"Химия. Профильный уровень", Габриелян О.С., Лысова Г.Г.
Фосфор — неметалл, который существует в нескольких аллотропных формах: белой, красной и чёрной. Разное строение этих простых веществ определяет их активность, токсичность и условия хранения. При горении фосфора образуется оксид фосфора(V), а его взаимодействие с водой приводит к фосфорной кислоте H₃PO₄. Понимание свойств кислоты помогает разбираться в образовании фосфатов — солей, важных для химии и производства минеральных удобрений.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Аллотропия фосфора — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ с разным строением и свойствами. Это понятие помогает понять, почему вещества, состоящие только из атомов фосфора, могут выглядеть и вести себя по-разному. К аллотропным формам фосфора относят белую, красную и чёрную.
Белый фосфор — молекулярная форма, состоящая из молекул P₄, в которых четыре атома образуют замкнутую структуру. Такая форма отличается высокой химической активностью и токсичностью. Знание формулы P₄ важно для записи уравнений реакций и расчётов по ним.
Красный фосфор — полимерная форма: его атомы соединены в протяжённые структуры, а не собраны в отдельные молекулы P₄. Поэтому он менее активен и токсичен, чем белый фосфор. Это различие объясняет, почему формы требуют разных мер предосторожности и применяются по-разному.
Фосфорная кислота — кислородсодержащая кислота фосфора с формулой H₃PO₄. Она проявляет кислотные свойства и реагирует со щёлочами, образуя соли — фосфаты. По составу полученной соли можно судить, насколько полно нейтрализована кислота.
Свойства аллотропных форм определяются тем, как связаны атомы фосфора. В белом фосфоре они объединены в отдельные молекулы P₄, а в красном — в протяжённые полимерные структуры. Из-за разного строения меняются химическая активность и токсичность: белый фосфор опаснее, красный устойчивее при обычных условиях.
Белый фосфор самовоспламеняется на воздухе, потому что быстро реагирует с кислородом с выделением тепла. Чтобы ограничить доступ кислорода, его хранят под водой; работать с ним можно только при соблюдении строгих правил безопасности. При горении в избытке кислорода образуется оксид фосфора(V): P₄ + 5O₂ → P₄O₁₀.
При нагревании белого фосфора без доступа воздуха его молекулярное строение перестраивается, и образуется красный фосфор. Обратный переход не происходит так же просто: для получения белого фосфора из красного нужны особые условия, в частности нагревание без доступа воздуха с последующей конденсацией паров. Направление превращения зависит от условий, поскольку формы различаются устойчивостью.
Оксид фосфора(V) — кислотный оксид, поэтому при взаимодействии с водой он образует соответствующую кислоту. Уравнение реакции: P₄O₁₀ + 6H₂O → 4H₃PO₄. Так оксид и кислота оказываются разными веществами, связанными химическим превращением, а коэффициенты показывают соотношение их количеств.
Фосфорная кислота реагирует со щёлочами, а число замещённых атомов водорода зависит от количества основания. При частичной нейтрализации образуются кислые соли, например NaH₂PO₄ и Na₂HPO₄; при полной — средняя соль Na₃PO₄. Поэтому формулу продукта нельзя выбирать, не учитывая соотношение кислоты и щёлочи.
| Признак | Белый фосфор | Красный фосфор | Чёрный фосфор |
|---|---|---|---|
| Строение | Отдельные молекулы P₄ | Полимерные структуры | Слоистая кристаллическая структура |
| Внешний вид | Белое или желтоватое воскообразное вещество | Красный порошок | Тёмное, почти чёрное вещество с металлическим блеском |
| Активность и токсичность | Высокие | Ниже, чем у белого | Низкая активность |
| Поведение на воздухе | Может самовоспламеняться | Устойчив при обычных условиях | Устойчив при обычных условиях |
| Хранение и применение | Хранят под водой; используют ограниченно из-за опасности | Хранят без воды; применяют, например, в спичечном производстве | Получают и используют в специальных условиях |
Сравнивайте формы по строкам: так видно, как строение связано с активностью и обращением с веществом. Белый фосфор требует изоляции от воздуха и особой осторожности. Для красного и чёрного фосфора типична большая устойчивость при обычных условиях.
Запишите уравнение горения белого фосфора в избытке кислорода и назовите продукт. Белый фосфор состоит из молекул P₄, а продуктом полного окисления является оксид фосфора(V). В избытке кислорода уравнение имеет вид P₄ + 5O₂ → P₄O₁₀.
Ответ: P₄ + 5O₂ → P₄O₁₀; образуется оксид фосфора(V).
Какую массу H₃PO₄ можно получить из 14,2 г P₄O₁₀ при избытке воды? Вода взята в избытке, поэтому количество продукта определяем по оксиду. Уравнение реакции: P₄O₁₀ + 6H₂O → 4H₃PO₄.
Ответ: можно получить 19,6 г фосфорной кислоты.
К 0,2 моль H₃PO₄ добавили 0,3 моль NaOH; нужно определить соль. Фосфорная кислота трёхосновная, поэтому на полную нейтрализацию одного моля требуется три моля щёлочи. Здесь отношение NaOH к H₃PO₄ равно 0,3/0,2 = 1,5 моль на моль кислоты.
Ответ: образуется смесь NaH₂PO₄ и Na₂HPO₄ в равных количествах; по заданному количеству щёлочи нельзя приписать продукт только одной из этих солей.
Ошибка — считать белый и красный фосфор разными химическими элементами. Так можно подумать из-за заметного различия их внешнего вида и свойств, но состав обоих веществ включает только атомы фосфора. Проверьте себя: если состав один и тот же, а строение и свойства различаются, речь идёт об аллотропных формах.
Красному фосфору иногда ошибочно записывают формулу P₄. Причина — перенос формулы молекул белого фосфора на другую форму элемента. Перед записью формулы вспомните, что отдельные молекулы P₄ характерны для белого фосфора, тогда как красный имеет полимерное строение.
Оксид фосфора(V) путают с фосфорной кислотой, поскольку оксид при взаимодействии с водой даёт кислоту. Но это разные вещества: P₄O₁₀ — оксид, а H₃PO₄ — кислота. Проверьте формулу и уравнение: вода должна быть реагентом превращения, а не частью формулы оксида.
Формулу фосфата нельзя выбирать без учёта количества щёлочи. Если нейтрализация неполная, водород кислоты сохраняется в составе кислой соли; при полной нейтрализации образуется средняя соль. Для самопроверки сравните число молей NaOH с количеством, требуемым по уравнению реакции, и отдельно оцените, может ли заданное соотношение дать смесь солей.
Для понимания свойств фосфора нужны знания об аллотропии, химической связи, степенях окисления и кислотных оксидах. Фосфорная кислота и фосфаты встречаются при изучении минеральных удобрений и круговорота фосфора в природе. Уравнения реакций фосфора также связывают тему с окислительно-восстановительными процессами и расчётами по химическим уравнениям.
Почему белый фосфор хранят под водой?
На воздухе белый фосфор легко окисляется и может самовоспламениться. Вода изолирует его от кислорода, поэтому вещество хранят под водой.
Чем белый фосфор отличается от красного?
Белый фосфор состоит из отдельных молекул P₄, а красный имеет полимерное строение — его атомы связаны в протяжённые структуры. Поэтому красный фосфор менее активен и менее токсичен, чем белый.
Почему белый и красный фосфор считают простыми веществами одного элемента?
Обе формы состоят только из атомов фосфора, но атомы соединены и расположены по-разному. Различные простые вещества одного элемента называют аллотропными формами.
Как из оксида фосфора(V) получить фосфорную кислоту?
Оксид фосфора(V) взаимодействует с водой с образованием кислоты. Уравнение реакции: P₄O₁₀ + 6H₂O → 4H₃PO₄.
Какие соли образуются при нейтрализации фосфорной кислоты?
В зависимости от количества щёлочи образуются кислые соли NaH₂PO₄ и Na₂HPO₄ или средняя соль Na₃PO₄. При неполной нейтрализации часть атомов водорода в кислоте остаётся.
§ 27. Неметаллы пятой группы: азот и фосфор 2
