§ 27. Соединения фосфора

Определения и обозначения

Оксид фосфора(V) — кислотный оксид состава P₂O₅, в котором степень окисления фосфора равна +5. В школьных уравнениях используют формулу P₂O₅, хотя молекулярный состав вещества обычно записывают как P₄O₁₀. Это обозначение помогает узнать оксид по формуле и правильно составлять уравнения его реакций.

Ортофосфорная кислота имеет формулу H₃PO₄ и относится к кислородсодержащим трёхосновным кислотам. Кислородсодержащей её называют из-за наличия атомов кислорода, а трёхосновной — потому, что в кислотных реакциях могут замещаться три атома водорода. Это свойство нужно учитывать при составлении формул её солей.

Фосфаты — соли ортофосфорной кислоты. В средних солях все три атома водорода кислоты замещены металлом, например Na₃PO₄; в кислых замещена только часть, например NaH₂PO₄ или Na₂HPO₄. По формуле можно понять, осталось ли в соли водородное начало кислоты.

Суперфосфат — фосфорное удобрение, содержащее растворимые соединения фосфора. В простом суперфосфате, в частности, есть дигидрофосфат кальция и сульфат кальция. Растворимая форма помогает растениям усваивать фосфор из почвы.

Как это устроено

Если фосфор горит при избытке кислорода, атомы кислорода соединяются с фосфором, и образуется оксид, где степень окисления фосфора равна +5. Недостаток кислорода может привести к образованию оксида с меньшей степенью окисления, поэтому условие «избыток» существенно. Уравнение реакции: 4P + 5O₂ → 2P₂O₅. Коэффициенты показывают, что четыре атома фосфора и десять атомов кислорода есть по обе стороны уравнения.

Оксид фосфора(V) называют кислотным, потому что он при взаимодействии с водой образует кислоту, а с основаниями способен давать соль. Молекулы воды участвуют в превращении оксида в ортофосфорную кислоту, поэтому на три формульные единицы P₂O₅ приходится шесть молекул воды в записи уравнения. Получается: P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄. Проверка числа атомов каждого элемента подтверждает, что уравнение уравнено.

Три атома водорода в H₃PO₄ могут замещаться металлом не обязательно одновременно. Если замещена только часть, в остатке кислоты сохраняется водород и получается кислая соль; если замещены все три атома, получается средняя соль. Например, при реакции с недостатком щёлочи может образоваться NaH₂PO₄, а при полном замещении — Na₃PO₄. Поэтому вид продукта зависит от соотношения реагентов, а не только от того, что кислота встретилась с основанием.

Кислота образует фосфаты и при реакции с основаниями, и при реакции с основными оксидами: в обоих случаях катион металла соединяется с кислотным остатком, а вода появляется в ходе нейтрализации. Например, для полного замещения водорода уравнение с гидроксидом натрия имеет вид H₃PO₄ + 3NaOH → Na₃PO₄ + 3H₂O. С основным оксидом кальция средняя соль образуется так: 2H₃PO₄ + 3CaO → Ca₃(PO₄)₂ + 3H₂O. Перед записью формулы соли следует уравнять заряды ионов.

Природные фосфаты, например фосфат кальция, часто почти не растворяются в воде. Поэтому корни растений не могут легко получить из них содержащийся фосфор: растворение необходимо для усвоения питательных веществ. Фосфатное сырьё обрабатывают серной кислотой, превращая часть малорастворимого соединения в более растворимый дигидрофосфат кальция. Так получают простой суперфосфат; в упрощённом виде процесс описывают уравнением Ca₃(PO₄)₂ + 2H₂SO₄ → Ca(H₂PO₄)₂ + 2CaSO₄.

Основные соединения фосфора(V)

Сначала сравните формулу и класс вещества, затем найдите в таблице его характерное свойство. Строки с солями удобно сопоставлять по наличию водорода в формуле: он указывает на кислую соль. Последний столбец помогает связать запись вещества с уравнением реакции или его использованием.

Разбор задач

Горение фосфора

Условие: запишите уравнение реакции горения фосфора в избытке кислорода и расставьте коэффициенты. При избытке кислорода ожидается оксид фосфора(V), поэтому выбираем формулу P₂O₅. Сначала записываем схему реакции P + O₂ → P₂O₅, а затем уравниваем число атомов элементов.

1. Справа в одной формульной единице P₂O₅ находятся два атома фосфора. Удобно поставить коэффициент 2 перед P₂O₅, тогда справа будет четыре атома фосфора.
2. Поставим коэффициент 4 перед P: число атомов фосфора слева и справа совпадёт.
3. В двух P₂O₅ содержится десять атомов кислорода, значит перед O₂ нужен коэффициент 5.

Ответ: 4P + 5O₂ → 2P₂O₅. Проверка: с каждой стороны четыре атома фосфора и десять атомов кислорода. Такая проверка выявляет ошибку, если забыть, что кислород в простом веществе записывают как O₂.

Полная нейтрализация ортофосфорной кислоты

Условие: составьте уравнение реакции H₃PO₄ с гидроксидом натрия при полном замещении атомов водорода. Полное замещение означает, что получится средняя соль, а не кислая. Катион натрия имеет заряд +1, поэтому для остатка PO₄³⁻ нужна соль Na₃PO₄.

1. Запишем схему: H₃PO₄ + NaOH → Na₃PO₄ + H₂O.
2. Для трёх атомов натрия в соли поставим коэффициент 3 перед NaOH.
3. В кислоте три атома водорода, поэтому для образования воды поставим 3 перед H₂O. Проверим остальные атомы: кислорода слева и справа по семь.

Ответ: H₃PO₄ + 3NaOH → Na₃PO₄ + 3H₂O. Коэффициент 3 перед щёлочью отражает трёхосновность кислоты: одной молекуле кислоты нужны три частицы NaOH для полного замещения водорода.

Расчёт с учётом выхода реакции

Условие: найдите массу H₃PO₄, образующуюся из заданной массы P₂O₅ при выходе реакции 80%. Обозначим массу оксида через m₀, поскольку конкретное значение в условии не задано. Учитываем превращение P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄ и то, что фактический выход меньше теоретического.

1. По уравнению 1 моль P₂O₅ даёт 2 моль H₃PO₄. Молярные массы: M(P₂O₅) = 142 г/моль, M(H₃PO₄) = 98 г/моль.
2. Теоретическая масса кислоты составляет m₀ × 2 × 98 / 142 = 1,38m₀. Это масса, которая получилась бы при полном превращении без потерь.
3. Умножим результат на долю выхода 0,80: m(H₃PO₄) = 1,38m₀ × 0,80 ≈ 1,10m₀.

Ответ: фактическая масса кислоты равна примерно 1,10m₀, где m₀ — заданная масса P₂O₅ в граммах. Например, если взять 10 г оксида, получится около 11,0 г H₃PO₄. Масса продукта может быть больше массы оксида, потому что часть массы кислоты поступает из воды.

Типичные ошибки

Считать P₂O₅ молекулярной формулой вещества — неточно: это принятая в школьных уравнениях формула состава, тогда как молекулярный состав обычно представляют как P₄O₁₀. Такое упрощение удобно для уравнений, но не должно превращаться в утверждение о составе молекулы. Проверяйте, о чём спрашивают: о записи уравнения или о молекулярной формуле. Для школьного уравнения горения используйте P₂O₅, если не задана другая форма записи.

Путать оксид фосфора(V) с основным оксидом нельзя: его реакция с водой даёт кислоту, а взаимодействие с основаниями приводит к солям. Ошибка возникает, если судить о классе оксида только по наличию металла или по незнакомому виду формулы. Проверьте продукт реакции с водой и сопоставьте его с признаками кислотного оксида. Запись P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄ показывает его кислотный характер.

Формулу фосфата нельзя составлять простым соединением символов металла и PO₄ без проверки зарядов. Например, заряд фосфат-иона равен −3, а натрия — +1, поэтому формула средней соли — Na₃PO₄, а не NaPO₄. Эту ошибку допускают, забывая, что итоговое соединение должно быть электрически нейтральным. Проверьте, что суммарный положительный заряд равен по величине суммарному отрицательному.

При реакции H₃PO₄ с основанием не всегда получается средняя соль: результат зависит от количества реагентов и от того, сколько атомов водорода замещается. Если щёлочи недостаточно, возможна кислая соль, например NaH₂PO₄; при полном замещении образуется Na₃PO₄. Ошибка появляется, когда формулу продукта выбирают только по названию кислоты. Сверьте число частиц основания с числом замещаемых атомов водорода и затем проверьте уравнение.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о кислотных оксидах, кислотах, основаниях и солях, а также умение уравнивать реакции. Соединения фосфора сравнивают с оксидами других неметаллов: общие свойства помогают предсказать продукты реакций. Фосфаты связывают химию с изучением минеральных удобрений и круговорота фосфора в природе. Уравнения превращений также нужны для расчётов масс веществ и выхода продукта.

Что запомнить

• При горении фосфора в избытке кислорода образуется оксид фосфора(V).
• Оксид фосфора(V) — кислотный оксид.
• При взаимодействии оксида фосфора(V) с водой образуется H₃PO₄.
• Ортофосфорная кислота — трёхосновная кислородсодержащая кислота.
• Соли ортофосфорной кислоты называют фосфатами.
• При неполном замещении атомов водорода в кислоте образуются кислые соли.
• Суперфосфат используют как фосфорное удобрение.