§ 32. Фосфор и его соединения

Определения и обозначения

Фосфор — химический элемент 15-й группы, образующий простое вещество P с неметаллическими свойствами и несколькими аллотропными модификациями. Его положение в таблице помогает предсказать строение атома и свойства соединений. Сам элемент обозначают P, а формулы простого вещества и его соединений записывают отдельно.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Для фосфора особенно важны белая и красная формы. Понятие аллотропии объясняет, почему вещества из атомов одного элемента могут отличаться по цвету, активности и опасности.

Оксид фосфора(V) — кислотный оксид, который в школьных задачах записывают формулой P₂O₅. Он образуется при горении фосфора и взаимодействует с водой с образованием фосфорной кислоты. Римская цифра V указывает на степень окисления фосфора, а свойства оксида помогают определить продукты его реакций.

Фосфорная кислота — кислота H₃PO₄, трёхосновная и слабая в водном растворе. Три атома водорода в её формуле могут замещаться атомами металла, поэтому кислота образует разные соли, в том числе фосфаты. Это важно при составлении уравнений нейтрализации и понимании состава удобрений.

Как это устроено

Фосфор относят к 15-й группе, потому что в его атоме пять электронов на внешнем энергетическом уровне. Атом может принимать три электрона, достигая устойчивой оболочки, поэтому возможна степень окисления −3. В соединениях с более электроотрицательными элементами фосфор отдаёт или смещает к ним электронную плотность; так возникают степени окисления +3 и +5. Отсюда следует, что фосфор образует соединения разного состава, а наиболее характерна для него степень окисления +5.

Свободный фосфор легко реагирует с другими веществами, поэтому в земной коре сохраняется преимущественно в виде соединений. Главные природные источники — фосфаты, в составе которых есть фосфор, кислород и обычно металл. Чтобы получить простое вещество, фосфат нагревают с восстановителем, например углеродом, и кремнезёмом; восстановитель помогает отделить фосфор от кислорода. Упрощённая схема промышленной реакции: Ca₃(PO₄)₂ + 3SiO₂ + 5C → 3CaSiO₃ + 2P + 5CO.

Белый и красный фосфор — разные аллотропные формы, потому что их частицы соединены по-разному. Белый фосфор состоит из молекул P₄; он мягкий, воскообразный, светится в темноте, ядовит и может самовоспламениться на воздухе. Красный фосфор имеет более протяжённое строение, поэтому он устойчивее, менее активен и значительно менее токсичен. Из-за опасности белый фосфор хранят без доступа воздуха, а красный используют, например, в спичечном производстве.

При горении атомы фосфора соединяются с кислородом; в избытке кислорода продуктом становится оксид фосфора(V): 4P + 5O₂ → 2P₂O₅. Это кислотный оксид, потому что он реагирует с водой с образованием кислоты, а со щелочами может давать соли. Взаимодействие с водой записывают так: P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄. Поэтому сам оксид служит промежуточным веществом при получении фосфорной кислоты.

Фосфорная кислота образуется при гидратации оксида, а при реакции с основаниями даёт соль и воду. Так, полная нейтрализация гидроксидом натрия приводит к фосфату натрия: H₃PO₄ + 3NaOH → Na₃PO₄ + 3H₂O. Три атома водорода в кислоте объясняют возможность образования солей с разным числом замещённых атомов водорода. Фосфаты используют при изготовлении минеральных удобрений: фосфор необходим растениям для роста и развития.

Фосфор и важнейшие соединения фосфора

Сначала сравнивайте формулы и классы веществ, а затем прослеживайте переходы между ними: фосфор → оксид → кислота → соль. Столбец о свойствах помогает выбрать подходящий тип реакции, а столбец о применении связывает химические свойства с практикой. Обратите внимание: P₂O₅ — школьная формула оксида фосфора(V), хотя его молекулярная формула может записываться иначе.

Разбор задач

Задача 1. Составьте и уравняйте реакции горения фосфора и взаимодействия оксида фосфора(V) с водой.

Нужно определить продукты по типу реакции. При горении неметалла в избытке кислорода образуется его высший оксид, а кислотный оксид при взаимодействии с водой даёт соответствующую кислоту.

1. Записываем формулы веществ: P и O₂ — реагенты, P₂O₅ — продукт горения.
2. Уравниваем атомы: 4P + 5O₂ → 2P₂O₅.
3. Для второй реакции записываем образование фосфорной кислоты: P₂O₅ + H₂O → H₃PO₄.
4. Уравниваем водород и кислород: P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄.

Ответ: 4P + 5O₂ → 2P₂O₅; P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄.

Задача 2. Осуществите превращения: P → P₂O₅ → H₃PO₄ → Na₃PO₄.

В цепочке нужно подобрать реакцию для каждого перехода. Сначала сжигаем фосфор, затем растворяем кислотный оксид в воде, а кислоту полностью нейтрализуем щёлочью. При полной нейтрализации замещаются все три атома водорода H₃PO₄.

1. Горение фосфора: 4P + 5O₂ → 2P₂O₅.
2. Получение кислоты: P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄.
3. Для получения средней соли Na₃PO₄ берём три молекулы NaOH на одну молекулу кислоты.
4. Уравнение нейтрализации: H₃PO₄ + 3NaOH → Na₃PO₄ + 3H₂O.

Ответ: уравнения трёх превращений приведены в последовательности; реагенты для последнего шага — NaOH.

Задача 3. Какую массу фосфата кальция необходимо взять, чтобы получить 31 г фосфора, если выход фосфора составляет 80%?

При промышленном получении фосфора фосфат кальция восстанавливают углеродом в присутствии SiO₂. Уравнение реакции показывает, сколько фосфора теоретически получается из заданного количества соли. Сначала учитываем выход продукта, затем используем соотношение коэффициентов.

1. Записываем уравнение: Ca₃(PO₄)₂ + 3SiO₂ + 5C → 3CaSiO₃ + 2P + 5CO.
2. 31 г — фактическая масса, составляющая 80% теоретической. Теоретически нужно получить 31 / 0,80 = 38,75 г P.
3. Количество фосфора: n(P) = 38,75 / 31 = 1,25 моль. По уравнению 1 моль Ca₃(PO₄)₂ даёт 2 моль P, значит n(Ca₃(PO₄)₂) = 1,25 / 2 = 0,625 моль.
4. Молярная масса Ca₃(PO₄)₂ равна 310 г/моль. Масса соли: m = 0,625 · 310 = 193,75 г.

Ответ: потребуется 193,75 г, или примерно 194 г фосфата кальция.

Типичные ошибки

Путать белый и красный фосфор. Иногда свойства одного вида переносят на другой, потому что оба вещества состоят из фосфора. Проверь себя по признакам: белый фосфор ядовит, активен и может самовоспламеняться; красный устойчивее и безопаснее при обычном обращении.

Записывать P₂O₃ или считать P₂O₅ основным оксидом. Ошибка возникает из-за смешения разных степеней окисления или незнания характера оксидов неметаллов. В задачах о горении в избытке кислорода используй P₂O₅ и проверь его свойства: с водой он образует кислоту, значит, это кислотный оксид.

Указывать неверный продукт горения. Можно ошибочно записать фосфорную кислоту, но для её образования нужна ещё вода. При горении фосфора в избытке кислорода сначала получается P₂O₅; проверь уравнение, убедившись, что среди реагентов есть только фосфор и кислород.

Считать фосфорную кислоту одноосновной. Так думают, если ориентируются на привычную схему одной реакции нейтрализации. В формуле H₃PO₄ три атома водорода, поэтому возможны разные соли; при получении Na₃PO₄ требуется три NaOH на одну H₃PO₄. Проверяй число замещённых атомов водорода и баланс уравнения.

Связь с другими темами

Для изучения фосфора пригодятся знания о группах Периодической системы, строении атома, степенях окисления и признаках неметаллов. Нужно уметь составлять уравнения горения, реакций кислотных оксидов с водой и нейтрализации кислот основаниями. Тема связывает химию с биологией и экологией: фосфаты входят в состав живых организмов, участвуют в круговороте веществ, а их избыток в воде нарушает состояние водоёмов. Практическое значение соединений фосфора особенно заметно при производстве минеральных удобрений.

Что запомнить

• Фосфор — неметалл 15-й группы; наиболее характерная степень окисления в его соединениях — +5.
• В природе фосфор встречается в составе соединений, поскольку простое вещество химически активно.
• Белый фосфор активнее и токсичнее красного; красный устойчивее.
• При горении фосфора образуется кислотный оксид P₂O₅.
• При взаимодействии P₂O₅ с водой образуется H₃PO₄.
• Фосфорная кислота трёхосновная и образует фосфаты.
• Фосфаты широко используют при производстве минеральных удобрений.