§ 29. Фосфор

Определения и обозначения

Фосфор — химический элемент с символом P и порядковым номером 15; он находится в 3-м периоде и V группе, то есть в современной нумерации в 15-й группе. Это неметалл, у атома которого пять электронов на внешнем энергетическом уровне. Для фосфора характерны степени окисления −3, +3 и +5: они показывают, насколько условно смещены электроны при образовании соединений.

Аллотропия фосфора — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Белый, красный и чёрный фосфор состоят из атомов одного элемента, но устроены по-разному. Это понятие помогает объяснить, почему вещества с одинаковым химическим составом могут отличаться цветом, активностью и опасностью.

Белый фосфор — молекулярная аллотропная форма, состоящая из отдельных молекул P₄. Это мягкое воскообразное вещество, которое светится при медленном окислении, легко воспламеняется на воздухе и очень токсично. Формула P₄ важна: она показывает состав молекулы и позволяет правильно записывать уравнения реакций.

Красный фосфор — полимерная аллотропная форма, в которой атомы связаны в протяжённые структуры. Обычно это тёмно-красный порошок, менее активный и менее токсичный, чем белый фосфор; на воздухе он не воспламеняется так легко. Сравнение форм помогает понять, как изменение строения влияет на свойства одного и того же элемента.

Как это устроено

Положение фосфора в 3-м периоде означает, что электроны его атома распределены по трём энергетическим уровням, а принадлежность к V группе указывает на пять электронов на внешнем уровне. Атом может принимать три электрона или участвовать в образовании связей с разным числом общих электронных пар. Поэтому в соединениях встречаются степени окисления −3, +3 и +5; конкретное значение зависит от партнёров фосфора по реакции.

У белого фосфора атомы собраны в небольшие молекулы P₄, а у красного и чёрного образуют более протяжённые структуры. Такое различие влияет на прочность связей и то, насколько легко вещество вступает в реакции. Поэтому белый фосфор активнее и опаснее, красный устойчивее, а чёрный фосфор обычно ещё менее активен. Аллотропные формы имеют одинаковый химический элемент, но разные физические свойства и области применения.

Белый фосфор легко воспламеняется, потому что быстро реагирует с кислородом воздуха, выделяя тепло. При медленном окислении часть энергии проявляется в виде слабого свечения, а при быстром окислении может начаться горение. Вода отделяет белый фосфор от кислорода, поэтому под водой он хранится безопаснее. Его высокая токсичность требует избегать контакта с веществом и работать с ним только при соблюдении специальных мер безопасности.

При взаимодействии с кислородом фосфор образует оксид фосфора(V): P₄ + 5O₂ → P₄O₁₀. Коэффициенты нужны, чтобы число атомов каждого элемента слева и справа совпадало: четыре атома фосфора и десять атомов кислорода. С металлами фосфор может образовывать фосфиды — бинарные соединения фосфора с металлом. Например, 3Ca + 2P → Ca₃P₂: формулы и коэффициенты показывают соотношение частиц, участвующих в реакции.

Оксид фосфора(V) относится к кислотным оксидам, потому что при взаимодействии с водой образует кислоту: P₄O₁₀ + 6H₂O → 4H₃PO₄. Полученная H₃PO₄ — фосфорная кислота. Так видна связь между простым веществом, его оксидом и кислотой: при горении фосфор превращается в оксид, а оксид при соединении с водой — в кислоту.

Сравнение аллотропных форм фосфора

Сравнивайте формы по строкам: так легче увидеть, как строение связано с активностью и опасностью. Вода не растворяет фосфор, но для белой формы важна ещё и защита от кислорода. Применение каждой формы определяется её свойствами и требованиями безопасности.

Разбор задач

1. Горение фосфора

Запишите уравнение реакции горения фосфора в избытке кислорода и расставьте коэффициенты. При избытке кислорода продуктом считается оксид фосфора(V) P₄O₁₀. Сначала записываем формулы реагентов и продукта, затем проверяем атомы с обеих сторон уравнения.

1. Запишем схему: P₄ + O₂ → P₄O₁₀.
2. В продукте четыре атома P, значит, перед P₄ слева коэффициент 1.
3. В P₄O₁₀ десять атомов O, поэтому перед O₂ ставим 5.

Ответ: P₄ + 5O₂ → P₄O₁₀. Проверка показывает, что слева и справа по четыре атома фосфора и по десять атомов кислорода.

2. Расчёт массы кислорода

Какую массу кислорода нужно израсходовать для полного сгорания 6,2 г фосфора? Используем уравнение P₄ + 5O₂ → P₄O₁₀ и соотношение веществ из коэффициентов. Для расчёта возьмём относительную атомную массу фосфора 31, а молярную массу O₂ — 32 г/моль.

1. Найдём количество вещества фосфора: n(P) = m/M = 6,2/31 = 0,2 моль.
2. Из уравнения следует, что на 4 моль атомов P нужны 5 моль O₂. Тогда n(O₂) = 0,2 × 5/4 = 0,25 моль.
3. Переведём количество кислорода в массу: m(O₂) = nM = 0,25 × 32 = 8 г.

Ответ: для полного сгорания 6,2 г фосфора потребуется 8 г кислорода. Долю 5/4 применяем к количеству вещества атомов P, поскольку в уравнении записано P₄, то есть четыре атома фосфора на одну формульную частицу.

3. Цепочка превращений

Составьте уравнения превращений P → P₄O₁₀ → H₃PO₄, укажите тип реакции и расставьте коэффициенты. На первом этапе фосфор соединяется с кислородом, на втором кислотный оксид соединяется с водой. Проверяем баланс атомов отдельно в каждом уравнении.

1. Горение: P₄ + 5O₂ → P₄O₁₀. Это реакция соединения: из двух веществ образуется одно сложное вещество.
2. Взаимодействие оксида с водой: P₄O₁₀ + 6H₂O → 4H₃PO₄. Это также реакция соединения, поскольку реагенты образуют один вид продукта — кислоту.

Ответ: P₄ + 5O₂ → P₄O₁₀; P₄O₁₀ + 6H₂O → 4H₃PO₄. Вторая запись показывает, почему оксид фосфора(V) и фосфорная кислота — разные вещества: кислота появляется только после присоединения воды.

Типичные ошибки

Белый и красный фосфор иногда считают разными химическими элементами, потому что они различаются цветом и свойствами. На самом деле это аллотропные формы одного элемента, поэтому у них один символ P и один порядковый номер. Проверить себя можно вопросом: различаются ли атомы или только их расположение? В данном случае меняется строение простого вещества.

Формулу белого фосфора порой записывают как P, ориентируясь на символ элемента. Но белый фосфор состоит из молекул P₄, и это нужно учитывать в уравнениях. Перед расстановкой коэффициентов установите, какие частицы вступают в реакцию. Если в формуле продукта четыре атома фосфора, уравнение должно сохранять именно это число атомов с обеих сторон.

Оксид фосфора(V) и фосфорную кислоту путают, потому что они связаны последовательными превращениями. Однако P₄O₁₀ — оксид, а H₃PO₄ — кислота; между ними происходит реакция с водой. Чтобы проверить запись, сравните формулы и задайте вопрос, есть ли в реагентах вода. Если она участвует, продуктом этой реакции становится фосфорная кислота.

Все формы фосфора иногда считают одинаково опасными и активными, перенося свойства белого фосфора на красный и чёрный. Причина ошибки — общее название элемента, которое заслоняет различия в строении. Вспомните сравнение форм: белый фосфор особенно токсичен и легко воспламеняется, красный заметно устойчивее, чёрный малоактивен. Уточняйте, о какой форме идёт речь, прежде чем делать вывод о её свойствах.

Связь с другими темами

Чтобы понять тему, полезно знать строение атома, положение элементов в периодической системе, валентность и степени окисления: эти понятия помогают объяснять состав соединений и уравнивать реакции. Тема связана с кислородом, оксидами и кислотами, а далее пригодится при изучении фосфатов и круговорота элементов в природе. С биологией фосфор связывают его соединения: они входят в состав костной ткани и необходимы живым организмам.

Что запомнить

• Символ фосфора — P, порядковый номер — 15.
• Фосфор — неметалл 3-го периода.
• Белый, красный и чёрный фосфор — аллотропные формы одного элемента.
• Белый фосфор состоит из молекул P₄, токсичен и легко воспламеняется.
• Белый фосфор хранят под водой.
• При горении фосфора образуется оксид фосфора(V).
• Оксид фосфора(V) при взаимодействии с водой образует фосфорную кислоту.