§ 32. Фосфор и его соединения

Определения и обозначения

Фосфор — химический элемент V группы, 3-го периода периодической системы, его символ — P. На внешнем электронном слое атома находятся пять электронов: 3s²3p³. Это объясняет способность фосфора образовывать разные соединения и проявлять степени окисления −3, +3 и +5.

Аллотропные модификации — простые вещества одного элемента, отличающиеся строением и свойствами. Для фосфора важны белый и красный фосфор: состав у них одинаковый, но частицы соединены по-разному. Поэтому меняются активность, токсичность, температура воспламенения и условия хранения.

Оксид фосфора(V) — кислотный оксид состава P₂O₅, которому соответствует молекулярная формула P₄O₁₀. Он является ангидридом фосфорной кислоты, то есть при взаимодействии с водой образует эту кислоту. В школьных уравнениях обычно используют формулу P₂O₅, потому что она удобна для расстановки коэффициентов.

Фосфорная кислота — трёхосновная кислота H₃PO₄. Три её атома водорода могут постепенно замещаться металлами, поэтому образуются кислые и средние соли. Такие соли называют фосфатами; они нужны, например, для производства удобрений.

Как это устроено

Пять внешних электронов фосфора определяют его химическое поведение. До устойчивой оболочки атому не хватает трёх электронов, поэтому в соединениях с активными металлами фосфор может принимать их и иметь степень окисления −3. С более электроотрицательными неметаллами он отдаёт или условно смещает электроны, проявляя положительные степени окисления +3 и +5.

Белый и красный фосфор различаются не составом, а строением частиц. В белом фосфоре атомы образуют небольшие молекулы P₄ с напряжённой структурой, поэтому связи легче разрываются в реакциях. В красном фосфоре атомы соединены в более протяжённую сетку, из-за чего он менее активен, менее токсичен и может храниться без воды, хотя его тоже берегут от нагревания.

Фосфор реагирует с кислородом, металлами и некоторыми неметаллами. При соединении с металлами образуются фосфиды, например 3Ca + 2P → Ca₃P₂; в них фосфор имеет степень окисления −3. С хлором фосфор образует хлориды: 2P + 3Cl₂ → 2PCl₃ и 2P + 5Cl₂ → 2PCl₅, где проявляются положительные степени окисления.

При горении в избытке кислорода фосфор соединяется с ним и образует оксид фосфора(V): 4P + 5O₂ → 2P₂O₅. Белый дым состоит из мельчайших частиц оксида, поэтому реакцию легко заметить. Оксид активно поглощает воду, а продукт реакции определяется уравнением P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄.

Фосфорная кислота реагирует с основаниями и основными оксидами как обычная кислота. Например, при избытке щёлочи образуется средняя соль: H₃PO₄ + 3NaOH → Na₃PO₄ + 3H₂O, а при недостатке основания возможны NaH₂PO₄ или Na₂HPO₄. Фосфаты используют в удобрениях, поскольку фосфор необходим растениям, но избыток фосфатов в воде может вызывать зарастание водоёмов.

Фосфор и его важнейшие соединения

Таблица помогает быстро сопоставить формулу, свойства и применение каждого вещества. При решении задачи сначала определяйте тип вещества, затем выбирайте характерную реакцию. Для оксида полезно помнить две записи: P₂O₅ — школьная формула, P₄O₁₀ — молекулярная.

Разбор задач

1. Уравнение реакции фосфора с кислородом

Условие: записать реакцию горения фосфора и расставить коэффициенты. Продуктом считаем оксид фосфора(V), потому что кислород находится в избытке. Уравнивание выполняем по числу атомов каждого элемента.

1. Записываем схему: P + O₂ → P₂O₅.
2. В правой части два атома фосфора, ставим 2 перед P₂O₅ и получаем четыре атома P справа.
3. Ставим 4 перед P. Справа десять атомов O, значит, перед O₂ нужен коэффициент 5.

Ответ: 4P + 5O₂ → 2P₂O₅.

2. Получение фосфорной кислоты

Условие: составить уравнение взаимодействия оксида фосфора(V) с водой. Кислотный оксид соединяется с водой с образованием соответствующей кислоты. Сначала записываем продукты, затем проверяем количество атомов.

1. Составляем схему: P₂O₅ + H₂O → H₃PO₄.
2. Слева два атома P, поэтому ставим 2 перед H₃PO₄.
3. Справа шесть атомов H, ставим 3 перед H₂O; число O также становится равным восьми.

Ответ: P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄.

3. Масса фосфорной кислоты

Условие: найти массу H₃PO₄, полученной из 14,2 г P₂O₅ при избытке воды. Избыток воды означает, что ограничивающим веществом является оксид. Используем уравнение P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄.

1. Находим молярную массу оксида: M(P₂O₅) = 2·31 + 5·16 = 142 г/моль.
2. Количество вещества оксида: n(P₂O₅) = 14,2 : 142 = 0,1 моль.
3. По уравнению из 1 моль P₂O₅ получается 2 моль кислоты, поэтому n(H₃PO₄) = 0,2 моль.
4. M(H₃PO₄) = 3·1 + 31 + 4·16 = 98 г/моль; m = 0,2·98 = 19,6 г.

Ответ: масса фосфорной кислоты равна 19,6 г.

Типичные ошибки

Белый и красный фосфор считают разными элементами. Ошибка возникает из-за резко различающихся свойств веществ. Проверка: у обеих форм один символ элемента P, значит, это аллотропные модификации.

Формулу P₄O₁₀ заменяют на P₂O₅ без пояснения или считают их разными оксидами. В школьных уравнениях применяют упрощённую формулу P₂O₅, а молекулярная запись оксида — P₄O₁₀. Сверяйте состав: соотношение атомов P:O в обоих случаях одинаково.

Фосфорную кислоту записывают как H₃PO₃. Так путают ортофосфорную кислоту с другой кислотой фосфора. Для этой темы запоминайте формулу H₃PO₄ и проверяйте четыре атома кислорода.

При нейтрализации всегда получают только одну соль. Число замещённых атомов водорода зависит от количества основания. Если щёлочь в недостатке, образуются кислые соли, а при полном замещении — средний фосфат.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, периодическом законе, валентности и степенях окисления. Также пригодятся умения составлять уравнения, различать оксиды, кислоты и соли, находить количество вещества и массу по уравнению реакции. Тема продолжается при изучении минеральных удобрений, круговорота фосфора в природе и роли фосфатов в живых организмах.

Что запомнить

• Белый и красный фосфор — аллотропные модификации одного элемента.
• Белый фосфор активнее красного и требует осторожного обращения.
• При горении фосфора образуется оксид фосфора(V).
• Оксид фосфора(V) — кислотный оксид; при взаимодействии с водой образуется H₃PO₄.
• Фосфорная кислота трёхосновная и образует несколько видов солей.
• Фосфаты широко применяются в производстве удобрений.