§ 31. Фосфор

Определения и обозначения

Фосфор — химический элемент с символом P, порядковым номером 15 и положением в 15-й группе периодической таблицы. Его атом содержит 15 протонов и электронов, а на внешнем энергетическом уровне находятся пять электронов. В соединениях особенно характерны степени окисления −3, +3 и +5. Это помогает предсказывать состав соединений и понимать, сколько электронов фосфор принимает или условно отдаёт.

Аллотропия фосфора — способность одного химического элемента образовывать несколько простых веществ, различающихся строением и свойствами. Атомы во всех таких веществах остаются атомами фосфора, но соединяются между собой по-разному. Поэтому модификации могут отличаться цветом, устойчивостью и химической активностью. Понятие аллотропии объясняет, почему формулы элементов и их свойства нельзя всегда описать одним вариантом строения.

Белый фосфор — молекулярная модификация, состоящая из молекул P₄. В каждой молекуле четыре атома образуют замкнутую напряжённую структуру, что делает её реакционноспособной. Белый фосфор ядовит и способен воспламеняться на воздухе, поэтому его хранят под водой. Формула P₄ важна для записи реакций: обозначение P само по себе не передаёт состав молекулы белого фосфора.

Красный фосфор — полимерная модификация, в которой атомы образуют протяжённые цепи или сетчатые фрагменты. Такое строение устойчивее, чем отдельные напряжённые молекулы P₄, поэтому красный фосфор менее активен. Обычно он не воспламеняется сам при обычных условиях, хотя при нагревании или трении может загореться. Это различие важно учитывать при сравнении свойств и правил обращения с модификациями.

Как это устроено

Положение фосфора в 15-й группе связано с пятью электронами на внешнем уровне: 3s²3p³. До устойчивой внешней оболочки атому не хватает трёх электронов, поэтому в соединениях он может принимать степень окисления −3, например в фосфидах. Вместе с тем фосфор образует соединения со степенями окисления +3 и +5, когда его электронное окружение связано с более электроотрицательными элементами. Способность образовывать несколько связей и разные степени окисления объясняет разнообразие соединений фосфора.

Аллотропные модификации возникают потому, что атомы фосфора могут соединяться не единственным способом. В белой модификации они объединены в отдельные молекулы, а в красной формируют более протяжённые структуры; чёрная модификация имеет слоистое строение. Разные типы связей и расположение атомов меняют прочность структуры и лёгкость вступления вещества в реакцию. Поэтому химический состав модификаций одинаков, а их физические и химические свойства неодинаковы.

В молекуле белого фосфора P₄ каждый атом связан с тремя соседними атомами, а вся структура напоминает тетраэдр. Углы между связями меньше тех, которые были бы наиболее удобны для атомов, поэтому молекула напряжена. Из-за этой особенности белый фосфор легко вступает в реакции, в том числе с кислородом воздуха. Он токсичен, а при окислении выделяется тепло, достаточное для самовоспламенения вещества; исключение доступа кислорода при хранении под водой снижает риск пожара.

Красный фосфор получают нагреванием белого фосфора без доступа воздуха: молекулы P₄ перестраиваются в полимерную структуру. У более протяжённой структуры нет такой же напряжённости отдельных молекул, поэтому красная модификация менее активна и устойчивее при обычных условиях. Она не самовоспламеняется на воздухе так легко, как белая, но всё равно требует осторожного обращения. При нагревании красный фосфор может загореться, поэтому «менее опасный» не означает «безопасный при любых условиях».

При взаимодействии с кислородом степень окисления фосфора зависит от условий и количества кислорода. В избытке кислорода образуется оксид фосфора(V): P₄ + 5O₂ → P₄O₁₀, где степень окисления P равна +5; при недостатке кислорода возможно образование оксида фосфора(III) P₄O₆. С металлами фосфор образует фосфиды, например Mg₃P₂, в котором магний имеет степень окисления +2, а фосфор — −3. Сопоставление степеней окисления в реагентах и продуктах помогает проверить формулы и понять, какие превращения произошли.

Аллотропные модификации фосфора

Сравнивайте столбцы по одной и той же характеристике: так легче увидеть, как изменение строения связано с активностью и устойчивостью. Белая модификация требует особого хранения, а красная и чёрная заметно устойчивее. Применение и конкретные свойства зависят от условий, поэтому таблицу стоит использовать как общее сравнение, а не как инструкцию по работе с веществами.

Разбор задач

Строение белого фосфора

Условие: укажите строение белого фосфора и запишите формулу его молекулы. Чтобы не спутать молекулу с символом химического элемента, нужно определить, сколько атомов фосфора входит в одну частицу. Для белой модификации это четыре атома, соединённые в замкнутую напряжённую структуру.

1. Белый фосфор является молекулярным веществом, а не совокупностью отдельных атомов P.
2. В одной молекуле содержатся четыре атома фосфора, поэтому индекс 4 ставят после символа элемента.
3. Записываем формулу частицы: P₄.

Ответ: молекула белого фосфора состоит из четырёх атомов, её формула — P₄. Эта формула пригодится при составлении уравнений реакций белой модификации. Для красного фосфора отдельные молекулы P₄ не являются подходящим описанием полимерного строения.

Горение в избытке кислорода

Условие: составьте уравнение горения фосфора в избытке кислорода и определите степень окисления фосфора в продукте. Сначала учитываем условие об избытке кислорода: образуется оксид фосфора(V), P₄O₁₀. Затем проверяем число атомов каждого элемента и устанавливаем степень окисления по формуле продукта.

1. Записываем схему реакции с учётом молекулярной формы фосфора: P₄ + O₂ → P₄O₁₀.
2. Справа десять атомов кислорода, поэтому перед O₂ ставим коэффициент 5: P₄ + 5O₂ → P₄O₁₀.
3. В соединении кислород имеет степень окисления −2. Для нейтрального P₄O₁₀ сумма степеней окисления равна нулю: 4x + 10 · (−2) = 0, откуда x = +5.

Ответ: P₄ + 5O₂ → P₄O₁₀; степень окисления фосфора равна +5. Фосфор меняет степень окисления с 0 в простом веществе на +5 в оксиде, то есть окисляется. Уравнение сбалансировано: с обеих сторон четыре атома P и десять атомов O.

Масса фосфора в фосфиде магния

Условие: при взаимодействии фосфора с металлом получено 6,2 г фосфида магния Mg₃P₂; найдите массу фосфора, вступившего в реакцию. Из формулы продукта видно, что на три атома магния приходятся два атома фосфора, поэтому сначала находим долю фосфора в веществе. Предполагается, что весь фосфор реакции вошёл в указанный продукт.

1. Считаем молярную массу Mg₃P₂: M = 3 · 24,3 + 2 · 31,0 = 134,9 г/моль.
2. На фосфор приходится масса двух атомов: 2 · 31,0 = 62,0 г на один моль Mg₃P₂.
3. Находим массовую долю фосфора: w(P) = 62,0 / 134,9 ≈ 0,459.
4. Умножаем массу продукта на долю фосфора: m(P) = 6,2 · 0,459 ≈ 2,85 г.

Ответ: в реакцию вступило примерно 2,85 г фосфора. Проверка показывает, что результат меньше массы всего продукта, поскольку в Mg₃P₂ есть также магний. Стехиометрическая запись реакции 3Mg + 2P → Mg₃P₂ согласуется с отношением атомов в формуле продукта.

Типичные ошибки

Ошибка: считать белый и красный фосфор разными химическими элементами. Её допускают, потому что у модификаций заметно различаются цвет и свойства, но химический элемент определяется зарядом ядра, а не внешним видом вещества. Проверьте себя: в обоих случаях частицы состоят только из атомов P, значит, речь идёт об одном элементе.

Ошибка: записывать формулу белого фосфора как P. Так происходит, если символ элемента принимают за формулу любой его простой формы. У белого фосфора молекулы содержат четыре атома, поэтому правильная формула — P₄; проверка проста: спросите себя, относится ли запись к символу элемента или к составу молекулы.

Ошибка: приписывать красному фосфору свойства белого или наоборот. Их легко перепутать, поскольку названия обозначают формы одного элемента, но активность и опасность у них различаются. Сверяйте свойства со строением: отдельные напряжённые молекулы P₄ характерны для более активного белого фосфора, полимерное строение — для более устойчивого красного.

Ошибка: записывать продукт горения, не учитывая условия и соотношение реагентов. Обычно вспоминают только один оксид, хотя при избытке кислорода образуется P₄O₁₀, а при недостатке может образоваться P₄O₆. Проверьте формулировку задачи и баланс атомов; затем по формуле определите степень окисления фосфора, не смешивая её с коэффициентом перед веществом.

Связь с другими темами

Для изучения фосфора нужны знания о строении атома и периодической таблице: число внешних электронов помогает объяснять степени окисления. Также пригодятся умение расставлять коэффициенты и определять степени окисления в уравнениях реакций. Эти навыки позволяют связать свойства простого вещества с составом его соединений.

Тема служит основой для изучения оксидов, фосфорной кислоты и фосфатов. Фосфаты важны для живых организмов и входят в круговорот фосфора в природе. Поэтому свойства элемента помогают понять и химические превращения, и роль фосфора в природных процессах.

Что запомнить

• Фосфор — элемент 15-й группы, его символ — P.
• Белый фосфор состоит из молекул P₄.
• Белый и красный фосфор — аллотропные модификации одного элемента.
• Белый фосфор токсичен, химически активен и хранится под водой.
• Красный фосфор устойчивее и менее опасен при обычном обращении.
• При горении фосфор образует оксид фосфора(V) в избытке кислорода.