Phương trình điện li của H3PO4 và các bài tập ứng dụng

1. Phương trình điện li của H3PO4

H3PO4 ⇌ H+ + H2PO4−

H2PO4− ⇌ H+ + HPO42−

HPO42− ⇌ H+ + PO43−

Trong phương trình điện li trên: H3PO4 đại diện cho axit phosphoric trong dung dịch nước, tức là axit hòa tan trong nước. H+ là ion hydrogen (H+) được sinh ra từ H3PO4, tức proton (H+) trao đổi trong quá trình ion hóa. H2PO4− là ion dihydrogen phosphat (H2PO4−), một trong các ion xuất hiện trong quá trình ion hóa của H3PO4. Ion H2PO4− phân ly thành ion hydrogen (H+) và ion hydrogen phosphat HPO42−. Ion HPO42− tiếp tục phân ly thành ion hydrogen (H+) và ion phosphate (PO43−).

H3PO4 (axit phosphoric) là một chất điện li yếu. Tính chất yếu của H3PO4 như một chất điện li liên quan đến cấu trúc phân tử và loại liên kết trong phân tử. Trong H3PO4, các nguyên tử hydro (H) liên kết với phospho (P) qua liên kết cộng hóa trị (liên kết đôi và đơn), khiến cho các nguyên tử hydrogen không dễ dàng tách ra để tạo thành ion hydro (H+). Khác với các axit mạnh như axit clohydric (HCl) với liên kết ion, H3PO4 ion hóa kém hơn và chỉ một phần nhỏ trong dung dịch nước, tạo ra các ion hydrogen (H+) và phosphat (H2PO4−, HPO42−, PO43−), làm cho nó có cường độ axit tương đối yếu hơn.

2. Ứng dụng thực tiễn của phương trình điện li H3PO4

Phương trình điện li của axit phosphoric (H3PO4) có nhiều ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực như hóa học, công nghiệp và thực phẩm. Dưới đây là những ứng dụng chính của phương trình điện li H3PO4:

+ Ngành thực phẩm: H3PO4 được áp dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm để điều chỉnh độ pH, giúp sản phẩm giữ hương vị tốt và kéo dài thời gian bảo quản. Nó cũng tham gia vào quá trình chế biến thực phẩm như nước giải khát và thực phẩm đóng hộp. Ngoài ra, H3PO4 còn được thêm vào các sản phẩm như nước ngọt, bia, mỡ cá, và nhiều sản phẩm khác để đáp ứng yêu cầu về hương vị và độ chua của sản phẩm cuối cùng.

+ Làm mềm nước cứng: H3PO4 có khả năng làm mềm nước cứng bằng cách tạo ra các hợp chất không tan với ion canxi và magnesium trong nước. Điều này giúp ngăn ngừa sự hình thành cặn cứng trong hệ thống cấp nước và thiết bị sử dụng nước.

+ Dược phẩm: H3PO4 được sử dụng trong một số loại thuốc dược phẩm, chẳng hạn như các thuốc kiểm soát acid dạ dày hoặc các loại thuốc nhỏ mắt. Nó có thể được thêm vào các sản phẩm để giảm triệu chứng của bệnh dạ dày như trào ngược dạ dày hoặc viêm dạ dày.

+ Chất chống ăn mòn: Trong ngành công nghiệp, H3PO4 thường được dùng làm chất chống ăn mòn để bảo vệ các bề mặt kim loại khỏi bị ăn mòn.

+ Chất khử: H3PO4 có thể hoạt động như một chất khử trong nhiều ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như trong quá trình sản xuất các chất khử khác hoặc trong các phản ứng hóa học.

+ Sản xuất phân bón: H3PO4 đóng vai trò thiết yếu trong ngành sản xuất phân bón, đặc biệt là phân bón chứa phosphat. Phosphat là một trong ba nguyên tố dinh dưỡng chính cho sự phát triển của cây trồng, bên cạnh nitơ và kali. Phosphat hỗ trợ quá trình chuyển hóa năng lượng và tổng hợp các hợp chất quan trọng trong cây.

Như vậy, phương trình điện li của H3PO4 không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về tính chất ion hóa của axit này mà còn làm rõ những ứng dụng quan trọng của nó trong đời sống hàng ngày cũng như trong các quy trình công nghiệp.

3. Bài tập ứng dụng liên quan

Câu 1. Trong số các chất dưới đây, chất nào hòa tan trong nước và hoạt động như một chất điện li yếu?

A. H2SO4

B. NaOH

C. H3PO4

D. NaCl

Đáp án chính xác là C.

Câu 2. Trong các dãy chất dưới đây, dãy nào là chất điện li yếu khi hòa tan trong nước?

A. NH4Cl, H3PO4, HNO3, HgCl2

B. H2CO3, HNO3, CuCl2, H3PO4

C. H2S, CH3COOH, H3PO4, HCOOH

D. H2CO3, HNO3, H3PO4, NH4Cl

Đáp án chính xác là C.

Câu 3. Cho 100 ml dung dịch H3PO4 0,2 M vào 1 lít dung dịch Ca(OH)2 0,012 M. Tính khối lượng muối tạo thành sau khi phản ứng hoàn tất.

Hướng dẫn giải:

nH3PO4 = 0,02 mol; nOH− = 0,024 mol

T = 0,024/0,02 = 1,2 ⇒ hình thành 2 loại muối H2PO4− và HPO42−

Phương trình phản ứng: Ca(OH)2 + 2H3PO4 → Ca(H2PO4)2 + 2H2O

Ca(OH)2 + H3PO4 → CaHPO4 + 2H2O

Gọi số mol của Ca(H2PO4)2 và CaHPO4 lần lượt là x và y mol

Ta có hệ phương trình: 2x + y = 0,02 (1) và x + y = 0,012 (2) ⇒ x = 0,008 mol và y = 0,004 mol

Khối lượng các muối sau phản ứng là:

mCa(H2PO4)2 = 0,008 × 234 = 1,872 gam

mCaHPO4 = 0,004 × 136 = 0,544 gam

Câu 4. Phương trình điện li tổng quát của H3PO4 trong dung dịch là: H3PO4 ⇆ 3H+ + PO43−. Khi thêm HCl vào dung dịch:

A. Cân bằng chuyển dịch theo hướng phản ứng thuận.

B. Cân bằng chuyển dịch theo hướng phản ứng nghịch.

C. Cân bằng không bị dịch chuyển.

D. Nồng độ PO43− gia tăng.

Hướng dẫn giải: Khi HCl được thêm vào, nồng độ H+ trong dung dịch sẽ tăng. Theo nguyên lý chuyển dịch cân bằng, hệ thống sẽ dịch chuyển theo hướng làm giảm nồng độ H+ ⇒ Do đó, cân bằng sẽ chuyển dịch theo hướng phản ứng nghịch.

Đáp án chính xác là B.

Câu 5. Viết phương trình hóa học dạng phân tử và dạng ion rút gọn của phản ứng giữa axit photphoric với lượng dư của:

a. BaO ;

b. Ca(OH)2 ;

c. K2CO3

Hướng dẫn giải:

Các chất dư thừa làm cho sản phẩm là muối trung hòa:

a. 2H3PO4 + 3BaO → Ba3(PO4)2 + 3H2O

Phương trình phân tử chính xác như phương trình ion rút gọn

b. 2H3PO4 + 3Ca(OH)2 → Ca3(PO4)2 + 6H2O

2H3PO4 + 3Ca2+ + 6OH– → Ca3(PO4)2 + 6H2O

c. 2H3PO4 + 3K2CO3 → 2K3PO4 + 3H2O + 3CO2 (khí)

2H3PO4 + 3CO32- → 2PO43- + 3H2O + CO2 (khí)

Câu 6. Dãy nào dưới đây bao gồm các chất điện ly mạnh?

A. HCl, NaOH, NaCl

B. HCl, NaOH, CH3COOH

C. KOH, NaCl, HF

D. NaNO2, HNO2, CH3COOH

Hướng dẫn giải: Các chất điện ly mạnh trong dãy là: HCl, NaOH, NaCl

Phương trình điện ly minh họa: HCl → H+ + Cl−

NaOH → Na+ + OH−

NaCl → Na+ + Cl−

Đáp án B bị loại vì CH3COOH là chất điện ly yếu

Đáp án C bị loại vì HF là một chất điện ly yếu

Đáp án D bị loại vì CH3COOH là chất điện ly yếu

Đáp án chính xác là A.

Câu 7. Có 4 dung dịch trong suốt, mỗi dung dịch chỉ chứa một cation và một anion trong các ion sau: Ba2+, Al3+, Na+, Ag+, CO32-, NO3-, Cl-, SO42-. Các dung dịch đó là:

A. AgNO3, BaCl2, Al2(SO4)3, Na2CO3.

B. AgCl, Ba(NO3)2, Al2(SO4)3, Na2CO3.

C. AgNO3, BaCl2, Al2(CO3)3, Na2SO4.

D. Ag2CO3, Ba(NO3)2, Al2(SO4)3, NaNO3.

Hướng dẫn giải: Đáp án chính xác là A

AgCl là chất kết tủa loại B

Al2(CO3)2 không tồn tại, nó bị phân hủy thành Al(OH)3 và giải phóng khí CO2, loại C

Ag2CO3 là chất kết tủa loại D

Câu 8. Cho 44 gam NaOH 10% phản ứng với 10 gam axit H3PO4 39,2%.

a. Muối tạo ra là loại muối gì?

b. Tính nồng độ phần trăm của muối trong dung dịch sau phản ứng.

Lời giải:

Số mol NaOH được tính là nNaOH = 44.10/100.40 = 0,11 mol

Số mol H3PO4 tính được là nH3PO4 = 10.39,2/100.98 = 0,04 mol

Tỷ lệ là 0,11/0,04 = 2,75 mol ⇒ tạo ra 2 loại muối Na2HPO4 và Na3PO4

Phương trình phản ứng là: 2NaOH + H3PO4 → Na2HPO4 + 2H2O

3NaOH + H3PO4 → Na3PO4 + 3H2O

Ta có: x + y = 0,04 (1) và 2x + 3y = 0,11 (2) ⇒ x = 0,01 và y = 0,03 mol

⇒ nNa2HPO4 = 0,01 mol và nNa3PO4 = 0,03 mol

Khối lượng Na2HPO4 = 0,01.142 = 1,42 gam; Khối lượng Na3PO4 = 0,03.164 = 4,92 gam

Khối lượng dung dịch = 44 + 10 = 54 gam

Nồng độ phần trăm của các muối trong dung dịch sau phản ứng được tính như sau:

C%(Na2HPO4) = 1,42/54.100% = 2,63%; C%(Na3PO4) = 4,92/54.100% = 9,11%