Nếu so với H2SO4 và HCl, H3PO4 có tính axit yếu hơn. Ở nồng độ cao, loại axit này vẫn có thể ăn mòn, gây hại cho người tiếp xúc nếu không mang đồ bảo hộ. Để hiểu hơn về tính chất hóa học, phương pháp điều chế và ứng dụng của H3PO4 trong đời sống, bạn nên tham khảo kỹ bài phân tích sau đây.
1. Tìm hiểu chung về H3PO4
H3PO4 được biết đến với nhiều tên gọi như Axit photphoric, Axit orthophosphoric. Đây là một loại axit trung bình nhưng vẫn có khả năng tham gia nhiều phản ứng hóa học, được ứng dụng khá rộng rãi trong các lĩnh vực sản xuất công nghiệp.
Về mặt cấu trúc phân tử, H3PO4 chứa cả liên kết đôi và liên kết đơn. Cụ thể:
- Liên kết đôi P=O: Là một liên kết ngắn nhưng bền.
- Liên kết đơn P-OH: Dài hơn liên kết P=O. Trong đó sự phân cực mạnh giữa nguyên tử O và H trong nhóm -OH là điểm mấu chốt quyết định đến tính chất lý hóa của H3PO4.
Mô tả khái quát cấu trúc phân tử của H3PO4
2. Tính chất vật lý
Sau đây là một số tính chất cơ bản của H3PO4:
2.1. Trạng thái tồn tại
Ở điều kiện thường, H3PO4 là chất rắn. Tuy nhiên, hợp chất này có thể được điều chế thành dạng dung dịch đặc trong suốt, không màu. Độ sánh của dung dịch tăng theo nồng độ.
2.2. Độ tan và khả năng hút ẩm
H3PO4 tan cực tốt trong nước cũng như dung dịch ethanol. Khi tan trong nước, hợp chất này thường tỏa nhiệt nhiều.
Khi tồn tại ở dạng tinh thể, H3PO4 rất háo nước, dễ chảy rữa nếu tiếp xúc với không khí để hình thành dung dịch đậm đặc.
2.3. Độ nhớt và khả năng liên kết Hydro
Nếu tồn tại ở dạng lỏng, H3PO4 thường có độ nhớt cao. Khi nồng độ càng cao, dung dịch lại càng dịch chuyển chậm, khiến chúng có độ sánh tương tự như siro.
2.4. Một số tính chất vật lý khác
Ngoài ba nhóm tính chất cơ bản kể trên, bạn cần tìm hiểu một số tính chất vật lý khác của H3PO4. Cụ thể như:
- Khối lượng phân tử: Tương ứng 98g/mol.
- Nhiệt độ tan chảy: Khoảng 42.35 độ C.
- Nhiệt độ sôi: Khoảng 213 độ C.
3. Tính chất hóa học
H3PO4 là một axit sở hữu độ mạnh trung bình. Tuy nhiên, tính chất hóa học của hợp chất này lại rất đa dạng, nhờ có cấu trúc 3 nấc phân ly. Không giống như H2SO4 có tính oxi hóa mạnh, H3PO4 ít phản ứng mạnh ở nhiệt độ thường do phốt pho đã đạt trạng thái oxi hóa cao nhất (+5).
3.1. Tính axit
Axit photphoric không phân li hoàn toàn trong nước ở lần đầu tiên phản ứng mà sẽ chia thành 3 giai đoạn thuận nghịch. Cụ thể là:
- Nấc 1: H3PO4 ⇔H(+) + H2PO4(-)
- Nấc 2: H2PO4(-) ⇔H(+) + HPO4(-2)
- Nấc 3: HPO4(-) ⇔H(+) + PO4(-3)
Trong ba nấc trên, nấc 1 sẽ mạnh nhất. Vậy nên dung dịch H3PO4 thường tồn tại các dạng ion H(+) + H2PO4(-).
3.2. Tác dụng với bazơ và oxit bazơ
Tùy theo tỉ lệ mol giữa H3PO4 và dung dịch kiềm, các loại muối được tạo ra sau phản ứng có thể thay đổi. Chẳng hạn như khi cho H3PO4 tác dụng với dung dịch NaOH.
- Với tỉ lệ 1:1: Tạo muối NaH2PO4.
- Với tỷ lệ 1:2: Tạo muối Na2HPO4.
- Với tỷ lệ 1:3: Tạo muối Na3PO4.
3.3. Tác dụng với kim loại
Giống như phần lớn các loại axit khác, H3PO4 có thể phản ứng với kim loại đứng trước Hydro trong dãy điện hóa. Ví dụ như:
2H3PO4 + 3Mg →Mg3(PO4)2 + 3H2
Trong phản ứng trên, khí H2 là một trong số những sản phẩm được tạo thành bên cạnh muối gốc PO4.
3.4. Tác dụng với muối
Thực tế, H3PO4 có thể tham gia phản ứng trao đổi với một số loại muối. Sản phẩm tạo thành sau phản ứng thường có chất kết tủa hoặc chất bay hơi, trong một số trường hợp là chất điện li yếu. Ví dụ như khi cho tác dụng với AgNO3, ta có phản ứng:
H3PO4 + 3AgNO3 → Ag3PO4 + 3HNO3
4. Phương pháp điều chế
Tùy yêu cầu về độ tinh khiết và sản lượng, H3PO4 có thể được điều chế theo nhiều phương pháp. Đơn cử như:
4.1. Điều chế theo phương pháp ướt
Điều chế H3PO4 theo phương pháp ướt chủ yếu ứng dụng trong quá trình sản xuất phân bón bởi chi phí thấp. Trong đó, nguyên liệu thường được sử dụng ở đây là quặng Ca5(PO4)3F hoặc Ca3(PO4)2) và H2SO4. Dưới đây là khái quát quy trình thực hiện:
- Nghiền nhỏ quặng và cho tác dụng với H2SO4.
- Cách lọc để thu sản phẩm phụ thạch cao (CaSO4).
- Dung dịch axit thu được sau phản ứng thường có nồng độ từ 25 đến 35%. Tiếp theo, người ta sẽ cho bay hơi để tăng nồng độ lên khoảng 54% P2O5.
Ca5(PO4)3F + 3H2SO4 →3CaSO4 + 2H3PO4
Mặc dù ghi điểm bởi chi phí rẻ, dễ triển khai trên quy mô lớn nhưng sản phẩm thu được trong phản ứng trên đôi khi vẫn chứa nhiều tạp chất.
4.2. Điều chế theo phương pháp nhiệt
H3PO4 được điều chế theo phương pháp nhiệt có độ tinh khiết cao, dùng được cả trong ngành chế biến thực phẩm và dược phẩm. Nguyên liệu sử dụng trong phương pháp này là phốt pho vàng (P4), không khí và nước.
Quy trình chế biến diễn ra theo hai giai đoạn chính:
- Giai đoạn đốt cháy: P4 được đốt cháy trong không khí dư nhằm tạo ra P2O5 (P4 + 5O2 →2P2O5).
- Giai đoạn hydrat hóa: 2P2O5 được cho hấp thụ với nước để tạo ra sản phẩm H3PO4 (2P2O5 + 3H2O →2H3PO4).
4.3. Điều chế thông qua phản ứng oxi hóa trực tiếp
Phương pháp này chủ yếu ứng dụng trong phòng thí nghiệm. Dưới đây là hai kỹ thuật điều chế H3PO4 phổ biến:
- Oxy hóa Phosphor bằng Acid Nitric: P + 5HNO3 →H3PO4 + 5NO2 + H2O.
- Thủy phân Phosphor Halogenua: PCl5 lần lượt được cho phản ứng với nước để tạo ra H3PO4 (PCl5 + H2O →H3PO4 + 5HCl).
5. Các ứng dụng của H3PO4 trong đời sống
Thực tế, H3PO4 là nguyên liệu quan trọng trong nhiều ngành sản xuất. Chẳng hạn như ngành nông nghiệp, sản xuất thực phẩm và đồ uống, y tế và dược phẩm.
5.1. Ngành nông nghiệp
Trong ngành nông nghiệp, H3PO4 thường được sử dụng để sản xuất phân bón, bao gồm:
- Supephosphate: H3PO4 có thể giúp điều hòa quặng apatite dùng trong sản xuất các loại phân bón dễ tan.
- Phân hỗn hợp: H3PO4 là một trong những nguyên liệu quen thuộc được sử dụng để sản xuất DAP (Diammonium Phosphate) và MAP (Monoammonium Phosphate).
- Phân bón lá: Sau khi pha loãng H3PO4, chúng ta có thể sử dụng dung dịch này để tưới nhỏ giọt cho cây trồng.
5.2. Ngành sản xuất thực phẩm và đồ uống
Trong ngành sản xuất thực phẩm và đồ uống, H3PO4 tinh khiết cũng là một nguyên liệu khá quen thuộc. Dưới đây là những ứng dụng chính của hợp chất này:
- H3PO4 tạo độ chua cho một số loại nước giải khát.
- Sử dụng như một chất bảo quản nhờ khả năng kìm hãm sự phát triển của vi khuẩn và nấm mốc trong thực phẩm.
- Hỗ trợ điều chỉnh pH trong quá trình sản xuất sản phẩm từ sữa, thạch.
5.3. Y tế và dược phẩm
Ở nồng độ 35% đến 37%, H3PO4 được sử dụng như một chất Etching (làm mòn bề mặt răng). Nhờ vậy, nó sẽ tạo ra nhiều lỗ nhám li ti, hỗ trợ quá trình trám răng hoặc giúp răng sứ bám chặt vào răng thật.
Trong ngành sản xuất dược phẩm, H3PO4 giữ vai trò như chất trung gian để sản xuất một số loại thuốc đồng thời, hỗ trợ bổ sung ion phosphate nếu cơ thể bị thiếu hụt.
5.4. Các ứng dụng khác
Ngoài ba nhóm ứng dụng phổ biến kể trên, H3PO4 còn được sử dụng cho nhiều mục đích khác như:
- Loại bỏ han gỉ trên bề mặt kim loại bởi khả năng tác động với oxit.
- Sử dụng như chất chống cháy (H3PO4 và dẫn xuất được tẩm vào gỗ, vải hoặc nhựa để tăng cường khả năng chịu nhiệt).
- Ứng dụng trong ngành sản xuất pin Lithium Iron Phosphate (LFP).
Nhìn chung, dù là một axit trung bình nhưng H3PO4 vẫn dễ dàng tham gia vào nhiều phản ứng. Mong rằng chia sẻ trên đây đã giúp bạn hiểu hơn về tính chất cơ bản của H3PO4.
