.2 × 10⁻⁸ (pKa₂ ~ 7.2) → phản ứng phân ly này có thể đảo chiều trong nước. Vì vậy, KH₂PO₄ có khả năng tạo hệ đệm với muối kiềm như K₂HPO₄.

KH₂PO₄ không có khả năng nhận thêm proton (không như HCO₃⁻) vì đã có đủ các nhóm OH, nên tính base rất yếu.

Tóm lại, KH₂PO₄ là một acid yếu đơn chức, thể hiện qua khả năng phân ly ra H⁺ trong môi trường trung tính.

Tính chất đệm

KH₂PO₄ có thể phối hợp với K₂HPO₄ để tạo ra hệ đệm phosphat rất hiệu quả, có pH gần với 7.2 – vùng pH lý tưởng cho các phản ứng sinh học. Cặp acid–base H₂PO₄⁻/HPO₄²⁻ hoạt động giống như một “lá chắn” ngăn pH thay đổi khi thêm acid hay base.

Điều đặc biệt là hệ đệm KH₂PO₄/K₂HPO₄ có vùng hoạt động gần pH nội bào sinh vật, nên nó được ứng dụng phổ biến trong hóa sinh học, môi trường, y tế.

Các phản ứng hóa học đặc trưng

Phản ứng với base mạnh

KH₂PO₄ phản ứng với kiềm (ví dụ như KOH) để tạo thành muối trung tính K₂HPO₄:

\[KH_2PO_4 + KOH \to K_2HPO_4 + H_2O\]

Đây là phản ứng trung hòa một phần – OH⁻ từ base lấy proton từ nhóm –OH trên H₂PO₄⁻.

Ở tỉ lệ kiềm dư nhiều, có thể tạo thành K₃PO₄ (phosphate hoàn toàn kiềm hóa).

\[KH_2PO_4 + 2KOH \to K_3PO_4 + 2H_2O\]

Phản ứng với acid mạnh

Với các acid mạnh như HCl, HNO₃,… KH₂PO₄ không phản ứng trực tiếp tạo muối mới (vì H₂PO₄⁻ khó nhận thêm proton), nhưng có thể tạo môi trường acid → ức chế sự phân ly.

Trong trường hợp môi trường rất acid, KH₂PO₄ có thể chuyển hóa ngược về acid phosphoric, nhưng điều này ít xảy ra trong dung dịch loãng.

Phản ứng tạo muối kép hoặc kết tủa

KH₂PO₄ có thể phản ứng với muối kim loại để tạo muối phosphate khó tan. Ví dụ:

\[2KH_2PO_4 + 3BaCl_2 \to Ba_3(PO_4)_2 \downarrow + 4HCl + 2KCl\]

Ba₂(PO₄)₃ là một muối ít tan trong nước  kết tủa. Phản ứng này được dùng để nhận biết phosphate hoặc tách kim loại trong nước thải.

Phản ứng tạo ester phosphat

Trong môi trường acid và có mặt rượu, ion H₂PO₄⁻ có thể phản ứng tạo ester:

\[ROH + H_2PO_4^- \to ROPO_2(OH)^- + H_2O\]

Đây là cơ sở cho việc tổng hợp nucleotide, ADN, ARN trong sinh học, hoặc dẫn xuất phosphat hữu cơ trong thuốc trừ sâu, phân bón.

Cơ sở điện tử và độ bền cấu trúc

H₂PO₄⁻ có liên kết cộng hóa trị giữa P và O, kèm theo các liên kết phân cực với proton. Sự phân bố điện tích trong anion này tương đối ổn định nhờ cộng hưởng, trong đó nhóm P=O đóng vai trò “neo điện tử”, còn các nhóm –OH có thể trao đổi proton tùy theo môi trường.

Cấu trúc tứ diện cùng tính cộng hưởng giúp H₂PO₄⁻ có độ bền cao, không dễ bị thủy phân hay oxi hóa trong điều kiện thường, cũng không bị mất tính đệm trong thời gian ngắn.

So sánh K₂HPO₄ với KH₂PO₄ và K₃PO₄

Ứng dụng thực tế

• Phân bón hóa học: KH₂PO₄ cung cấp cả kali và phospho – hai nguyên tố dinh dưỡng thiết yếu. Nó còn giúp điều chỉnh pH đất.
• Môi trường vi sinh, sinh học: KH₂PO₄ dùng để tạo hệ đệm trong nuôi cấy vi sinh vật, enzyme, tế bào.
• Thực phẩm: Dùng làm phụ gia điều chỉnh pH, ổn định cấu trúc thực phẩm (mã E340).
• Hóa phân tích: Nhận biết ion kim loại bằng phản ứng kết tủa phosphate.
• Điện hóa học: Tham gia hệ đệm trong pin hoặc tế bào điện phân.

Bài tập vận dụng

Đề bài: Người ta cho 14,2 gam điphotpho pentaoxit (P₂O₅) phản ứng hoàn toàn với 175 ml dung dịch kali hiđroxit (KOH) 2M.

a) Viết phương trình phản ứng xảy ra và cân bằng.

b) Tính khối lượng muối thu được.

c) Tính thể tích dung dịch KOH cần thiết để dung dịch thu được một muối trung hòa duy nhất.

Giải:

a) Phương trình hóa học:

Vì phản ứng giữa P₂O₅ và KOH là phản ứng đa nấc theo tỉ lệ mol giữa các chất phản ứng, vì vậy:

\[n_{P_2O_5} = \frac{14,2}{142} = 0,1 mol\]

\[n_{KOH} = 2 \times 0,175 = 0,35 mol\]

Tỉ lệ mol: 1:2 > P₂O₅:KOH = 0,1:0,35 = 1:3,5 > 1:4 > 1:6

Từ tỉ lệ mol ở trên ta có thể xác định có 2 phản ứng xảy ra:

\[P_2O_5 + 4KOH \rightarrow 2K_2HPO_4 + 3H_2O \quad (1) \]

\[P_2O_5 + 2KOH +H_2O \rightarrow 2KH_2PO_4 \quad (2)\]

b) Tính khối lượng muối thu được:

Gọi lần lượt số mol của K₂HPO₄ và KH₂PO₄ là a và b, ta có:

\[n_{P_2O_5 \quad (1)} = \frac{1}{2} a (mol)\]

\[n_{P_2O_5 \quad (2)} = \frac{1}{2} b (mol)\]

\[\Rightarrow n_{P_2O_5} = \frac{1}{2} a + \frac{1}{2} b = 0,1 \quad (1)\]

\[n_{KOH \quad (1)} = 2n_{K_2HPO_4} = 2a (mol)\]

\[n_{KOH \quad (2)} = n_{KH_2PO_4} = b (mol)\]

\[\Rightarrow n_{KOH} = 2a + b = 0,55 \quad (2)\]

Từ phương trình hai ẩn (1) và (2), giải hệ phương trình hai ẩn a và b ta có:

\[n_{K_2HPO_4} = a = 0,15 (mol) \quad n_{KH_2PO_4} = b = 0,05 (mol)\]

\[m_{K_3PO_4} = 0,15 \times 174 = 26,1 (gram)\]

\[m_{K_2HPO_4} = 0,05 \times 136 = 6,8 (gram)\]

c) Thể tích dung dịch KOH cần thiết để dung dịch thu được một muối trung hòa duy nhất:

\[K_2HPO_4 + KOH \to K_3PO_4 + H_2O\]

\[KH_2PO_4 + 2KOH \to K_3PO_4 + 2H_2O\]

Để trung hòa muối axit K₂HPO₄ ta cần lượng KOH phản ứng với tỉ lệ 1:1, ta có:

\[n_{KOH} = n_{K_2HPO_4} + 2n_{KH_2PO_4} = 0,15 + 0,05 \times 2 = 0,25 (mol)\]

\[V_{KOH \quad \text{(cần thiết)}} = \frac{n}{C} = \frac{0,25}{2} = 0,125 (L) = 125 (ml)\]

Gia Khang