Axit phosphoric

Axit phosphoric, chính xác hơn là axit orthophosphoric, là một axit có tính oxy hóa vừa phải với công thức hóa học H₃PO₄.

Các đặc tính vật lý

Axit phosphoric là một chất rắn tinh thể trong suốt, có khối lượng riêng 1,87 g/cm³; điểm nóng chảy là 42,35°C (dạng H₃PO₄.H₂O có điểm nóng chảy là 29,32°C); phân hủy ở 213°C. Tan trong etanol và nước (dù là ở bất kỳ tỷ lệ nào). Cấu trúc tinh thể của nó bao gồm các nhóm tứ diện ${\text{PO}}_4^{3-<!--\; -\; -->}$, liên kết với nhau bằng liên kết hydro. Cấu trúc này vẫn được bảo tồn trong dung dịch đậm đặc của axit trong nước, làm cho dung dịch có độ nhớt cao giống như nước đường.

Sự hòa tan của axit orthophosphoric trong nước có thể được giải thích bởi sự hình thành liên kết hydro giữa các phân tử H₃PO₄ và các phân tử H₂O.

Các tính chất hóa học

Trong phân tử axit phosphoric, $\text{P}$ có mức oxy hóa +5 nên axit phosphoric rất bền và khó bị khử, không có tính oxy hóa mạnh như axit nitric. Khi được đun nóng lên đến 260°C, axit orthophosphoric mất một phần nước, chuyển thành axit diphosphoric (H₄P₂O₇); ở 300°C, chuyển thành axit metaphosphoric (HPO₃). Axit phosphoric là axit ba nấc với độ mạnh trung bình, hằng số axit tại 25°C có các giá trị:

K₁ = 7.10;

K₂ = 8.10;

${\text{HPO}}_4^{}$

Dung dịch axit phosphoric có những đặc tính chung của axit, chẳng hạn như làm đổi màu quỳ tím thành đỏ và phản ứng với oxit bazơ, bazơ, muối, cũng như kim loại. Khi phản ứng với oxit bazơ hoặc bazơ, tùy thuộc vào lượng chất phản ứng, sản phẩm có thể là muối trung hòa, muối dihidrophosphat, hidrophosphat hoặc một hỗn hợp các loại muối.

Trong axit phosphoric, nguyên tố photpho có hóa trị là V.

Phương pháp điều chế

Ở phòng thí nghiệm

Tại phòng thí nghiệm, axit phosphoric được điều chế bằng cách sử dụng HNO₃ đặc để oxy hóa photpho ở nhiệt độ cao.

$\text{P}+5{\text{HNO}}_3^{}⟶<!--\; ⟶\; -->{\text{H}}_3^{}{\text{PO}}_4^{}+5{\text{NO}}_2^{}+{\text{H}}_2^{}\text{O}$

Trong lĩnh vực công nghiệp

Acid phosphoric được sản xuất trong công nghiệp chủ yếu bằng hai phương pháp: phương pháp nhiệt và phương pháp ướt, trong đó phương pháp ướt thường được sử dụng hơn. Các phương pháp nhiệt tuy đắt đỏ hơn nhưng tạo ra sản phẩm tinh khiết, thường dùng trong ngành thực phẩm.

Sản xuất acid phosphoric theo phương pháp ướt (hay còn gọi là phương pháp trích ly) liên quan đến việc sử dụng acid sunfuric để phân giải khoáng calcium phosphate, mà thường có trong quặng apatit tự nhiên. Phản ứng hóa học được thực hiện như sau:

${\text{Ca}}_5^{}{\left({\text{PO}}_4^{}\right)}_3^{}\text{X}+5{\text{H}}_2^{}{\text{SO}}_4^{}⟶<!--\; ⟶\; -->5{\text{CaSO}}_4^{}+3{\text{H}}_3^{}{\text{PO}}_4^{}+\text{HX}$

$3{\text{H}}_2^{}{\text{SO}}_4^{}+{\text{Ca}}_3^{}{\left({\text{PO}}_4^{}\right)}_2^{}⟶<!--\; ⟶\; -->3{\text{CaSO}}_4^{}+2{\text{H}}_3^{}{\text{PO}}_4^{}$

Trong đó X có thể bao gồm các ion như ${\text{OH}}^{-<!--\; -\; -->}$,${\text{F}}^{-<!--\; -\; -->}$,${\text{Cl}}^{-<!--\; -\; -->}$,${\text{Br}}^{-<!--\; -\; -->}$,${\text{I}}^{-<!--\; -\; -->}$.

Dung dịch acid phosphoric ban đầu có thể chứa từ 23-33% ${\text{P}}_2^{}{\text{O}}_5^{}$ (32-46% H3PO4), nhưng có thể được cô đặc bằng cách bay hơi nước để sản xuất acid phosphoric thương mại, với nồng độ khoảng 54-62% ${\text{P}}_2^{}{\text{O}}_5^{}$ (75-85% ${\text{H}}_3^{}{\text{PO}}_4^{}$). Việc bay hơi thêm có thể tạo ra acid superphosphoric với nồng độ trên 70% ${\text{P}}_2^{}{\text{O}}_5^{}$ (gần 100% ${\text{H}}_3^{}{\text{PO}}_4^{}$), tuy nhiên, quá trình này cũng có thể tạo ra acid pyrophosphoric và polyphosphoric, làm tăng độ nhớt của dung dịch.

Quá trình phân huỷ quặng phosphat bằng acid sulfuric tạo ra sản phẩm phụ là calci sunfat không tan (thạch cao), được lọc và loại bỏ dưới dạng bùn cặn. Acid thu được có thể được tinh chế thêm bằng cách loại bỏ flo để sản xuất acid phosphoric dùng trong phân bón, hoặc bằng cách chiết xuất dung môi và loại bỏ asen để sản xuất acid phosphoric dùng trong thực phẩm. Tuy nhiên, phương pháp này thường tạo ra acid phosphoric có chất lượng không cao.

Quá trình nitrophosphate tương tự như quá trình ướt, nhưng thay vì dùng acid sulfuric, nó sử dụng acid nitric. Phương pháp này có lợi thế là sản phẩm phụ calci nitrat cũng có thể dùng làm phân bón. Tuy nhiên, phương pháp này ít được sử dụng hơn.

Acid phosphoric tinh khiết được sản xuất bằng cách đốt phospho nguyên tố để tạo ra diphosphor pentaoxide, sau đó hòa tan trong acid phosphoric loãng. Phương pháp này tạo ra acid phosphoric rất tinh khiết, vì hầu hết các tạp chất đã bị loại bỏ trong quá trình đốt phospho. Tuy nhiên, đối với những ứng dụng quan trọng như trong dược phẩm hoặc thực phẩm, cần thêm các bước xử lý để loại bỏ các hợp chất asen.

Phospho nguyên tố được sản xuất trong lò điện với nhiệt độ cao, khi quặng phosphat, silicat và các vật liệu carbon như than cốc và than đá phản ứng tạo ra calci silicat, khí phospho và carbon monoxide. Khí $\text{P}$ và $\text{CO}$ được làm nguội dưới nước để tách phospho rắn và bụi. Khí $\text{P}$ và $\text{CO}$ có thể được đốt cháy trong không khí để tạo ra phospho pentoxide và carbon dioxide. Khí này sau khi làm mát sơ bộ được đưa vào quá trình hydrat hóa để sản xuất acid phosphoric.

Acid phosphoric trên thị trường

Dung dịch acid phosphoric đậm đặc thường được bày bán trên thị trường với nồng độ 85%.

Acid phosphoric đóng vai trò quan trọng trong ngành sản xuất phân bón, dược phẩm, thức ăn gia súc; nó còn được sử dụng làm chất xúc tác trong tổng hợp hữu cơ, chất chống cháy cho gỗ, chất chống ăn mòn kim loại, sản xuất thuốc trừ sâu và chế tạo phân lân như superphosphat đơn và superphosphat kép.