Bài 15. Axit photphoric và muối photphat

I - AXIT PHOTPHORIC

1. Cấu tạo phân tử

Axit photphoric (H₃PO₄) có công thức cấu tạo:

Trong hợp chất H₃PO₄, photpho có số oxi hóa cao nhất +5.

2. Tính chất vật lí

Axit photphoric, còn gọi là axit orthophotphoric (H₃PO₄) là chất rắn dạng tinh thể, trong suốt, không màu, nóng chảy ở 42,5^oC, rất háo hức nên dễ bị chảy rữa, tan trong nước theo bất kì tỉ lệ nào. Axit photphoric thường dùng là dung dịch đặc, sánh, có nồng độ 85%.

3. Tính chất hóa học

a) Tính oxi hóa - khử

Khác với nitơ, photpho ở mức oxi hóa +5 bền hơn. Do vậy, axit photphoric khó bị khử, không có tính oxi hóa như axit nitric.

b) Tác dụng bởi nhiệt

Khi đun nóng đến khoảng 200−250^oC, axit photphoric mất bớt nước, biến thành axit điphotphoric (H₄P₂O₇):

2H₃PO₄→t^o H₄P₂O₇+H₂O

Tiếp tục đun nóng đến khoảng 400−500^oC, axit điphotphoric lại mất bớt nước, biến thành axit metaphotphoric:

H₄P₂O₇→t^o 2HPO₃+H₂O

Các axit HPO₃,H₄P₂O₇ lại có thể kết hợp với nước để tạo ra axit H₃PO₄.

c) Tính axit

* Axit H₃PO₄ là axit ba lần axit, có độ mạnh trung bình. Trong dung dịch nó phân li theo ba nấc. Dưới đây là hằng số phân li axit ở 25^oC.

Nấc 1:              H₃PO₄⇌H⁺+H₂PO⁻₄;K1=7,6.10⁻³

Nấc 2:              H2PO⁻₄⇌H⁺+HPO²⁻₄;K2=6,2.10⁻⁸

Nấc 3:              HPO²⁻₄⇌H⁺+PO³⁻₄;K3=4,4.10⁻¹³

Sự phân li chủ yếu xảy ra theo nấc 1, nấc 2 yếu hơn và nấc 3 rất yếu. Như vậy trong dung dịch axit photphoric ngoài các phân tử H₃PO₄ không phân li, còn có các ion H+, đihiđrophotphat (H₂PO⁻₄), hiđrophotphat (HPO²⁻₄) và photphat (PO³⁻₄), không kể H⁺ và OH⁻ do nước phân li ra.

* Dung dịch H₃PO₄ có những tính chất chung của axit, như làm đổi màu quỳ tím thành đỏ, tác dụng với oxit bazơ, bazơ, muối, kim loại,...

Khi tác dụng với oxit bazơ hoặc bazơ, tùy theo lượng chất tác dụng mà axit photphoric tạo ra muối trung hòa, muối axit hoặc hỗn hợp muối.

Thí dụ:              H₃PO₄+NaOH→NaH₂PO4+H₂O

                         H₃PO4+2NaOH→Na₂HPO₄+2H₂O

                         H₃PO₄+3NaOH→Na₃PO₄+3H₂O

4. Điều chế và ứng dụng

a) Trong phòng thí nghiệm

Axit photphoric được điều chế bằng cách dùng HNO3 đặc oxi hóa photpho:

                        P+5HNO₃₍đặc)→t^o H₃PO₄+5NO₂+H₂O

b) Trong công nghiệp

* Cho H₂SO₄ đặc tác dụng với quặng photphorit hoặc quặng apatit:

                       Ca₃(PO₄)₂+3H₂SO₄(đặc) →t^o 3CaSO₄↓+2H₃PO₄

Tách muối CaSO₄ ra và cô đặc dung dịch, rồi làm lạnh để axit kết tinh. Axit photphoric điều chế bằng phương pháp này không tinh khiết, có chất lượng thấp.

* Để điều chế H₃PO4 có độ tinh khiết và nồng độ cao hơn, người ta đốt cháy photpho để được P₂O₅, rồi cho P₂O₅ tác dụng với nước.

                              4P+5O₂→t^o 2P₂O₅

                              P₂O₅+3H₂O→2H₃PO₄

Một lượng lớn axit photphoric sản xuất ra được dùng để điều chế các muối photphat và để sản xuất phân lân.

II - MUỐI PHOTPHAT

Muối photphat là muối của axit photphoric. Axit photphoric tạo ra ba loại muối: muối photphat trung hòa và hai muối photphat axit.

Thí dụ:      Muối photphat trung hòa: Na₃PO₄,Ca₃(PO₄)₂,(NH₄)₃PO₄

                  Muối đihiđrophotphat:  NaH₂PO₄,Ca(H₂PO₄)₂,NH₄H₂PO₄

                  Muối hiđrophotphat : Na₂HPO₄,CaHPO₄,(NH₄)₂HPO₄

1. Tính chất của muối photphat

a) Tính tan

Tất cả các muối đihiđrophotphat đều tan trong nước.

Trong số các muối hiđrophotphat và photphat trung hòa chỉ có muối natri, kali, amoni là dễ tan, còn muối của các kim loại khác đều không tan hoặc ít tan trong nước.

b) Phản ứng thủy phân

Các muối photphat tan bị thủy phân trong dung dịch.

Thí dụ:                 Na₃PO₄+H₂O ⇌ Na₂HPO₄+NaOH

                            PO³⁻₄+H₂O ⇌ HPO²⁻₄+OH⁻

Do đó, dung dịch Na3PO4 có môi trường kiềm, làm quỳ tím ngả màu xanh.

2. Nhận biết ion photphat

Thuốc thử để nhận biết ion PO3−4 trong dung dịch muối photphat là bạc nitrat.

Thí nghiệm: Nhỏ vào ống nghiệm 5−6 giọt dung dịch Na3PO4 rồi thêm vào đó 3−4 giọt dung dịch AgNO3. Khi đó sẽ tạo thành kết tủa màu vàng, tan được trong dung dịch axit nitric loãng. Phương trình ion rút gọn:

                           3Ag⁺+PO³⁻₄→Ag₃PO₄↓

                                                     màu vàng