"Химия", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е. и др.
Фосфор — неметалл 15-й группы, который образует несколько простых веществ с разным строением и свойствами. Белый фосфор очень активен и опасен, красный используют в спичечном производстве, а чёрный отличается слоистой структурой. В соединениях фосфор проявляет степени окисления −3, +3 и +5. При горении он образует оксид, из которого получают фосфорную кислоту и её соли — фосфаты, необходимые растениям и применяемые в минеральных удобрениях.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Фосфор — химический элемент 15-й группы, символ P, порядковый номер 15. Он находится в третьем периоде Периодической таблицы и относится к неметаллам. Положение элемента помогает предсказать строение его атома и свойства соединений: у фосфора пять электронов на внешнем уровне, а типичные степени окисления — −3, +3 и +5.
Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Например, атомы одного элемента могут образовывать молекулы или упорядочиваться в кристаллические слои. Это понятие нужно, чтобы объяснить, почему простые вещества одного элемента могут выглядеть и вести себя по-разному.
Аллотропные модификации фосфора — белый, красный и чёрный фосфор. Это формы одного элемента: их состав образован атомами фосфора, а не атомами разных элементов. Различия в том, как атомы соединены и расположены, влияют на цвет, активность, токсичность и применение каждой формы.
Фосфин — летучее водородное соединение фосфора с формулой PH₃. Одна его молекула состоит из одного атома фосфора и трёх атомов водорода. Фосфин — ядовитый, бесцветный газ; его формула показывает, как фосфор образует соединение со степенью окисления −3, а изучение этого вещества связывает свойства элемента с его водородными соединениями.
Фосфор находится в 15-й группе, поэтому на его внешнем электронном уровне пять электронов; электронная конфигурация внешнего уровня — 3s²3p³. До устойчивой внешней оболочки ему не хватает трёх электронов, поэтому в некоторых соединениях фосфор принимает их и получает степень окисления −3. В других соединениях он участвует в образовании связей, соответствующих степеням окисления +3 или +5, что и объясняет разнообразие его химии.
Белый, красный и чёрный фосфор отличаются не набором атомов, а их расположением и способом связывания. Белый фосфор состоит из отдельных молекул P₄, которые легко вступают в реакции; красный имеет более сложное полимерное строение, а чёрный образует слоистую структуру. Поэтому белый фосфор активнее и токсичнее, красный устойчивее, а чёрный по строению напоминает слоистые кристаллические вещества.
Из-за высокой активности белый фосфор может загореться при соприкосновении с кислородом воздуха, поэтому его держат под водой, которая ограничивает доступ кислорода. Красный фосфор менее активен и при обычных условиях не воспламеняется так легко. Его используют в спичечном производстве: при трении о специальную поверхность возникает нагревание, запускающее воспламенение смеси на головке спички.
При взаимодействии с кислородом фосфор окисляется и образует оксид фосфора(V): 4P + 5O₂ → 2P₂O₅. Степень окисления фосфора меняется с 0 в простом веществе на +5 в оксиде, а кислорода — с 0 на −2. С металлами фосфор образует фосфиды, где обычно имеет степень окисления −3; например, 3Ca + 2P → Ca₃P₂, и кальций при этом окисляется от 0 до +2.
Оксид фосфора(V) — кислотный оксид: при взаимодействии с водой он образует фосфорную кислоту, P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄. Кислота реагирует с основаниями с образованием солей; например, 2H₃PO₄ + 3Ca(OH)₂ → Ca₃(PO₄)₂↓ + 6H₂O. Фосфаты важны как источник фосфора для растений и используются в минеральных удобрениях, но растворимость разных фосфатов неодинакова.
| Характеристика | Белый фосфор | Красный фосфор | Чёрный фосфор |
|---|---|---|---|
| Внешний вид | Белое или желтоватое воскообразное вещество | Красный порошок | Тёмное твёрдое вещество с металлическим блеском |
| Строение частиц | Молекулы P₄ | Сложная полимерная структура | Слоистая кристаллическая структура |
| Химическая активность | Высокая | Ниже, чем у белого | Низкая при обычных условиях |
| Токсичность | Высокая | Значительно ниже | Низкая |
| Условия хранения и применение | Хранят под водой | Хранят без доступа к источникам нагрева; применяют в спичечном производстве | Хранят в обычных условиях; ограниченно применяют в материалах и исследованиях |
Сравнивайте модификации по строкам: так видно, как строение связано с активностью и обращением с веществом. Например, высокая активность белого фосфора объясняет необходимость хранить его под водой. Таблица также помогает не путать свойства форм одного элемента с различиями в химическом составе.
Условие. Запишите формулу высшего оксида фосфора и определите степень окисления фосфора в нём. Высший оксид соответствует наибольшей характерной степени окисления элемента. Здесь важно проверить результат правилом электронейтральности: сумма степеней окисления атомов в соединении равна нулю.
Ответ: формула высшего оксида — P₂O₅, степень окисления фосфора — +5. Молекулярную формулу этого оксида также записывают как P₄O₁₀, но в школьных уравнениях часто используют P₂O₅. В обоих случаях степень окисления фосфора остаётся +5.
Условие. Составьте и уравняйте уравнение горения фосфора в кислороде. При горении образуется оксид фосфора(V), потому что кислород окисляет фосфор до его высшей характерной степени окисления. Для уравнивания нужно сохранить число атомов каждого элемента по обе стороны стрелки.
Ответ: 4P + 5O₂ → 2P₂O₅. Проверка показывает, что с обеих сторон по четыре атома фосфора и десять атомов кислорода. Степень окисления фосфора при реакции повышается от 0 до +5.
Условие. Составьте цепочку: фосфор → оксид фосфора(V) → фосфорная кислота → фосфат кальция. В каждой стрелке нужно указать реагент и записать уравнение. Последовательно используем горение неметалла, взаимодействие кислотного оксида с водой и реакцию кислоты с основанием.
Ответ: 4P + 5O₂ → 2P₂O₅; P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄; 2H₃PO₄ + 3Ca(OH)₂ → Ca₃(PO₄)₂↓ + 6H₂O. В последнем уравнении образуется малорастворимый фосфат кальция, поэтому его формулу нужно проверить по таблице растворимости. Фосфорную кислоту получают не напрямую из фосфора и воды, а через оксид.
Ошибка — считать белый, красный и чёрный фосфор разными химическими элементами. Так могут подумать из-за заметных различий в цвете и свойствах, но все формы состоят из атомов фосфора. Проверьте себя: аллотропные модификации отличаются строением простого вещества, а не составом атомов.
Ошибка — путать формулы оксидов фосфора или неверно находить степень окисления. Это происходит, если запомнить формулу без проверки соотношения атомов. Используйте правило электронейтральности: в P₂O₅ два атома P со степенью +5 компенсируют пять атомов O со степенью −2.
Ошибка — записывать образование фосфорной кислоты непосредственно из фосфора и воды. Такое превращение кажется простым, если ориентироваться только на состав кислоты, но сначала фосфор окисляется кислородом и образует оксид. Проверьте цепочку: P → P₂O₅ → H₃PO₄, а на каждом шаге должно быть реальное химическое превращение.
Ошибка — считать, что все фосфаты растворяются в воде. Учащиеся иногда переносят свойство одной соли на все соли фосфорной кислоты, хотя растворимость зависит от состава вещества. Проверьте конкретную соль по таблице растворимости; например, фосфат кальция выпадает в осадок.
Чтобы изучать фосфор, нужно знать строение атома, электронные слои и положение элементов в Периодической таблице: именно они помогают объяснять типичные степени окисления. При составлении формул оксидов, фосфидов и других бинарных соединений пригодится умение определять степени окисления. Далее эти знания связывают свойства оксидов с кислотами и солями, помогают разбирать реакции получения фосфатов и понимать роль минеральных удобрений. Фосфор и его соединения также важны при изучении круговорота элементов в природе.
Почему белый и красный фосфор считают одним и тем же элементом?
Они состоят из атомов одного химического элемента — фосфора, но атомы по-разному соединены и расположены. Поэтому белый и красный фосфор различаются свойствами, хотя их химический состав один и тот же.
Чем белый фосфор опасен и почему его хранят под водой?
Белый фосфор ядовит и легко воспламеняется на воздухе. Вода не даёт ему соприкасаться с кислородом, поэтому вещество хранят под водой.
Какие степени окисления характерны для фосфора?
Наиболее характерны степени окисления −3, +3 и +5. Например, фосфор имеет −3 в PH₃, +3 в P₂O₃ и +5 в P₂O₅.
Как из фосфора получить фосфорную кислоту?
Сначала фосфор сжигают в кислороде и получают оксид фосфора(V): 4P + 5O₂ → 2P₂O₅. Затем оксид взаимодействует с водой: P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄.
Почему фосфаты важны для растений?
Фосфор необходим растениям для роста и процессов обмена веществ. Фосфаты входят в состав минеральных удобрений, которые помогают восполнять запасы доступного растениям фосфора в почве.
§ 31. Фосфор
