"Химия", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Дроздов А.А. и др./ Под ред. Лунина В.В.
Фосфорная кислота H₃PO₄ — важная неорганическая кислота, из которой образуются фосфаты, гидрофосфаты и дигидрофосфаты. Её особенность в том, что молекула содержит три атома водорода, способных замещаться металлом или отщепляться в виде ионов. Поэтому кислота диссоциирует ступенчато, а при реакции с основанием состав соли зависит от соотношения реагентов. Понимание этих правил помогает составлять формулы солей и уравнения реакций.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Фосфорная кислота — кислота с формулой H₃PO₄; в школьном курсе под этим названием рассматривают ортофосфорную кислоту. В одной её молекуле находятся три атома водорода, один атом фосфора и четыре атома кислорода. Эта формула нужна, чтобы определять состав кислоты и правильно составлять уравнения реакций.
Трёхосновная кислота — кислота, молекула которой может отщепить три иона водорода H⁺. H₃PO₄ относится к таким кислотам, потому что в её формуле три атома водорода. Понятие основности помогает понять, сколько ионов водорода может участвовать в образовании соли.
Фосфат — соль фосфорной кислоты, в которой все три атома водорода замещены атомами металла. Кислотный остаток такой соли — PO₄³⁻, то есть он имеет заряд 3−. Это обозначение помогает подобрать формулу соли, уравновесив заряд остатка зарядами катионов.
Гидрофосфат и дигидрофосфат — кислые соли фосфорной кислоты, в остатках которых сохраняются соответственно один и два атома водорода. Их формулы содержат ионы HPO₄²⁻ и H₂PO₄⁻. По числу оставшихся атомов водорода можно различить эти соли и определить заряд их кислотного остатка.
Молекула H₃PO₄ устроена так, что три атома водорода способны замещаться металлом или переходить в раствор в виде ионов H⁺. Поэтому при образовании солей может замещаться не весь водород сразу. Число замещённых атомов определяет, будет ли соль средней или кислой. Именно этим объясняется разнообразие солей одной и той же кислоты.
Диссоциация фосфорной кислоты — распад на ионы в растворе — идёт ступенчато, потому что после каждого отщепления H⁺ частица становится более отрицательно заряженной. Следующему положительному иону всё труднее от неё отделиться. Стадии записывают так: H₃PO₄ ⇌ H⁺ + H₂PO₄⁻; H₂PO₄⁻ ⇌ H⁺ + HPO₄²⁻; HPO₄²⁻ ⇌ H⁺ + PO₄³⁻. На каждой стадии проверьте и число атомов, и суммарный заряд: слева и справа они должны совпадать.
Состав солей прямо связан с тем, сколько водорода осталось в кислотном остатке. Если замещены все три атома, образуется фосфат с остатком PO₄³⁻; если два — гидрофосфат HPO₄²⁻; если один — дигидрофосфат H₂PO₄⁻. Например, ион Na⁺ соединяется с этими остатками в формулах Na₃PO₄, Na₂HPO₄ и NaH₂PO₄. Индексы показывают, сколько частиц нужно для электрически нейтральной соли.
Фосфорная кислота проявляет общие свойства кислот: реагирует с основаниями и основными оксидами, а с некоторыми металлами может выделять водород. Например, с гидроксидом натрия возможна реакция H₃PO₄ + 3NaOH → Na₃PO₄ + 3H₂O, а с основным оксидом — 2H₃PO₄ + 3CuO → Cu₃(PO₄)₂ + 3H₂O. Пример реакции с металлом: Zn + 2H₃PO₄ → Zn(H₂PO₄)₂ + H₂↑. В каждом случае состав соли зависит от того, сколько атомов водорода заместилось.
При нейтрализации кислота передаёт атомы водорода основанию, образуя воду, а оставшиеся частицы составляют соль. Если основания хватает на замещение всех трёх атомов водорода, получается средняя соль; если его меньше — кислая. Поэтому недостаток основания не означает, что реакции нет: он меняет состав продукта. Для верного ответа нужно учитывать и формулы веществ, и их соотношение.
| Характеристика | Фосфорная кислота | Пример соли |
|---|---|---|
| Формула кислоты | H₃PO₄ | Na₃PO₄ |
| Основность кислоты | Трёхосновная | Три атома водорода могут замещаться |
| Ступени диссоциации | H₃PO₄ → H₂PO₄⁻ → HPO₄²⁻ → PO₄³⁻ | NaH₂PO₄; Na₂HPO₄; Na₃PO₄ |
| Тип соли | — | Кислая: дигидрофосфат; средняя: фосфат |
| Формула соли | — | NaH₂PO₄, Na₂HPO₄, Na₃PO₄ |
| Условие образования при нейтрализации | Соотношение кислоты и основания влияет на продукт | Недостаток основания — кислая соль; полная нейтрализация — средняя |
Сначала найдите строку, которая отвечает на вопрос: например, о заряде остатка или условии реакции. Затем сравните формулу кислоты с формулами солей и проследите, сколько атомов водорода осталось. Стрелки в строке диссоциации обозначают последовательные стадии, а не одну реакцию с одновременным отщеплением всех ионов.
Запишите уравнение первой ступени диссоциации H₃PO₄ и укажите образующиеся ионы. Нужно помнить, что на первой стадии отщепляется только один ион H⁺. Остальная часть молекулы становится отрицательным ионом H₂PO₄⁻.
Уравнение: H₃PO₄ ⇌ H⁺ + H₂PO₄⁻. Проверка: число атомов водорода равно трём с обеих сторон, а суммарный заряд справа равен нулю. Ответ: образуются ионы H⁺ и H₂PO₄⁻.
Составьте формулы фосфата, гидрофосфата и дигидрофосфата натрия. Катион натрия имеет заряд 1+, а остатки имеют заряды PO₄³⁻, HPO₄²⁻ и H₂PO₄⁻. Формулу составляем так, чтобы положительный и отрицательный заряды взаимно компенсировались.
Проверьте каждую запись по заряду: например, в Na₂HPO₄ два заряда 1+ уравновешивают заряд 2−. Индекс 1 обычно не пишут. Ответ: Na₃PO₄, Na₂HPO₄, NaH₂PO₄.
Определите продукты реакции H₃PO₄ + Ca(OH)₂ при избытке кислоты и при избытке основания. Кальций образует ион Ca²⁺, поэтому формулу соли нужно составить с учётом его заряда и заряда кислотного остатка. Избыток кислоты оставляет в остатке водород, а избыток основания способствует полной нейтрализации.
В первом уравнении катион Ca²⁺ уравновешивают два остатка H₂PO₄⁻, а во втором три иона Ca²⁺ соединяются с двумя остатками PO₄³⁻. Ответ зависит от соотношения реагентов: избыток кислоты даёт кислую соль, избыток основания — среднюю соль. Между этими вариантами при подходящем соотношении может образоваться гидрофосфат кальция CaHPO₄.
Ошибка — считать фосфорную кислоту одноосновной, ориентируясь только на первую стадию диссоциации. Так думают, если замечают лишь один отделившийся H⁺, но в формуле H₃PO₄ есть ещё два атома водорода, способных отщепляться. Проверьте себя: проследите три ступени и убедитесь, что суммарно могут отделиться три иона.
Нельзя записывать диссоциацию H₃PO₄ сразу как полное отщепление трёх H⁺. Такая запись скрывает промежуточные частицы, а процесс на самом деле идёт последовательно. Для проверки выпишите каждую стадию отдельно и уравняйте заряды в ней.
Фосфат, гидрофосфат и дигидрофосфат легко перепутать, если запоминать только названия. Считайте атомы водорода в остатке: у фосфата их нет, у гидрофосфата один, у дигидрофосфата два. Затем проверьте заряд остатка: соответственно 3−, 2− и 1−.
Нельзя составлять формулу соли, не учитывая заряды ионов. Тогда запись может содержать лишний или недостаточный заряд, хотя внешне индексы выглядят правдоподобно. Проверка проста: умножьте заряд каждого иона на его количество и убедитесь, что сумма равна нулю.
Для изучения фосфорной кислоты нужно уметь узнавать формулы кислот, оснований и солей, понимать, что такое кислотный остаток, и составлять формулы по зарядам ионов. Эти знания позволяют записывать ступени диссоциации и уравнивать реакции. Тема продолжает общую классификацию кислот и изучение их химических свойств.
Кислые соли связывают тему с нейтрализацией: изменение количества основания может привести к другому составу соли. Это пригодится при составлении ионных уравнений и разборе реакций между кислотами и щёлочами. В частности, нужно различать полную нейтрализацию и замещение только части атомов водорода.
Почему фосфорная кислота называется трёхосновной?
В молекуле H₃PO₄ есть три атома водорода, которые могут отщепляться в виде ионов H⁺. Поэтому кислоту называют трёхосновной, хотя отщепление происходит не одновременно, а по ступеням.
Почему фосфорная кислота диссоциирует по ступеням?
Каждый следующий ион H⁺ отщепляется уже от частицы с отрицательным зарядом. Это происходит труднее, чем отщепление предыдущего иона, поэтому процесс записывают тремя последовательными стадиями.
Чем фосфат отличается от гидрофосфата?
В фосфате все три атома водорода кислоты замещены металлом, а кислотный остаток PO₄ имеет заряд 3−. В гидрофосфате один атом водорода остаётся в остатке HPO₄²−.
Как определить формулу соли фосфорной кислоты?
Сначала определите заряд катиона металла и кислотного остатка, затем подберите индексы так, чтобы суммарный заряд равнялся нулю. Например, для Na⁺ и PO₄³− нужны три иона натрия: Na₃PO₄.
Почему при реакции кислоты со щёлочью могут образоваться разные соли?
Это зависит от соотношения количества кислоты и основания. Если основания недостаточно для замещения всех атомов водорода, образуется кислая соль; при полной нейтрализации получается средняя соль.
§ 32. Фосфорная кислота
