§ 19. Фосфор и его соединения

Определения и обозначения

Фосфор — химический элемент с символом P, расположенный в 3-м периоде и 15-й группе (V группе) периодической системы. В нейтральном атоме 15 электронов, на внешнем уровне — пять. В соединениях фосфор часто имеет степени окисления −3, +3 и +5, поэтому может образовывать вещества разного состава.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ. Белый и красный фосфор состоят из атомов P, но атомы в них соединены и расположены по-разному. Это понятие помогает объяснить, почему формы одного элемента могут различаться внешним видом и свойствами.

Белый фосфор — молекулярная аллотропная форма, состоящая из молекул P₄. Он мягкий, воскообразный, светится в темноте на воздухе, ядовит и легко воспламеняется, поэтому его хранят под водой. Сравнение этой формы с красной показывает, как строение влияет на активность и безопасность вещества.

Красный фосфор — более устойчивая полимерная форма, в которой атомы образуют протяжённые структуры. Это тёмно-красное твёрдое вещество, менее активное и менее токсичное, чем белый фосфор; в воде оно не растворяется. Красный фосфор применяют, например, в спичечном производстве, где важны его устойчивость и способность загораться при трении.

Как это устроено

У фосфора на внешнем уровне пять электронов: два находятся на s-подуровне и три — на p-подуровне. До устойчивой внешней оболочки не хватает трёх электронов, поэтому в соединениях с более электроположительными элементами фосфор может иметь степень окисления −3. С кислородом и другими более электроотрицательными элементами его степень окисления обычно положительная: +3 или +5; так строение атома объясняет разнообразие соединений фосфора.

В молекуле белого фосфора четыре атома образуют напряжённую структуру P₄, поэтому она легко вступает в реакции и делает вещество химически активным. В красной форме атомы связаны в протяжённые структуры, из-за чего она устойчивее и реагирует медленнее. Белый фосфор плавится при более низкой температуре, легко воспламеняется и растворяется в некоторых органических растворителях, тогда как красный менее летуч и практически нерастворим в воде и органических растворителях. Токсичность белого фосфора выше; с ним нельзя работать без специальных мер защиты.

При нагревании фосфор реагирует с кислородом, а при избытке кислорода образуется оксид фосфора(V): 4P + 5O₂ → 2P₂O₅. Здесь фосфор меняет степень окисления с 0 до +5, а кислород — с 0 до −2. С металлами фосфор при нагревании образует фосфиды, например 3Ca + 2P → Ca₃P₂, где фосфор имеет степень окисления −3. С некоторыми неметаллами, например хлором, он также реагирует: при недостатке хлора возможно образование PCl₃, а при избытке — PCl₅.

Оксид фосфора(V) — кислотный оксид: он соответствует фосфорной кислоте и реагирует с водой с её образованием. Уравнение часто записывают в школьной форме P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄; молекулярный состав оксида при этом — P₄O₁₀. Кислотные свойства подтверждаются и реакциями с основаниями: при полной нейтрализации щёлочью получается соль, например P₂O₅ + 6NaOH → 2Na₃PO₄ + 3H₂O.

Фосфорная кислота H₃PO₄ — кислота средней силы и трёхосновная кислота: в воде она отдаёт ионы водорода ступенчато. С основаниями и основными оксидами она образует соли и воду; например, H₃PO₄ + 3NaOH → Na₃PO₄ + 3H₂O при полном нейтрализовании. Соли фосфорной кислоты называют фосфатами; они могут образоваться также в реакциях обмена с растворимыми солями, если выпадает осадок. Фосфаты входят в состав минералов и служат сырьём для фосфорных удобрений.

Фосфор и важнейшие соединения фосфора

Сначала сопоставляй формулу и строение: по ним можно понять, чем простые формы фосфора отличаются от его соединений. Затем сравнивай химические свойства и проверяй, какие превращения связывают оксид, кислоту и соли. Формулы P₂O₅ и P₄O₁₀ описывают оксид фосфора(V) на разных уровнях записи, поэтому при составлении уравнения важно придерживаться одной формы.

Разбор задач

1. Определите степени окисления фосфора в PH₃, P₂O₅ и H₃PO₄

В нейтральном веществе сумма степеней окисления всех атомов равна нулю. Обычно водород в соединениях с неметаллами имеет степень окисления +1, а кислород — −2. Обозначим степень окисления фосфора через x и составим равенство с учётом числа атомов.

1. В PH₃: x + 3 · (+1) = 0, поэтому x = −3.
2. В P₂O₅: 2x + 5 · (−2) = 0, поэтому 2x = 10 и x = +5.
3. В H₃PO₄: 3 · (+1) + x + 4 · (−2) = 0, поэтому x = +5.

Ответ: в PH₃ фосфор имеет степень окисления −3, а в P₂O₅ и H₃PO₄ — +5. Проверка проста: сумма степеней окисления в каждом нейтральном веществе должна быть равна нулю.

2. Составьте уравнения горения фосфора и взаимодействия оксида с водой

Горение означает реакцию вещества с кислородом. При избытке кислорода фосфор образует оксид фосфора(V), а затем кислотный оксид соединяется с водой и даёт соответствующую кислоту. Коэффициенты нужно подобрать так, чтобы количество атомов каждого элемента слева и справа совпадало.

1. Записываем схему горения: P + O₂ → P₂O₅.
2. Уравниваем атомы: 4P + 5O₂ → 2P₂O₅.
3. Записываем реакцию с водой и уравниваем её: P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄.

Ответ: 4P + 5O₂ → 2P₂O₅; P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄. В первой реакции фосфор окисляется от 0 до +5, а во второй состав оксида перестраивается при образовании кислоты.

3. Цепочка P → P₂O₅ → H₃PO₄ → Ca₃(PO₄)₂

В цепочке простое вещество сначала окисляется, затем кислотный оксид превращается в кислоту. Чтобы получить фосфат кальция, нужно провести нейтрализацию фосфорной кислоты основанием кальция. При составлении последнего уравнения учитываем, что формула соли содержит три иона Ca²⁺ и два остатка PO₄³⁻.

1. Получаем оксид при горении: 4P + 5O₂ → 2P₂O₅.
2. Добавляем воду: P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄.
3. Проводим полную нейтрализацию гидроксидом кальция: 2H₃PO₄ + 3Ca(OH)₂ → Ca₃(PO₄)₂↓ + 6H₂O.

Ответ: уравнения записаны последовательно; итоговым продуктом является малорастворимый фосфат кальция. Стрелка вниз показывает выпадение осадка, а коэффициенты обеспечивают равное число атомов каждого элемента по обе стороны уравнения.

Типичные ошибки

Белый и красный фосфор иногда считают разными химическими элементами, потому что они заметно отличаются по цвету и поведению. Но у них одинаковый химический элементный состав, поэтому это аллотропные формы фосфора. Проверь себя: символ элемента один и тот же — P, меняется только строение простого вещества.

Формулу оксида записывают как P₂O₅ и забывают, что молекулярный состав вещества выражают формулой P₄O₁₀. Запись P₂O₅ удобна для школьных уравнений и соответствует простейшему соотношению атомов, но нельзя незаметно смешивать обе формы в одном уравнении. Проверь коэффициенты подсчётом атомов: уравнение должно быть уравнено именно для той формулы, которую ты записал.

Фосфорную кислоту ошибочно называют сильной и считают, что она полностью распадается на ионы за один шаг. Так путают её с сильными кислотами, для которых в школьной модели записывают полную диссоциацию. Помни, что H₃PO₄ — кислота средней силы, отдающая ионы водорода ступенчато.

Фосфаты путают с фосфидами или неверно составляют продукты реакции кислоты с основанием. Фосфаты — соли фосфорной кислоты с кислородсодержащим остатком, а фосфиды — соединения фосфора с металлами без такого остатка. Проверь формулу соли по зарядам ионов и учти, сколько кислоты и основания требуется для полной или частичной нейтрализации.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, положении элементов в периодической системе, степенях окисления и составлении уравнений. Свойства оксида, кислоты и фосфатов опираются на уже изученные классы неорганических веществ. Эти знания пригодятся при рассмотрении качественных реакций на фосфат-ионы, удобрений и круговорота фосфора в природе; сравнение с азотом, углеродом и кремнием помогает увидеть общие свойства неметаллов и элементов главных подгрупп.

Что запомнить

• Фосфор — неметалл V группы; его символ — P.
• Белый и красный фосфор являются аллотропными формами одного элемента.
• Белый фосфор более активен, токсичен и легко воспламеняется; красный фосфор устойчивее.
• При горении фосфора образуется кислотный оксид фосфора(V).
• Оксид фосфора(V) с водой образует фосфорную кислоту H₃PO₄.
• Фосфорная кислота образует соли — фосфаты.
• Фосфаты входят в состав минеральных удобрений и природных минералов.