"Химия", Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г.
Оксид фосфора(V) P₂O₅ при соединении с водой образует фосфорную кислоту H₃PO₄. Она реагирует с металлами, основаниями, основными оксидами и некоторыми солями, а при нейтрализации даёт три вида солей: фосфаты, гидрофосфаты и дигидрофосфаты. Чтобы определить продукт реакции, нужно учитывать, сколько щёлочи взято по отношению к кислоте. Фосфаты важны в природе и входят в состав минеральных удобрений.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Оксид фосфора(V) P₂O₅ — кислотный оксид фосфора, в котором на два атома фосфора приходятся пять атомов кислорода. Это белое твёрдое вещество, которое легко поглощает влагу из воздуха. Его свойства помогают понять, как из неметалла получить кислоту и почему оксид относят к кислотным.
Фосфорная кислота H₃PO₄ образуется при взаимодействии оксида фосфора(V) с водой. Это растворимая в воде кислота, формулу которой важно знать для составления уравнений реакций. По числу атомов водорода, способных замещаться металлом, её относят к трёхосновным кислотам.
Фосфатами называют средние соли фосфорной кислоты, содержащие фосфат-ион PO₄³⁻. В таких солях все три атома водорода кислоты замещены атомами металла. Знание иона помогает составлять формулы солей и распознавать их в уравнениях.
Гидрофосфаты и дигидрофосфаты — кислые соли фосфорной кислоты, в анионах которых сохраняются соответственно один и два атома водорода. Ионы этих солей — HPO₄²⁻ и H₂PO₄⁻. Эти понятия нужны, чтобы отличать продукты неполной нейтрализации от средних солей.
При горении фосфор соединяется с кислородом, а не просто смешивается с ним. В образующемся оксиде фосфор имеет степень окисления +5, поэтому в школьной записи формулу составляют как P₂O₅: суммарные заряды двух атомов фосфора и пяти атомов кислорода взаимно компенсируются. Чтобы уравнять реакцию, подбирают коэффициенты так, чтобы число атомов каждого элемента совпало слева и справа: 4P + 5O₂ → 2P₂O₅.
P₂O₅ называют кислотным оксидом, потому что при реакции с водой он образует кислоту. Вода присоединяется к оксиду, а продуктом становится H₃PO₄; коэффициенты в уравнении нужны для сохранения числа атомов: P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄. Поэтому по типу продукта при взаимодействии с водой оксид можно отнести к кислотным.
Фосфорная кислота трёхосновная: в её составе три атома водорода, которые могут по очереди замещаться атомами металла. При диссоциации, то есть распаде на ионы в воде, замещение происходит ступенями: сначала H₃PO₄ → H⁺ + H₂PO₄⁻, затем H₂PO₄⁻ ⇄ H⁺ + HPO₄²⁻ и далее HPO₄²⁻ ⇄ H⁺ + PO₄³⁻. Эти ступени объясняют, почему кислота образует дигидрофосфаты, гидрофосфаты и фосфаты.
Как и другие кислоты, H₃PO₄ взаимодействует с некоторыми металлами, основаниями и основными оксидами. При реакции с металлом, стоящим в ряду активности до водорода, обычно образуются соль и водород: 2H₃PO₄ + 3Mg → Mg₃(PO₄)₂ + 3H₂↑. С основанием или основным оксидом кислота образует соль и воду, например H₃PO₄ + 3NaOH → Na₃PO₄ + 3H₂O. Соль кислоты может вступать в реакцию с другой солью, если образуется осадок, газ или слабый электролит, например: 2H₃PO₄ + 3CaCl₂ → Ca₃(PO₄)₂↓ + 6HCl.
При нейтрализации H₃PO₄ щёлочью число её атомов водорода, замещённых металлом, зависит от количества основания. Если NaOH недостаточно, остаются один или два атома водорода и образуются кислые соли; при полном замещении получается средняя соль. Для фосфорной кислоты важно не только то, что щёлочь есть, но и сколько её взято: H₃PO₄ + NaOH → NaH₂PO₄ + H₂O, а при трёхкратном количестве щёлочи — H₃PO₄ + 3NaOH → Na₃PO₄ + 3H₂O.
Таблица помогает быстро сопоставить формулы, классы веществ и их характерные реакции. При решении задач сначала определите, какое вещество участвует в реакции и к какому классу оно относится, затем выберите подходящую формулу соли. Применение указано там, где оно особенно важно для связи темы с жизнью.
| Вещество | Формула или ион | Класс вещества | Основные свойства и реакции | Применение или значение |
|---|---|---|---|---|
| Оксид фосфора(V) | P₂O₅ | Кислотный оксид | Реагирует с водой с образованием H₃PO₄; поглощает влагу | Используется как осушающее вещество |
| Фосфорная кислота | H₃PO₄ | Трёхосновная кислота | Реагирует с основаниями, основными оксидами и некоторыми металлами | Сырьё для получения фосфатов |
| Фосфат | PO₄³⁻ | Анион средней соли | В солях все атомы водорода кислоты замещены металлом | Фосфаты входят в состав удобрений и природных минералов |
| Гидрофосфат | HPO₄²⁻ | Анион кислой соли | Содержит один атом водорода, сохранившийся от кислоты | Входит в состав некоторых удобрений |
| Дигидрофосфат | H₂PO₄⁻ | Анион кислой соли | Содержит два атома водорода, сохранившихся от кислоты | Входит в состав некоторых фосфатных удобрений |
Задача 1. Составьте уравнения горения фосфора и взаимодействия образовавшегося оксида с водой. Здесь нужно определить продукты по типу веществ, а затем проверить, что число атомов каждого элемента одинаково в обеих частях уравнений.
При горении фосфор соединяется с кислородом. В соответствии со степенью окисления +5 записываем продукт P₂O₅: P + O₂ → P₂O₅.
Уравниваем атомы: чтобы получить чётное число атомов фосфора, ставим 2 перед P₂O₅ и 4 перед P. Справа теперь десять атомов кислорода, значит, перед O₂ ставим 5: 4P + 5O₂ → 2P₂O₅.
Кислотный оксид с водой образует H₃PO₄. Уравнивание даёт P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄.
Ответ: 4P + 5O₂ → 2P₂O₅; P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄. Проверка показывает, что в каждом уравнении сохраняется число атомов P, O и H.
Задача 2. Составьте уравнения реакции H₃PO₄ с NaOH при недостатке и избытке щёлочи. Недостаток щёлочи условно зададим соотношением 1 моль NaOH на 1 моль кислоты, а избыток — тремя молями NaOH на моль кислоты. Так можно увидеть, как степень нейтрализации меняет состав соли.
При соотношении 1:1 замещается один атом водорода, поэтому образуется дигидрофосфат натрия: H₃PO₄ + NaOH → NaH₂PO₄ + H₂O.
Если взять два моля NaOH на моль H₃PO₄, замещаются два атома водорода: H₃PO₄ + 2NaOH → Na₂HPO₄ + 2H₂O. Это гидрофосфат натрия.
При соотношении 1:3 замещаются все три атома водорода: H₃PO₄ + 3NaOH → Na₃PO₄ + 3H₂O. Получается средняя соль — фосфат натрия.
Ответ: при соотношениях кислота:щёлочь 1:1, 1:2 и 1:3 получаются NaH₂PO₄, Na₂HPO₄ и Na₃PO₄ соответственно. Если в условии сказано только «избыток», важно проверить, достаточно ли его для полного замещения всех атомов водорода.
Задача 3. Какую массу Ca₃(PO₄)₂ можно получить из 19,6 г H₃PO₄ при избытке Ca(OH)₂? Сначала следует записать уравнение, потому что его коэффициенты показывают соотношение количеств вещества реагентов и продукта. Молярные массы нужны, чтобы перейти от массы кислоты к количеству вещества, а затем — обратно к массе соли.
Записываем уравнение: 2H₃PO₄ + 3Ca(OH)₂ → Ca₃(PO₄)₂ + 6H₂O. Избыток гидроксида кальция означает, что ограничивающим реагентом является кислота.
Находим молярную массу H₃PO₄: 3 + 31 + 64 = 98 г/моль. Количество вещества кислоты равно 19,6 г ÷ 98 г/моль = 0,2 моль.
По уравнению из 2 моль кислоты получается 1 моль соли, значит, из 0,2 моль кислоты образуется 0,1 моль Ca₃(PO₄)₂. Молярная масса соли: 3 × 40 + 2 × (31 + 4 × 16) = 310 г/моль.
Вычисляем массу соли: 0,1 моль × 310 г/моль = 31 г. Предполагаем, что реакция прошла полностью и потерь вещества нет.
Ответ: можно получить 31 г фосфата кальция.
Формулы PO₅ или P₂O₃ вместо P₂O₅ появляются, если не учесть степень окисления фосфора(V) или спутать её с другой. Проверьте, что у фосфора +5, у кислорода −2, а сумма степеней окисления в нейтральном соединении равна нулю. Тогда формула оксида получается из соотношения 2:5.
Считать P₂O₅ основным оксидом ошибочно: основные оксиды обычно связаны с основаниями, а этот оксид при взаимодействии с водой образует кислоту. Ошибку допускают, ориентируясь только на слово «оксид» или на незнакомую формулу. Проверка простая: вспомните продукт реакции P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄.
Записывать при любой реакции кислоты со щёлочью только фосфат — значит не учитывать количество основания. При недостатке NaOH образуются NaH₂PO₄ или Na₂HPO₄, а не обязательно Na₃PO₄. Проверьте число атомов металла и водорода в соли, затем убедитесь, что уравнение сбалансировано.
Фосфат PO₄³⁻ нельзя путать с фосфитом: это разные ионы и разные соли. Ошибку часто провоцирует сходство названий и неверно запомненный заряд. Проверяйте состав иона по формуле кислоты H₃PO₄: при полной замене трёх атомов водорода остаётся PO₄³⁻, а заряд должен компенсироваться зарядами катионов металла.
Для этой темы понадобятся знания о степенях окисления, составлении формул бинарных соединений и уравнивании реакций. Если правило записи формулы оксида или подсчёт атомов вызывают затруднения, сначала повторите эти навыки. Они помогут правильно записывать P₂O₅ и проверять коэффициенты в реакциях.
Реакции фосфорной кислоты опираются на общие свойства кислот, оснóвных и кислотных оксидов, оснований и солей. Далее эти знания связываются с минеральными удобрениями и составом природных фосфатов. Уравнения реакций также нужны для вычисления количества и массы получаемых веществ.
Почему оксид фосфора(V) записывают как P₂O₅?
В этом оксиде фосфор имеет степень окисления +5, а кислород — −2. Наименьшее соотношение атомов, при котором суммарный заряд равен нулю, — два атома фосфора на пять атомов кислорода. Поэтому формула оксида — P₂O₅.
Почему P₂O₅ называют кислотным оксидом?
Кислотные оксиды обычно образуют кислоты при взаимодействии с водой. P₂O₅ реагирует с водой с образованием H₃PO₄. Кроме того, он взаимодействует с основаниями, образуя соли.
Почему фосфорная кислота может образовывать три вида солей?
В молекуле H₃PO₄ есть три атома водорода, способных замещаться металлом. Если заменить все три, получится фосфат; если два — гидрофосфат; если один — дигидрофосфат. Какой вид соли образуется, зависит от соотношения кислоты и основания.
Чем фосфат отличается от гидрофосфата и дигидрофосфата?
В фосфате все атомы водорода кислоты замещены металлом, а его анион — PO₄³⁻. В гидрофосфате в составе аниона сохраняется один атом водорода, а в дигидрофосфате — два. Поэтому эти две соли называют кислыми.
Как определить, какая соль образуется при реакции H₃PO₄ со щёлочью?
Сначала уравняйте реакцию и сравните количество вещества кислоты и щёлочи. При недостатке щёлочи образуются кислые соли, а при достаточном количестве для замещения всех трёх атомов водорода — фосфат. Например, с NaOH соотношения H₃PO₄:NaOH равны 1:1, 1:2 и 1:3 для дигидрофосфата, гидрофосфата и фосфата соответственно.
§ 30. Оксид фосфора(V). Фосфорная кислота и её соли
