"Химия", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Оксиды азота и фосфора при взаимодействии с водой образуют кислоты, но свойства этих кислот различаются. Главное отличие соединений фосфора(V) — ортофосфорная кислота H₃PO₄ может последовательно отдавать три протона и образовывать кислые и средние соли. Поэтому по числу замещённых атомов водорода можно получить разные фосфаты. Понимание этой связи помогает составлять формулы и уравнения реакций, а также разбираться в составе фосфатных удобрений.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Оксид фосфора(V) — кислотный оксид, простейшая формула которого P₂O₅, а молекулярная — P₄O₁₀. Число V показывает степень окисления фосфора, а не количество его атомов. Этот оксид важен тем, что при соединении с водой превращается в фосфорную кислоту.
Ортофосфорная кислота — кислородсодержащая кислота с формулой H₃PO₄. Она образуется при реакции оксида фосфора(V) с водой. Это название помогает отличать её от других возможных форм фосфорных кислот и правильно записывать формулы её солей.
Фосфат — соль ортофосфорной кислоты. Если металл замещает один, два или три атома водорода, образуются разные соли: кислые NaH₂PO₄ и Na₂HPO₄ и средняя Na₃PO₄. Число оставшихся атомов водорода показывает, к какому виду относится соль.
Фосфорная кислота — трёхосновная кислота, то есть способная последовательно отдавать три протона H⁺. Поэтому водород в её формуле может замещаться металлом не только полностью, но и по частям. Это свойство объясняет, почему у одной кислоты есть несколько видов солей.
Азот и фосфор находятся в одной группе периодической таблицы, поэтому у них есть сходство в химических свойствах. Однако атомы этих элементов имеют разное строение электронных оболочек, а набор доступных степеней окисления и устойчивость соединений у них не совпадают. Из-за этого при одинаковой степени окисления оксиды и кислоты азота и фосфора имеют разные формулы и свойства.
Для обоих элементов характерны кислородные соединения со степенями окисления +3 и +5. Оксиды N₂O₃ и P₂O₃ соответствуют степени +3, а N₂O₅ и P₂O₅ — степени +5. Кислотные оксиды при взаимодействии с водой образуют кислоты: например, N₂O₅ даёт HNO₃, а P₄O₁₀ — H₃PO₄. Состав продукта зависит от того, какой элемент и в какой степени окисления входит в оксид.
Получение ортофосфорной кислоты описывает уравнение P₄O₁₀ + 6H₂O → 4H₃PO₄. Коэффициенты показывают, что из одной молекулы оксида и шести молекул воды образуются четыре молекулы кислоты. Четыре атома фосфора в P₄O₁₀ распределяются по четырём молекулам H₃PO₄, а водород и кислород поступают из воды. Поэтому формула кислоты связана с составом исходного оксида и воды.
Главное различие между H₃PO₄ и HNO₃ — основность, то есть число протонов, которые кислота может отдать. У фосфорной кислоты три таких атома водорода, а у азотной — один. После частичного замещения водорода в H₃PO₄ остаётся кислый остаток с водородом, поэтому появляются кислые соли. Если заменить все три атома водорода, получается средняя соль.
Основность видно в уравнениях нейтрализации, где кислота реагирует с основанием и образует соль и воду. При постепенном замещении водорода натрием можно получить NaH₂PO₄, затем Na₂HPO₄, а при полной нейтрализации — Na₃PO₄. Заряд кислотного остатка меняется вместе с числом оставшихся атомов водорода: H₂PO₄⁻, HPO₄²⁻ и PO₄³⁻. Поэтому при составлении формулы соли нужно учитывать и остаток кислоты, и заряд металла.
| Признак | Азот | Фосфор |
|---|---|---|
| Оксид элемента со степенью окисления +3 | N₂O₃ | P₂O₃ (P₄O₆) |
| Соответствующая кислота | HNO₂ | H₃PO₃ |
| Оксид элемента со степенью окисления +5 | N₂O₅ | P₂O₅ (P₄O₁₀) |
| Соответствующая кислота | HNO₃ | H₃PO₄ |
| Основность кислоты со степенью окисления элемента +5 | Одноосновная | Трёхосновная |
| Виды солей кислоты со степенью окисления элемента +5 | Средние нитраты | Кислые и средние фосфаты |
Сначала найди в таблице степень окисления элемента, затем сравни формулы его оксида и соответствующей кислоты. Последние две строки помогают увидеть, почему кислоты со степенью окисления +5 дают разные виды солей. Сравнивать нужно именно свойства кислот, а не только количество атомов кислорода в оксидах.
Нужно установить, какая кислота соответствует кислотному оксиду фосфора(V), а затем уравнять реакцию. Оксид с водой образует ортофосфорную кислоту H₃PO₄. Для подсчёта атомов удобно использовать молекулярную формулу оксида P₄O₁₀.
Ответ: образуется ортофосфорная кислота H₃PO₄. Проверка каждого элемента показывает, что уравнение уравнено, а коэффициенты — наименьшие целые числа.
Чтобы определить основность, считаем атомы водорода в кислоте, которые могут замещаться металлом. В H₃PO₄ таких атомов три, значит, кислота трёхосновная. Затем по числу замещённых атомов водорода выбираем кислую или среднюю соль.
Ответ: H₃PO₄ — трёхосновная кислота; пример кислой натриевой соли — NaH₂PO₄, средняя соль — Na₃PO₄. Можно также получить кислую соль Na₂HPO₄, если заместить два атома водорода. В каждой формуле общий заряд должен быть равен нулю.
Сначала по массе оксида найдём его количество вещества, затем применим коэффициенты реакции. Избыток воды означает, что весь оксид может прореагировать и ограничивающим реагентом является P₄O₁₀. Уравнение уже показывает соотношение: один моль оксида даёт четыре моля кислоты.
Ответ: можно получить 19,6 г ортофосфорной кислоты. Результат больше исходной массы оксида, потому что часть массы продукта поступает из воды. Это согласуется с уравнением, где вода является реагентом.
Ошибка — считать P₂O₅ и P₄O₁₀ формулами разных веществ. Такое происходит, если не различать простейшую формулу и формулу молекулы. Проверь отношение атомов: в обеих записях на два атома фосфора приходится пять атомов кислорода.
Нельзя считать H₃PO₄ одноосновной кислотой только потому, что в формуле один атом фосфора. Основность определяют по числу замещаемых атомов водорода, а не по числу атомов другого элемента. Проверь формулу кислоты: в H₃PO₄ три атома водорода, поэтому она трёхосновная.
Ошибка — записывать для фосфорной кислоты только одну соль, например Na₃PO₄. Так бывает, если забыть, что водород может замещаться постепенно. Для самопроверки запиши остатки H₂PO₄⁻, HPO₄²⁻ и PO₄³⁻: они дают разные формулы солей.
Не смешивай оксид фосфора(III) P₂O₃ и оксид фосфора(V) P₂O₅: у них разные степени окисления и соответствующие кислоты. Путаница возникает, когда формулу выбирают только по слову «фосфор». Сверяй индекс степени окисления в названии с формулой оксида и затем подбирай кислоту.
Чтобы разобраться в теме, нужно уметь находить степени окисления, различать кислотные и основные оксиды и составлять формулы кислот. Эти знания позволяют записывать реакции оксидов с водой и уравнивать их. Представление о нейтрализации помогает понять, как из кислоты и основания получаются соли. Позже фосфаты встретятся при изучении минеральных удобрений и их состава.
Почему для оксида фосфора(V) встречаются формулы P₂O₅ и P₄O₁₀?
P₂O₅ — простейшая формула, показывающая соотношение атомов фосфора и кислорода. P₄O₁₀ отражает состав одной молекулы вещества. Это две записи одного и того же оксида, а не формулы разных веществ.
Как из оксида фосфора(V) получить фосфорную кислоту?
Нужно провести реакцию кислотного оксида P₄O₁₀ с водой. Уравнение: P₄O₁₀ + 6H₂O → 4H₃PO₄. Продукт реакции — ортофосфорная кислота.
Почему фосфорная кислота называется трёхосновной?
В молекуле H₃PO₄ есть три атома водорода, которые могут последовательно замещаться металлом. При этом кислота способна отдавать три протона H⁺. Поэтому её называют трёхосновной.
Какие соли образует фосфорная кислота?
При замещении одного или двух атомов водорода образуются кислые соли, например NaH₂PO₄ и Na₂HPO₄. Если замещены все три атома водорода, получается средняя соль, например Na₃PO₄. Все эти соли относятся к фосфатам.
Чем фосфорная кислота отличается от азотной?
Ортофосфорная кислота H₃PO₄ трёхосновная: она может отдать три протона. Азотная кислота HNO₃ одноосновная и отдаёт один протон. Поэтому фосфорная кислота образует кислые и средние соли, а азотная — средние соли.
§ 37. Кислородные соединения фосфора отличаются от кислородных соединений азота
