18.10. Соединения фосфора со степенью окисления +5

Определения и обозначения

Оксид фосфора(V) — высший оксид фосфора с простейшей формулой P₂O₅. Его молекулярная формула — P₄O₁₀, а кислотный характер означает способность реагировать с водой и основаниями с образованием кислот и солей.

Ортофосфорная кислота — кислородсодержащая трёхосновная кислота H₃PO₄. Три атома водорода в её составе могут замещаться атомами или ионами металла, поэтому кислота образует несколько рядов солей.

Фосфат — соль ортофосфорной кислоты, содержащая фосфат-ион PO₄³⁻ или его частично протонированную форму. К таким формам относятся гидрофосфат HPO₄²⁻ и дигидрофосфат H₂PO₄⁻.

Фосфорная кислота — кислородсодержащая кислота, образующаяся при взаимодействии оксида фосфора(V) с водой. В школьной химии под этим названием обычно понимают ортофосфорную кислоту H₃PO₄.

Как это устроено

В соединении P₂O₅ кислород обычно имеет степень окисления −2. Сумма степеней окисления в нейтральном соединении равна нулю, поэтому два атома фосфора должны дать +10, а степень окисления одного атома фосфора равна +5. Соотношение зарядов P⁺⁵ и O⁻² приводит к индексам 2 и 5: P₂O₅.

Молекулярная частица оксида содержит четыре атома фосфора и десять атомов кислорода, поэтому её записывают как P₄O₁₀. При добавлении воды разрываются связи оксида и формируются гидроксильные группы фосфорной кислоты. При достаточном количестве воды идёт реакция P₄O₁₀ + 6H₂O → 4H₃PO₄.

Количество воды влияет на степень гидратации оксида. При недостатке воды могут образовываться метафосфорная кислота HPO₃ или пирофосфорная кислота H₄P₂O₇: P₄O₁₀ + 2H₂O → 4HPO₃ и P₄O₁₀ + 4H₂O → 2H₄P₂O₇. Избыток воды способствует образованию ортофосфорной кислоты H₃PO₄.

Строение ортофосфорной кислоты можно представить формулой P(=O)(OH)₃. Три группы –OH содержат подвижные атомы водорода, поэтому кислота проявляет трёхосновность и нейтрализуется ступенчато. При замене одного, двух или трёх водородов образуются соответственно H₂PO₄⁻, HPO₄²⁻ и PO₄³⁻.

Свойства соединений фосфора со степенью окисления +5

Таблица помогает сравнить не отдельные вещества, а связанные между собой классы соединений. Сначала определяйте формулу и степень окисления фосфора, затем сопоставляйте класс и типичную реакцию.

При анализе солей обращайте внимание на число оставшихся атомов водорода. Оно показывает, является ли соль дигидрофосфатом, гидрофосфатом или фосфатом.

Разбор задач

Задача 1

Условие: определите формулу оксида фосфора, в котором фосфор имеет степень окисления +5, и запишите его реакцию с водой. Нужно сначала установить соотношение индексов, а затем подобрать коэффициенты в уравнении.

1. Кислород имеет степень окисления −2, а фосфор — +5. Для нулевой суммы берём 2 атома фосфора и 5 атомов кислорода: P₂O₅.
2. Для молекулярной записи используем формулу P₄O₁₀. При полном взаимодействии с водой образуется H₃PO₄.
3. Расставляем коэффициенты по атомам: P₄O₁₀ + 6H₂O → 4H₃PO₄. Проверка показывает по четыре атома P, двадцать два атома H и шестнадцать атомов O с каждой стороны.

Ответ: формульная запись оксида — P₂O₅, молекулярная — P₄O₁₀; уравнение: P₄O₁₀ + 6H₂O → 4H₃PO₄.

Задача 2

Условие: запишите уравнение полной нейтрализации H₃PO₄ гидроксидом натрия и назовите соль. Полная нейтрализация означает замещение всех трёх кислотных атомов водорода ионами Na⁺.

1. В одной формульной единице H₃PO₄ находятся три замещаемых атома водорода. Поэтому на одну кислоту потребуется три формульные единицы NaOH.
2. Катионы Na⁺ соединяются с фосфат-ионом PO₄³⁻, образуя Na₃PO₄. Оставшиеся ионы H⁺ и OH⁻ дают три молекулы воды.
3. Записываем реакцию: H₃PO₄ + 3NaOH → Na₃PO₄ + 3H₂O. Число атомов каждого элемента и общий заряд совпадают.

Ответ: образуется фосфат натрия, или Na₃PO₄.

Задача 3

Условие: к раствору H₃PO₄ добавили ограниченное количество KOH. Определите возможную кислую соль, если замещается только один атом водорода, и запишите уравнение.

1. Ограниченное количество основания не позволяет заменить все три атома водорода. При соотношении H₃PO₄:KOH = 1:1 замещается один атом водорода.
2. Остаток кислоты имеет состав H₂PO₄⁻ и соединяется с K⁺. Получается дигидрофосфат калия KH₂PO₄.
3. Уравнение реакции имеет вид H₃PO₄ + KOH → KH₂PO₄ + H₂O. Если бы основания было вдвое больше, образовался бы K₂HPO₄.

Ответ: возможная соль — дигидрофосфат калия KH₂PO₄.

Типичные ошибки

P₂O₅ считают точной молекулярной формулой. Так делают из-за привычной записи высшего оксида по соотношению элементов. Проверяйте, о каком виде формулы спрашивается: простейшая запись — P₂O₅, молекулярная — P₄O₁₀.

H₃PO₄ называют двухосновной кислотой. Ошибка появляется, если учитывать не все атомы водорода в формуле. Найдите три группы –OH в записи P(=O)(OH)₃ и проверьте возможность трёх последовательных замещений.

При любой нейтрализации записывают только среднюю соль. Ученик может автоматически получать Na₃PO₄, не учитывая количество основания. Сопоставьте число молей H₃PO₄ и OH⁻: при недостатке основания образуются кислые соли.

Путают фосфат-, гидрофосфат- и дигидрофосфат-ионы. Причина ошибки — похожие названия и формулы. Запомните порядок: PO₄³⁻, HPO₄²⁻, H₂PO₄⁻; с каждым добавленным атомом водорода заряд уменьшается на единицу.

Связь с другими темами

Для изучения темы нужны правила определения степеней окисления, составления формул и уравнивания реакций. Без них трудно вывести P₂O₅ и расставить коэффициенты в реакции с водой.

Соединения фосфора(V) связаны с темами кислотных оксидов, кислот, оснований и нейтрализации. Эти знания объясняют образование кислоты и ступенчатое получение солей.

Фосфаты встречаются при изучении минеральных удобрений, качественных реакций на ионы и круговорота фосфора в природе. Поэтому формулы фосфатных частиц важны не только для расчётов, но и для понимания практических процессов.

Что запомнить

• В оксиде фосфора(V) степень окисления фосфора равна +5.
• Оксид фосфора(V) записывают как P₂O₅, а его молекулярную формулу — P₄O₁₀.
• При взаимодействии P₄O₁₀ с достаточным количеством воды образуется H₃PO₄.
• Ортофосфорная кислота H₃PO₄ — трёхосновная.
• При частичной нейтрализации H₃PO₄ образуются кислые соли.
• Фосфат-ион имеет состав PO₄³⁻.