§ 31. Фосфор

Определения и обозначения

Фосфор — химический элемент 15-й группы периодической системы, его символ — P, порядковый номер — 15. У атома фосфора пять электронов на внешнем уровне, поэтому он может образовывать несколько типов соединений. Положение элемента помогает предсказывать его химическое поведение и сравнивать его с другими неметаллами.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Например, атомы фосфора могут соединяться в отдельные молекулы или образовывать протяжённые структуры. Понятие аллотропии объясняет, почему вещества одного элемента могут выглядеть и вести себя по-разному.

Белый фосфор — молекулярная аллотропная модификация, состоящая из молекул P₄, в которых четыре атома образуют замкнутую структуру. Это мягкое, воскообразное и очень активное вещество, которое токсично и способно загореться на воздухе. Его свойства важно знать, чтобы понимать особые правила хранения и опасность работы с ним.

Красный фосфор — полимерная аллотропная модификация: его атомы связаны в более протяжённую структуру, а не собраны в отдельные молекулы P₄. Он менее активен и обычно устойчивее белого фосфора. Различие строения помогает объяснить, почему красная форма безопаснее при обычном обращении, хотя всё равно требует осторожности.

Как это устроено

Положение фосфора в 15-й группе связано с пятью электронами на внешнем уровне атома. В химических реакциях он может принимать электроны и проявлять степень окисления −3 либо отдавать часть или все внешние электроны, достигая значений +3 и +5. Степень окисления — условный заряд атома в соединении; по ней удобно отслеживать, как меняется распределение электронов при реакции.

Атомы одного элемента могут соединяться разными способами, потому что химическая связь допускает разные варианты расположения частиц. У фосфора это приводит к появлению молекулярной формы P₄ и полимерных структур. Различия в связях и строении влияют на устойчивость вещества и на то, насколько легко оно вступает в реакции.

Белый фосфор состоит из отдельных молекул P₄, красный образует протяжённую структуру, а чёрный имеет слоистое строение. Белая форма наиболее реакционноспособна; красная менее активна, а чёрная — наиболее устойчива при обычных условиях. Белый фосфор держат под водой, чтобы отгородить от кислорода, тогда как красный хранят без такого способа защиты, но вдали от нагрева и огня. При работе с любой формой соблюдают технику безопасности, особенно из-за токсичности и воспламеняемости белого фосфора.

При горении фосфор соединяется с кислородом: P₄ + 5O₂ → P₄O₁₀. В простом веществе степень окисления фосфора равна 0, а в оксиде P₄O₁₀ — +5, поэтому фосфор окисляется, то есть отдаёт электроны. Если кислорода недостаточно, возможно образование оксида фосфора(III), поэтому результат зависит от условий реакции.

С металлами фосфор образует фосфиды. Например, кальций имеет степень окисления +2, а фосфор в фосфиде — −3, поэтому формула соединения Ca₃P₂: суммарные заряды трёх ионов кальция (+6) и двух атомов фосфора (−6) взаимно компенсируются. В природе фосфор встречается преимущественно в составе фосфатов, а не в свободном виде, потому что реагирует с другими элементами. Фосфаты нужны живым организмам и служат сырьём для удобрений; токсичный белый фосфор требует особенно осторожного обращения.

Аллотропные модификации фосфора

Сначала сравни строение: оно помогает понять различия в активности и устойчивости форм фосфора. Затем проверь строки о хранении и опасности, чтобы не переносить свойства белой модификации на остальные. Сведения о применении показывают, что выбор формы зависит не только от её состава, но и от безопасности.

Разбор задач

1. Горение фосфора

Задача. Запишите формулу реакции фосфора с кислородом при горении и укажите степени окисления фосфора до и после реакции. Горение происходит при избытке кислорода, поэтому образуется оксид фосфора(V). Нужно учесть, что молекула белого фосфора содержит четыре атома P.

1. Записываем схему P₄ + O₂ → P₄O₁₀. Индекс 10 у кислорода следует из того, что в оксиде на один атом фосфора приходится 2,5 атома кислорода. Чтобы убрать дробь, берём молекулу P₄O₁₀.
2. Ставим коэффициент 5 перед O₂: справа десять атомов кислорода, значит слева нужно пять молекул O₂. Получаем P₄ + 5O₂ → P₄O₁₀. Число атомов фосфора уже одинаково с обеих сторон.
3. В простом веществе P₄ степень окисления P равна 0. В P₄O₁₀ кислород имеет −2, всего на него приходится −20, поэтому на четыре атома фосфора приходится +20, то есть по +5 на атом.

Ответ: P₄ + 5O₂ → P₄O₁₀; фосфор меняет степень окисления с 0 на +5.

2. Взаимодействие с кальцием

Задача. Составьте уравнение взаимодействия фосфора с кальцием и определите формулу образующегося соединения. Кальций — металл, обычно проявляющий степень окисления +2. В фосфиде фосфор принимает электроны и имеет степень окисления −3.

1. Подбираем индексы так, чтобы заряды компенсировались. Три атома кальция дают суммарный заряд +6, а два атома фосфора — −6. Следовательно, формула продукта — Ca₃P₂.
2. Учитываем молекулу простого вещества P₄ и записываем схему: Ca + P₄ → Ca₃P₂. Справа пока два атома фосфора, поэтому ставим коэффициент 2 перед Ca₃P₂, чтобы получить четыре атома P.
3. Теперь справа шесть атомов кальция, следовательно, ставим коэффициент 6 перед Ca. Получается уравнение 6Ca + P₄ → 2Ca₃P₂, в котором число атомов каждого элемента одинаково слева и справа.

Ответ: 6Ca + P₄ → 2Ca₃P₂; образуется фосфид кальция Ca₃P₂.

3. Расчёт массы оксида

Задача. Какую массу оксида фосфора(V) можно получить при полном сгорании 6,2 г фосфора в избытке кислорода? Избыток кислорода означает, что весь фосфор прореагирует. Используем уравнение P₄ + 5O₂ → P₄O₁₀ и молярные массы P = 31 г/моль, P₄O₁₀ = 284 г/моль.

1. Находим количество вещества атомов фосфора: n(P) = 6,2 г ÷ 31 г/моль = 0,2 моль. В уравнении одна молекула P₄ даёт одну молекулу P₄O₁₀, но в них содержится по четыре атома фосфора.
2. Поэтому количество P₄ равно 0,2 ÷ 4 = 0,05 моль, а количество P₄O₁₀ тоже равно 0,05 моль. Это соотношение следует непосредственно из коэффициентов уравнения реакции: 1 моль P₄ образует 1 моль оксида.
3. Вычисляем массу продукта: m(P₄O₁₀) = n × M = 0,05 × 284 = 14,2 г. Проверка единиц показывает, что результат выражен в граммах, как и требуется.

Ответ: при полном сгорании 6,2 г фосфора получится 14,2 г оксида фосфора(V).

Типичные ошибки

• Белый и красный фосфор иногда принимают за разные химические элементы из-за заметного различия цвета и свойств. Но оба вещества состоят только из атомов P и являются аллотропными модификациями одного элемента. Проверь себя: у них одинаковый символ и состав, а различается строение частиц.

• Нельзя считать реакционную способность всех модификаций одинаковой: особенно активен белый фосфор, а красный и чёрный устойчивее. Ошибку допускают, если рассуждают только по химическому составу и забывают о строении. Проверка — сравнить молекулярное или полимерное строение и учитывать конкретную форму вещества.

• Формулу простого вещества легко спутать с формулой соединения: фосфор в белой модификации записывают P₄, а оксид фосфора(V) — P₄O₁₀. Ошибка возникает, если переносить формулу одного вещества в уравнение другого без проверки состава. Перед расстановкой коэффициентов посчитай атомы каждого элемента в формулах.

• Фосфор обычно не встречается в природе свободным, а входит в состав соединений, главным образом фосфатов. Представление о его широком распространении в чистом виде возникает из-за смешения месторождений фосфатных минералов с месторождениями простого вещества. Проверь себя: если говорится о природном сырье или удобрениях, речь обычно идёт о соединениях фосфора.

Связь с другими темами

Чтобы понять свойства фосфора, нужно уметь читать периодическую таблицу, представлять строение атома и определять валентность и степени окисления. Эти знания пригодятся при составлении формул оксидов, кислот и солей фосфора, особенно фосфатов. Фосфаты связывают тему с круговоротом веществ и ролью фосфора в организмах. Их используют для производства удобрений, поэтому тема касается и сельского хозяйства.

Что запомнить

• Символ химического элемента фосфора — P.
• Фосфор образует несколько аллотропных модификаций.
• Белый фосфор особенно реакционноспособен и опасен; его хранят без доступа воздуха, обычно под водой.
• Красный фосфор менее активен, чем белый.
• В природе фосфор встречается преимущественно в составе фосфатов.
• При горении фосфор реагирует с кислородом с образованием оксида фосфора(V).