"Химия", Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н.
Фосфор — химический элемент 15-й группы и простое вещество, которое существует в нескольких формах. Белый и красный фосфор состоят из атомов одного элемента, но отличаются строением, свойствами и опасностью. Положение фосфора в периодической системе помогает понять его электронное строение и типичные реакции. Знание этих различий объясняет, почему белый фосфор хранят под водой, а красный используют, например, в спичечных коробках.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Фосфор как химический элемент — это вид атомов с зарядом ядра +15; его символ — P, порядковый номер — 15. Элемент находится в 3-м периоде и 15-й группе периодической системы, а типичные степени окисления — −3, +3 и +5. Это определение помогает отличать атомы фосфора от веществ, которые они образуют.
Фосфор как простое вещество — материал, состоящий только из атомов фосфора. Такие атомы могут быть соединены по-разному, поэтому простое вещество не обязательно имеет единственный набор свойств. Различие между элементом и веществом нужно, чтобы не называть белый и красный фосфор разными элементами.
Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, которые отличаются строением и свойствами. Например, атомы одного элемента могут образовывать частицы разного состава или по-разному располагаться в пространстве. Понятие аллотропии объясняет, почему вещества из одинаковых атомов могут выглядеть и вести себя неодинаково.
Белый и красный фосфор — аллотропные модификации, то есть разные простые вещества одного элемента. Белый фосфор состоит из отдельных молекул P₄, а красный имеет более сложное строение из связанных атомов. Различие строения определяет их активность, токсичность и условия хранения, поэтому эти названия важны не только для описания внешнего вида.
Порядковый номер фосфора равен 15, значит, в ядре его атома 15 протонов; у нейтрального атома также 15 электронов. Третий период показывает, что электроны занимают три энергетических слоя, а группа помогает определить число электронов на внешнем уровне: их пять. Распределение по слоям записывают как 2, 8, 5, связывая место элемента в таблице со строением атома.
Пять внешних электронов участвуют в образовании химических связей, поэтому фосфор способен вступать в реакции с разными элементами. В соединениях он может принимать три электрона и иметь степень окисления −3 либо условно отдавать или смещать к партнёрам три или пять электронов, проявляя +3 или +5. Степень окисления — условный заряд атома в соединении; она помогает понять состав вещества и определить, какие превращения происходят в реакции.
Один элемент образует несколько простых веществ, когда его атомы связываются и располагаются неодинаково. В белом фосфоре они образуют отдельные молекулы P₄, а красный фосфор устроен как более протяжённая структура связанных атомов. Поскольку свойства вещества зависят от строения его частиц, белая и красная формы различаются по активности, внешнему виду и поведению при хранении.
Белый фосфор мягкий, воскообразный, ядовитый и легко воспламеняется на воздухе; его пары также опасны. В воде он практически не растворяется, поэтому его держат под водой, изолируя от кислорода воздуха. Красный фосфор — порошкообразное вещество, менее активное и значительно менее токсичное при обычном обращении; всё же с ним обращаются осторожно, поскольку пыль и нагрев могут быть опасны.
При горении фосфор соединяется с кислородом и образует оксид фосфора(V): 4P + 5O₂ → 2P₂O₅. Римская цифра V указывает на степень окисления фосфора в этом оксиде. С металлами фосфор может образовывать фосфиды, например 3Ca + 2P → Ca₃P₂, где фосфор имеет степень окисления −3; формула продукта показывает, с каким элементом он реагирует и какое соединение возникает.
| Свойство | Белый фосфор | Красный фосфор |
|---|---|---|
| Строение частиц | Отдельные молекулы P₄ | Связанные атомы, более протяжённая структура |
| Внешний вид | Мягкое воскообразное вещество, белое или слегка желтоватое | Красный или тёмно-красный порошок |
| Растворимость и хранение | Практически не растворяется в воде; хранят под водой | В воде не растворяется; не требует хранения под водой |
| Токсичность | Очень ядовит | Значительно менее токсичен при обычном обращении |
| Химическая активность | Высокая; может воспламениться на воздухе | Ниже, чем у белого фосфора |
| Применение | Используется ограниченно из-за высокой опасности | Применяется, например, в составе тёрочной поверхности спичечных коробков |
Сравнивая модификации, сначала соотнеси строение частиц с наблюдаемыми свойствами: отдельные молекулы белого фосфора объясняют его большую активность. Затем проверь, как различия влияют на хранение и опасность вещества. Таблица показывает общие признаки, но не означает, что красный фосфор полностью безопасен.
Определите число протонов, электронов и распределение электронов по слоям в атоме фосфора по его порядковому номеру. Порядковый номер фосфора равен 15. Считаем атом нейтральным, если в условии не сказано об ионе.
Проверка: 2 + 8 + 5 = 15, значит, учтены все электроны. Число внешних электронов равно 5. Ответ: 15 протонов, 15 электронов; распределение по слоям — 2, 8, 5.
Составьте уравнение реакции фосфора с кислородом при образовании оксида фосфора(V) и расставьте коэффициенты. Записываем обозначения реагентов P и O₂, а формулу оксида — P₂O₅. Индекс V в названии соответствует степени окисления фосфора +5.
Проверяем: слева 4 атома P и 10 атомов O, справа столько же. Коэффициенты показывают соотношение частиц, вступающих в реакцию, и не меняют состав формул. Ответ: 4P + 5O₂ → 2P₂O₅.
При сгорании фосфора получили 14,2 г оксида фосфора(V); найдите массу прореагировавшего фосфора. Используем уравнение 4P + 5O₂ → 2P₂O₅ и молярную массу P₂O₅: 2 · 31 + 5 · 16 = 142 г/моль. Коэффициенты уравнения дадут соотношение количеств веществ.
Смысл расчёта в том, что коэффициенты связывают количества веществ, а молярная масса переводит количество фосфора в граммы. Проверка единиц: моль умножаем на г/моль и получаем граммы. Ответ: вступило в реакцию 6,2 г фосфора.
Ошибка — считать белый и красный фосфор разными химическими элементами. К такому выводу подталкивают их заметно разные свойства и внешний вид, но свойства относятся к веществам, а не к заряду ядра их атомов. Проверь себя: если в обоих случаях атомы имеют 15 протонов, это один элемент и две его аллотропные модификации.
Не смешивай «фосфор как элемент» и «фосфор как простое вещество». Элементом называют вид атомов, а простым веществом — материал, состоящий из таких атомов; бытовое употребление одного слова для обоих понятий может запутать. Проверка простая: спроси, говорится ли о характеристике атома или о свойствах образованного им вещества.
Нельзя считать белый фосфор безопасным из-за сходства с воском. Внешнее впечатление обманчиво: белый фосфор ядовит и способен самовоспламеняться на воздухе. Проверяй свойства по химическим сведениям, а не по виду вещества; хранение под водой как раз указывает на опасность контакта с кислородом.
Формулу простого вещества фосфора не записывают как P₂ по аналогии с кислородом или водородом. Такая запись ошибочна, потому что строение фосфора зависит от аллотропной модификации, а в уравнениях реакций символ простого вещества записывают P. Проверь, не перенёс ли ты на фосфор формулу другой молекулы: белый фосфор, например, существует в виде молекул P₄.
Для понимания темы пригодятся знания о строении атома, периодической системе и электронных слоях: они помогают определить состав атома фосфора. Понятия химической связи и степени окисления нужны, чтобы объяснить различия между частицами и записать формулы продуктов реакций. Эти знания применяются при изучении других неметаллов, оксидов и кислот.
Дальше свойства фосфора помогают разобраться в круговороте химических элементов в природе и роли фосфора в живых организмах. Фосфор входит в состав важных биологических веществ, а его соединения встречаются в природе и используются при получении удобрений. Поэтому изучение элемента связывает химию веществ с природными процессами и жизнью организмов.
Почему белый и красный фосфор считают одним химическим элементом?
Оба вещества состоят только из атомов фосфора, у которых одинаковый заряд ядра — 15. Различается не элемент, а способ соединения атомов в частицах и структура вещества. Такие формы одного элемента называют аллотропными модификациями.
Чем отличаются атом фосфора и простое вещество фосфор?
Атом фосфора — отдельная частица с 15 протонами в ядре и 15 электронами. Простое вещество фосфор — материал, состоящий из множества атомов этого элемента. У него есть измеримые свойства, например цвет и химическая активность.
Почему белый фосфор хранят под водой?
На воздухе белый фосфор быстро окисляется и может самовоспламениться, особенно при нагревании. Вода ограничивает его контакт с кислородом, поэтому снижает опасность возгорания. При этом белый фосфор в воде практически не растворяется.
Как определить число электронов на внешнем уровне атома фосфора?
Фосфор находится в 15-й группе, поэтому у его атома пять электронов на внешнем энергетическом уровне. Это также видно из распределения электронов по слоям: 2, 8, 5. Порядковый номер 15 показывает общее число электронов в нейтральном атоме, а не только внешних.
Почему красный фосфор безопаснее белого?
Атомы красного фосфора соединены в более устойчивую структуру, поэтому он менее активен и не воспламеняется так легко при обычных условиях. Он также значительно менее токсичен, чем белый фосфор. Однако это не означает, что красный фосфор можно пробовать или использовать без осторожности.
§ 26. Фосфор как элемент и простое вещество
