"Химия", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Фосфор — химический элемент, который образует несколько простых веществ с разными свойствами. Это явление называется аллотропией. Белый фосфор состоит из молекул P₄, легко воспламеняется и ядовит; красный устойчивее и менее активен; чёрный имеет слоистое строение и наиболее устойчив при обычных условиях. Различия между ними объясняются строением частиц, а не разным химическим составом. Понимание этой темы помогает связать строение вещества с его свойствами и безопасным обращением с ним.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Например, атомы фосфора могут образовывать белое, красное и чёрное вещества. Это понятие помогает не путать состав с устройством вещества: элемент остаётся тем же, а свойства меняются.
Белый фосфор — молекулярная аллотропная модификация фосфора, состоящая из молекул P₄. Индекс 4 показывает, что в каждой молекуле находятся четыре атома фосфора. Такое обозначение важно, потому что особенности молекул связаны с высокой активностью белого фосфора.
Красный фосфор — более устойчивая полимерная модификация фосфора, образующаяся при нагревании белого фосфора без доступа воздуха. Полимерное строение означает, что атомы связаны в протяжённые структуры, а не собраны только в отдельные молекулы P₄. Это определение объясняет, почему красный фосфор обычно менее активен.
Чёрный фосфор — наиболее устойчивая при обычных условиях слоистая модификация фосфора. Его атомы образуют упорядоченные слои, поэтому он не похож по строению на белый фосфор. Знание этой особенности позволяет связать его устойчивость с устройством вещества.
Один химический элемент может образовывать разные простые вещества, потому что его атомы способны соединяться и располагаться несколькими способами. Состав во всех модификациях фосфора один и тот же — атомы фосфора, но частицы и их взаимное расположение различаются. Именно строение определяет, насколько легко вещество вступает в реакции, как оно выглядит и насколько устойчиво. Поэтому аллотропные модификации считают разными простыми веществами одного элемента.
Молекула белого фосфора P₄ имеет форму тетраэдра — фигуры с четырьмя вершинами и треугольными гранями. Такая форма связана с напряжённым расположением атомов и особенностями связей между ними. В результате молекулы сравнительно легко вступают в химические реакции, поэтому белый фосфор отличается высокой активностью. Его свойства нельзя переносить на остальные модификации.
Если белый фосфор нагревать без доступа воздуха, он превращается в красный. Отсутствие воздуха необходимо, чтобы фосфор не взаимодействовал с кислородом во время нагревания. При превращении атомы перестраиваются в более протяжённую полимерную структуру, а состав элемента не меняется. Новое строение устойчивее, поэтому красный фосфор обычно менее активен, чем белый.
Белый фосфор легко воспламеняется на воздухе, поскольку активно реагирует с кислородом. Вода отделяет его от воздуха, поэтому под водой его хранят для снижения риска возгорания. Красный фосфор при обычных условиях значительно устойчивее и обычно не требует такого хранения. Однако это не означает, что с ним можно обращаться без соблюдения правил безопасности.
Строение отражается и на других свойствах: белый фосфор выглядит как мягкое воскообразное вещество, красный — как порошок, а чёрный — как тёмное твёрдое вещество со слоистой структурой. Белый фосфор особенно токсичен; красный и чёрный при обычных условиях менее опасны. Все эти модификации не растворяются в воде, но белый фосфор растворяется в сероуглероде, в отличие от красного и чёрного. Различия в свойствах определяют, где и как можно применять каждую модификацию, но не отменяют осторожности при работе с фосфором.
| Свойство | Белый фосфор | Красный фосфор | Чёрный фосфор |
|---|---|---|---|
| Строение частиц | Молекулы P₄ тетраэдрической формы | Полимерная структура | Слоистая структура |
| Внешний вид | Мягкое белое или желтоватое воскообразное вещество | Красный порошок | Тёмное твёрдое вещество |
| Устойчивость при обычных условиях | Низкая | Выше, чем у белого | Наиболее высокая |
| Химическая активность | Высокая | Ниже, чем у белого | Низкая |
| Токсичность | Высокая | Значительно ниже, чем у белого | Значительно ниже, чем у белого |
| Растворимость в воде и сероуглероде | В воде не растворяется, в сероуглероде растворяется | Не растворяется ни в воде, ни в сероуглероде | Не растворяется ни в воде, ни в сероуглероде |
| Условия хранения | Под водой, чтобы изолировать от воздуха | Обычно без хранения под водой; соблюдают правила безопасности | В обычных условиях устойчив; соблюдают правила безопасности |
Таблица помогает сравнивать модификации по одному свойству за раз: например, увидеть связь между строением белого фосфора и его активностью. Растворимость и внешний вид также позволяют различать вещества в описаниях. Эти сведения не означают, что образцы следует проверять самостоятельно.
Задача 1. Объясните, почему белый фосфор хранят под водой, а красный обычно не требует такого способа хранения.
Сначала сравним химическую активность модификаций. Белый фосфор активно реагирует с кислородом воздуха и может воспламениться. Красный фосфор при обычных условиях устойчивее.
Затем свяжем свойства с хранением. Вода отделяет белый фосфор от воздуха, поэтому снижает вероятность контакта с кислородом. Для красного фосфора такое изолирование обычно не требуется.
Сделаем вывод, не распространяя его слишком широко. Белый фосфор хранят под водой из-за его активности, а красный — в соответствии с обычными правилами безопасности для лабораторных веществ.
Ответ: белый фосфор легко воспламеняется на воздухе, поэтому его изолируют от кислорода водой; красный фосфор устойчивее и обычно не нуждается в таком способе хранения.
Задача 2. При нагревании белого фосфора без доступа воздуха получили красный фосфор. Укажите, что изменилось и почему продукты считают разными простыми веществами одного элемента.
Определим, что произошло с составом. И до, и после превращения вещество состоит из атомов фосфора, значит, химический элемент не изменился.
Теперь рассмотрим строение. В белом фосфоре атомы собраны в молекулы P₄, а в красном образуют полимерную структуру. Нагревание без доступа воздуха создаёт условия для перестройки атомов, а не для присоединения другого элемента.
Сопоставим результат с понятием аллотропии. Разные строения приводят к разным свойствам, поэтому белый и красный фосфор — разные простые вещества одного элемента.
Ответ: изменилось строение частиц, но состав остался фосфором; полученные вещества являются аллотропными модификациями одного элемента.
Задача 3. В лаборатории перепутали образцы белого и красного фосфора. По сведениям о внешнем виде, растворимости в сероуглероде и опасности предложите способ различить их, не подвергая образцы неоправданному риску.
Сначала используем сведения, не требующие испытаний: белый фосфор воскообразный и очень токсичный, красный обычно выглядит как порошок. Но внешний вид сам по себе не даёт основания открывать или брать неизвестный образец.
Учитываем данные о растворимости только как теоретический признак. Белый фосфор растворяется в сероуглероде, красный — нет, однако сероуглерод токсичен и легко воспламеняется. Поэтому проводить пробу с ним самостоятельно небезопасно.
Выбираем безопасный порядок действий. Не открываем ёмкости и не проверяем вещества на ощупь или растворимость, а сообщаем учителю или ответственному специалисту. Различение проводят по маркировке и документам либо в специально оборудованных условиях.
Ответ: не проводить самостоятельных опытов; сообщить ответственному специалисту и различать образцы по надёжной маркировке или с помощью безопасной процедуры под контролем специалиста.
Ошибка: считать белый, красный и чёрный фосфор разными химическими элементами. Так можно подумать из-за заметных различий цвета и свойств. Проверьте себя вопросом: из атомов какого элемента состоят все три вещества? Во всех случаях это фосфор, значит, перед нами его простые вещества.
Ошибка: считать, что при переходе белого фосфора в красный меняется химический состав. Нагревание действительно приводит к появлению нового вещества, и это иногда принимают за изменение элемента. Но атомы фосфора не превращаются в атомы другого элемента: меняется их соединение и расположение. Сравните состав до и после превращения, а затем отдельно — строение.
Ошибка: путать условия хранения белого и красного фосфора. Причина ошибки — оба вещества называются фосфором, хотя их активность различна. Белый легко воспламеняется на воздухе и хранится под водой, красный устойчивее. Сверьте правило хранения с названием модификации, а не только с названием элемента.
Ошибка: считать все модификации одинаково активными и опасными. Обычно так рассуждают, перенося известное свойство одного вещества на остальные. Белый фосфор особенно активен и токсичен, тогда как красный и чёрный устойчивее при обычных условиях. Проверяйте свойства каждой модификации отдельно и не делайте вывод, что менее опасный образец можно брать без защиты.
Для изучения аллотропии нужно различать химический элемент и простое вещество, знать, что такое молекула, и понимать разницу между составом вещества и его строением. Эти понятия позволяют объяснить, почему одинаковые атомы образуют вещества с разными свойствами. Тема связывает устройство частиц с наблюдаемыми свойствами, например активностью и устойчивостью. Такой подход пригодится при изучении аллотропных форм кислорода, углерода и других элементов.
Почему белый и красный фосфор — разные вещества, если состоят из одного элемента?
В обоих веществах атомы принадлежат одному элементу — фосфору, но соединены и расположены по-разному. Из-за различного строения белый и красный фосфор имеют неодинаковые свойства.
Почему белый фосфор хранят под водой?
Белый фосфор легко воспламеняется при контакте с кислородом воздуха. Вода изолирует его от воздуха, поэтому такая среда снижает риск возгорания.
Как получают красный фосфор из белого?
Белый фосфор нагревают без доступа воздуха. При этом меняется строение вещества, и образуется красная, более устойчивая модификация.
Какая модификация фосфора наиболее устойчива при обычных условиях?
Наиболее устойчивая при обычных условиях модификация — чёрный фосфор. Красный фосфор тоже устойчивее белого.
Чем белый фосфор отличается от красного по опасности и активности?
Белый фосфор химически активнее, токсичен и может воспламениться на воздухе. Красный фосфор при обычных условиях менее активен и менее опасен, однако обращаться с ним всё равно следует осторожно.
§ 36. Фосфор имеет несколько аллотропных модификации
