"Химия (углублённый уровень)", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Теренин В.И. и др./Под ред. Лунина В.В.
Фосфорный ангидрид P₄O₁₀ — кислотный оксид, из которого при взаимодействии с водой получают фосфорные кислоты. Какая именно кислота образуется, зависит от количества воды: это может быть ортофосфорная H₃PO₄, пирофосфорная H₄P₂O₇ или метафосфорная (HPO₃)ₙ. Разобравшись в строении кислот и числе подвижных атомов водорода, можно понять, как при нагревании они превращаются друг в друга и почему образуют разные соли.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Фосфорный ангидрид — кислотный оксид фосфора(V) с молекулярной формулой P₄O₁₀; его эмпирическая формула — P₂O₅. Эмпирическая формула показывает простейшее соотношение атомов, а молекулярная — их число в частице вещества. При взаимодействии с водой оксид образует фосфорные кислоты, поэтому его рассматривают как ангидрид этих кислот.
Ортофосфорная кислота H₃PO₄ — трёхосновная кислота. В её строении атом фосфора связан с четырьмя атомами кислорода, три из которых входят в группы O–H. Водород из этих групп способен отщепляться в виде протонов H⁺, поэтому нейтрализация может происходить ступенчато.
Пирофосфорная кислота H₄P₂O₇ получается при отщеплении воды от двух молекул ортофосфорной кислоты. В отличие от иногда встречающегося ошибочного указания, она четырёхосновная: в её молекуле четыре кислотных атома водорода. Это свойство важно при составлении формул её солей.
Метафосфорная кислота имеет состав (HPO₃)ₙ и образуется при дальнейшем обезвоживании фосфорных кислот. Индекс n показывает, что частицы могут содержать разное число повторяющихся звеньев HPO₃. Для понимания её солей учитывают кислотные атомы водорода в составе таких звеньев.
P₄O₁₀ относят к кислотным оксидам, потому что при соединении с водой он образует кислоты, а при реакции с основаниями — соли. Причина в том, что оксид является ангидридом фосфорных кислот: его состав можно связать с кислотой удалением воды. Например, с гидроксидом натрия он даёт фосфат натрия и воду: P₄O₁₀ + 12NaOH → 4Na₃PO₄ + 6H₂O. По этому уравнению видно, что оксид проявляет характерные свойства кислотного оксида.
Количество воды определяет, насколько полно гидратируется P₄O₁₀, поэтому возможны разные кислоты. При избытке воды образуется ортофосфорная кислота: P₄O₁₀ + 6H₂O → 4H₃PO₄. При меньшем количестве воды можно получить пирофосфорную кислоту: P₄O₁₀ + 2H₂O → 2H₄P₂O₇; уравнение для метафосфорной кислоты записывают как P₄O₁₀ + 2H₂O → 4HPO₃. Таким образом, одной формулы оксида недостаточно, чтобы определить продукт: нужно знать условия и соотношение реагентов.
При нагревании ортофосфорная кислота теряет воду, а две её молекулы соединяются в одну молекулу пирофосфорной кислоты: 2H₃PO₄ → H₄P₂O₇ + H₂O. Дальнейшее обезвоживание даёт метафосфорную кислоту: H₄P₂O₇ → 2HPO₃ + H₂O. Эти превращения называют конденсацией: части кислоты соединяются, одновременно отщепляя воду. Поэтому более «обезвоженные» кислоты содержат меньше водорода и кислорода относительно фосфора.
Три кислотных атома водорода в H₃PO₄ могут замещаться катионами постепенно. Если заменён один атом водорода, остаток H₂PO₄⁻ даёт дигидрофосфат; если два — HPO₄²⁻ даёт гидрофосфат; если все три — PO₄³⁻ даёт фосфат. Такая последовательность объясняет появление кислых и средних солей при разных количествах основания. Например, при реакции с щёлочью соотношение реагентов определяет, сколько протонов будет нейтрализовано.
Заряд кислотного остатка задаёт соотношение между ним и катионами в формуле соли. Остатки H₂PO₄⁻, HPO₄²⁻ и PO₄³⁻ имеют заряды соответственно −1, −2 и −3, поэтому формулы солей должны быть электронейтральны. Например, для иона Ca²⁺ остаток PO₄³⁻ требует общего уравнивания зарядов: два катиона кальция дают +4, а два фосфат-иона — −6, поэтому правильная формула фосфата кальция Ca₃(PO₄)₂. Проверка суммарного заряда помогает избежать ошибок.
| Кислота | Формула | Получение из P₄O₁₀ | Основность | Пример соли |
|---|---|---|---|---|
| Ортофосфорная кислота | H₃PO₄ | P₄O₁₀ + 6H₂O → 4H₃PO₄ | Трёхосновная | Na₃PO₄ — фосфат натрия |
| Пирофосфорная кислота | H₄P₂O₇ | P₄O₁₀ + 2H₂O → 2H₄P₂O₇ | Четырёхосновная | Na₄P₂O₇ — пирофосфат натрия |
| Метафосфорная кислота | (HPO₃)ₙ | P₄O₁₀ + 2H₂O → 4HPO₃ | Одна основная на звено HPO₃ | NaPO₃ — метафосфат натрия |
Сначала по формуле кислоты определите число кислотных атомов водорода и заряд остатка, затем проверьте нейтральность соли. Уравнения получения из P₄O₁₀ показывают, какое количество воды соответствует каждой кислоте. Для полимерной метафосфорной кислоты таблица приводит формулы одного звена и соответствующей соли.
Задача 1. Составить уравнение реакции P₄O₁₀ с водой, если продуктом является ортофосфорная кислота. Сначала записываем формулы реагентов и заданного продукта: P₄O₁₀ + H₂O → H₃PO₄. Затем подбираем коэффициенты так, чтобы число атомов каждого элемента слева и справа совпадало. Это позволяет не угадывать коэффициенты, а проверять их по сохранению атомов.
Ответ: P₄O₁₀ + 6H₂O → 4H₃PO₄. Коэффициенты получены из баланса атомов, а не меняют индексы внутри формул. Уравнение описывает полную гидратацию оксида до ортофосфорной кислоты.
Задача 2. При нагревании ортофосфорная кислота превращается в пирофосфорную. Нужно записать уравнение и назвать удаляющуюся молекулу. Поскольку пирофосфорная кислота содержит два атома фосфора, берём две молекулы H₃PO₄. Сравнение состава исходных веществ и продукта показывает, сколько атомов остаётся на образование воды.
Ответ: 2H₃PO₄ → H₄P₂O₇ + H₂O. Отщепляется молекула воды H₂O. Такое превращение называют обезвоживанием или конденсацией кислотных молекул.
Задача 3. Записать уравнение полной нейтрализации H₃PO₄ гидроксидом кальция и определить формулу соли. При полной нейтрализации все три кислотных атома водорода замещаются катионами кальция, а кислотный остаток становится PO₄³⁻. Чтобы подобрать формулу соли, уравниваем заряды: три Ca²⁺ дают суммарный заряд +6, а два PO₄³⁻ — −6. Поэтому соль имеет формулу Ca₃(PO₄)₂.
Ответ: 2H₃PO₄ + 3Ca(OH)₂ → Ca₃(PO₄)₂ + 6H₂O. Образуется средняя соль — фосфат кальция. Проверка зарядов и атомов подтверждает и формулу соли, и коэффициенты.
Запись только P₂O₅ без пояснения может создать впечатление, что это точная формула молекулы. Так происходит потому, что в уравнениях и учебных материалах часто используют эмпирическую формулу. Проверяйте условие: молекулярная формула фосфорного ангидрида — P₄O₁₀, а P₂O₅ показывает лишь соотношение элементов.
Нельзя считать, что любое количество воды с P₄O₁₀ даёт H₃PO₄. Эту ошибку допускают, запомнив одно уравнение гидратации и забыв о возможности неполного присоединения воды. Сверьте соотношение реагентов и уравняйте выбранную схему: для орто-, пиро- и метафосфорной кислот получаются разные количества воды.
Формулы H₃PO₄, H₄P₂O₇ и HPO₃ легко спутать, если не связывать их с обезвоживанием. Пирофосфорная кислота образуется из двух молекул H₃PO₄ с потерей воды, а метафосфорная — при дальнейшей потере воды. Проверьте число атомов P и H и убедитесь, что уравнение сохраняет состав элементов.
При составлении солей ошибочно заменять все атомы водорода в H₃PO₄ сразу или игнорировать заряд остатка. Это приводит к неверным формулам кислых солей и нарушению электронейтральности. Определите, сколько протонов нейтрализовано, запишите остаток H₂PO₄⁻, HPO₄²⁻ или PO₄³⁻ и подберите индексы так, чтобы суммарный заряд был равен нулю.
Для понимания свойств P₄O₁₀ нужны знания о классификации оксидов: кислотные оксиды реагируют с водой и основаниями. Уравнивание реакций помогает записывать гидратацию и нейтрализацию без нарушения закона сохранения атомов. Основность кислот и заряды кислотных остатков понадобятся при изучении солей и реакций нейтрализации. Обезвоживание фосфорных кислот при нагревании связывает тему с химическими превращениями неметаллов и их соединений.
Почему фосфорный ангидрид записывают как P₄O₁₀, если часто встречается формула P₂O₅?
P₄O₁₀ — молекулярная формула вещества, показывающая состав его молекулы. P₂O₅ — эмпирическая формула, то есть простейшее соотношение атомов фосфора и кислорода; оно равно 2:5.
Какая кислота образуется при взаимодействии фосфорного ангидрида с водой?
Продукт зависит от количества воды. При избытке воды образуется ортофосфорная кислота, а при меньшем количестве воды возможны пирофосфорная или метафосфорная кислоты.
От чего зависит, получится ортофосфорная, пирофосфорная или метафосфорная кислота?
От соотношения P₄O₁₀ и воды: чем меньше воды приходится на оксид, тем сильнее обезвожен продукт. Например, при полной гидратации образуется H₃PO₄, а при ограниченном количестве воды могут получиться H₄P₂O₇ или (HPO₃)ₙ.
Почему ортофосфорная кислота называется трёхосновной?
В молекуле H₃PO₄ есть три группы O–H, водород которых может отщепляться в виде протонов H⁺. Поэтому нейтрализация кислоты может идти по трём ступеням.
Какие соли образуются при частичной и полной нейтрализации H₃PO₄?
При частичной нейтрализации образуются кислые соли: дигидрофосфаты H₂PO₄⁻ и гидрофосфаты HPO₄²⁻. При полной нейтрализации получается средняя соль с фосфат-ионом PO₄³⁻.
§ 32. Фосфорный ангидрид и фосфорные кислоты
