"Химия (изд. Астрель)", Оржековский П.А., Мещерякова Л.М. и др.
Фосфор — неметалл с символом P и порядковым номером 15. Он входит в состав живых организмов и природных минералов, а его соединения нужны для производства минеральных удобрений. Один и тот же элемент образует белую, красную и чёрную аллотропные формы: они отличаются строением, поэтому у них неодинаковые свойства и применение. Понимание строения атома фосфора помогает объяснить его реакции и образование важных соединений — оксидов, фосфорной кислоты и фосфатов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Фосфор — химический элемент P с порядковым номером 15, относящийся к неметаллам. Его атом содержит 15 протонов и 15 электронов, а символ P используют в формулах веществ. Фосфор входит в состав природных минералов и живых организмов, поэтому его соединения важны и для природы, и для хозяйства.
Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Атомы одного элемента могут по-разному соединяться или располагаться в пространстве. Это понятие помогает понять, почему белый, красный и чёрный фосфор — не разные элементы, а разные формы одного элемента.
Белый фосфор — молекулярная аллотропная форма фосфора P₄, ядовитая, легко воспламеняющаяся и светящаяся в темноте. В записи P₄ индекс показывает, что одна молекула содержит четыре атома фосфора. Из-за опасности эту форму хранят под водой и не берут руками.
Красный фосфор — более устойчивое полимерное простое вещество фосфора, применяемое, в частности, в производстве спичек. Полимерное строение означает, что атомы связаны в длинные цепи или сетки, а не собраны в отдельные молекулы P₄. Поэтому красный фосфор менее склонен к самовоспламенению и удобнее для практического использования.
Порядковый номер фосфора равен 15, значит, в нейтральном атоме 15 электронов. Его электронная формула — 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³, а на внешнем уровне находятся пять электронов. Атому удобно присоединить три электрона до завершения внешнего уровня, поэтому в некоторых соединениях фосфор имеет степень окисления −3; при образовании связей с более электроотрицательными элементами он может иметь +3 или +5.
У фосфора существуют несколько аллотропных форм, потому что его атомы могут соединяться и располагаться по-разному. В белом фосфоре отдельные молекулы P₄ имеют напряжённое строение, поэтому вещество химически активно, токсично и легко воспламеняется. В красном атомы образуют протяжённую структуру, что делает его устойчивее; чёрный фосфор имеет слоистую структуру и по свойствам напоминает некоторые слоистые твёрдые вещества.
В реакции с неметаллами фосфор часто отдаёт электроны и повышает степень окисления, поэтому выступает восстановителем. Например, при горении в кислороде фосфор переходит из степени окисления 0 в +5. С активными металлами фосфор, напротив, принимает электроны и становится отрицательно заряженным в соединении, то есть выступает окислителем.
При достаточном количестве кислорода фосфор сгорает с образованием оксида фосфора(V): 4P + 5O₂ → 2P₂O₅. Формула P₂O₅ показывает простейшее соотношение атомов, а молекулярную формулу этого оксида записывают P₄O₁₀. Оксид реагирует с водой и образует фосфорную кислоту: P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄; при проверке коэффициентов число атомов каждого элемента должно совпадать слева и справа.
Промышленный способ получения фосфора основан на восстановлении природных фосфатов углеродом при высокой температуре в присутствии кремнезёма. В результате фосфор выделяется в виде пара, который охлаждают, а побочные продукты удаляют. Соединения фосфора используют в удобрениях, поскольку растениям нужен этот элемент; красный фосфор применяют в спичечной промышленности, а фосфаты — и в других материалах и производствах.
| Объект | Строение | Основные физические свойства | Химические свойства или применение |
|---|---|---|---|
| Белый фосфор | Отдельные молекулы P₄ | Мягкий, ядовитый, светится в темноте | Очень активен, легко воспламеняется; хранится под водой |
| Красный фосфор | Полимерные цепи или сетки атомов | Твёрдый, менее опасный и более устойчивый | Используется в производстве спичек |
| Чёрный фосфор | Слоистая структура | Твёрдый, наиболее устойчивый | Менее активен, чем белый фосфор |
| Оксид фосфора(V) | Соединение фосфора с кислородом; P₂O₅, молекулярная формула P₄O₁₀ | Твёрдое вещество | С водой образует фосфорную кислоту |
| Фосфорная кислота | H₃PO₄ | Растворяется в воде | Образует соли — фосфаты |
| Фосфаты | Соли фосфорной кислоты | Свойства зависят от состава соли | Применяются, в частности, в минеральных удобрениях |
Сравнивайте модификации по строению: оно помогает объяснить разницу в устойчивости и опасности. Для оксида, кислоты и фосфатов смотрите, как одно соединение связано с другим реакцией или составом. Таблица также показывает, почему сведения о свойствах важны для выбора области применения.
Задача 1. Составьте электронную формулу атома фосфора и определите его возможные степени окисления в простом веществе, PCl₃ и H₃PO₄. Для атома используем порядковый номер, а для соединений — известные степени окисления хлора, водорода и кислорода. В нейтральной молекуле сумма степеней окисления равна нулю.
Ответ: электронная формула — 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³; степени окисления фосфора: 0, +3 и +5 соответственно.
Задача 2. Запишите реакции фосфора с кислородом и кальцием, расставьте коэффициенты и укажите окислитель и восстановитель. Сначала определим, как меняются степени окисления: это позволит установить, кто отдаёт и кто принимает электроны. Затем проверим сохранение атомов в уравнениях.
Ответ: уравнения и роли участников приведены выше; при реакции с кислородом фосфор — восстановитель, а с кальцием — окислитель.
Задача 3. Найдите массу фосфора, необходимую для получения 28,4 г оксида фосфора(V), если выход продукта составляет 80%. Сначала вычислим, сколько оксида должно было бы получиться теоретически: практическая масса составляет только 80% от неё. Затем применим соотношение веществ из уравнения реакции.
Ответ: для получения 28,4 г оксида при выходе 80% потребуется 15,5 г фосфора.
Белый и красный фосфор иногда считают разными химическими элементами из-за заметной разницы в свойствах. Но оба состоят только из атомов P, а различается их строение — это аллотропные модификации. Проверьте себя: если состав простого вещества включает атомы одного элемента, речь не идёт о разных элементах.
Можно спутать обозначение фосфора P с формулой белого фосфора P₄. P — символ элемента и запись состава простого вещества в уравнении, а P₄ обозначает одну молекулу белого фосфора. Уточняйте, о чём говорит условие: об элементе, простом веществе вообще или конкретной молекулярной форме.
Степень окисления фосфора иногда переносят из одного вещества в другое, забывая проверить состав. В простом веществе она всегда равна 0, а в соединениях её находят по известным степеням окисления остальных элементов; часто встречаются −3, +3 и +5. Проверка простая: сумма степеней окисления должна соответствовать заряду частицы.
В реакции оксида фосфора(V) с водой могут поставить неверные коэффициенты или получить фосфористую кислоту вместо фосфорной. Оксиду P₂O₅ соответствует уравнение P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄, а формула кислоты — H₃PO₄. Пересчитайте атомы P, H и O по обе стороны и сверьте название с формулой.
Чтобы разобраться в теме, нужны знания о строении атома, периодической системе, валентности и степенях окисления. Также пригодятся правила составления и уравнивания химических реакций, особенно окислительно-восстановительных. Фосфор связан с уже знакомыми классами веществ: кислородом, оксидами, кислотами и солями. Позже эти знания помогут изучать минеральные удобрения, круговорот веществ в природе и природные фосфаты.
Почему белый и красный фосфор считают простыми веществами одного элемента?
Оба вещества состоят только из атомов фосфора, поэтому это простые вещества одного химического элемента. Они различаются расположением и связями атомов — такое явление называют аллотропией.
Почему белый фосфор нельзя хранить на воздухе?
На воздухе белый фосфор постепенно окисляется, а при обычной температуре может самовоспламениться. Поэтому его хранят под водой, которая не даёт кислороду воздуха соприкасаться с веществом.
Чем красный фосфор отличается от белого по строению и свойствам?
Белый фосфор состоит из отдельных молекул P₄, а красный имеет полимерное строение — атомы соединены в протяжённые цепи или сетки. Красный фосфор устойчивее, менее опасен и не светится в темноте.
Как определить степень окисления фосфора в соединении?
Сначала используют известные степени окисления других элементов, а затем учитывают, что сумма степеней окисления в нейтральном соединении равна нулю. Например, в PCl₃ хлор имеет −1, поэтому фосфор — +3; в H₃PO₄ водород имеет +1, кислород −2, и фосфор — +5.
Почему фосфаты используют в производстве минеральных удобрений?
Фосфаты содержат фосфор, который необходим растениям для роста и развития. В составе удобрений эти соединения помогают восполнять недостаток доступного фосфора в почве.
§ 38. Фосфор.
