"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Фосфор со степенью окисления +3 образует оксид P₄O₆, фосфористую кислоту H₃PO₃ и её соли — фосфиты. Эти соединения возникают при неполном окислении фосфора и могут проявлять восстановительные свойства: отдавать электроны и переходить в соединения фосфора(V). Главное отличие H₃PO₃ от многих знакомых кислот — строение HPO(OH)₂: только два атома водорода связаны с кислородом, поэтому кислота двухосновная и при нейтрализации образует два типа солей.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Степень окисления фосфора +3 — это условный заряд, который приписывают атому, если считать общие электроны связей принадлежащими более электроотрицательному атому. Чтобы определить её, используют известные степени окисления других элементов и учитывают, что сумма в нейтральном соединении равна нулю. Например, в P₄O₆ кислород имеет степень окисления −2, поэтому четыре атома фосфора в сумме дают +12, то есть на каждый приходится +3. Такой расчёт помогает отличать соединения фосфора(III) от соединений фосфора(V).
Оксид фосфора(III) — молекулярное соединение с формулой P₄O₆, состоящее из четырёх атомов фосфора и шести атомов кислорода. Его название указывает на степень окисления фосфора, а число атомов задаёт состав молекулы. При ограниченном окислении фосфор не переходит в более окисленное состояние +5. Знание формулы нужно, чтобы правильно записывать реакции оксида и не путать молекулярный состав с простейшим соотношением атомов.
Фосфористая кислота H₃PO₃ — кислота, в которой фосфор имеет степень окисления +3. Её строение удобно показывать формулой HPO(OH)₂: два атома водорода связаны с кислородом, а третий — непосредственно с фосфором. Поэтому одинаковый индекс у водорода в общей формуле не означает, что все три атома одинаково участвуют в реакциях. Строение объясняет, почему кислота отдаёт не три, а два протона.
Фосфиты — соли фосфористой кислоты, содержащие её анионы и катионы металлов либо другие положительные ионы. При замещении одного подвижного атома водорода образуется анион H₂PO₃⁻, а при замещении обоих — HPO₃²⁻. Например, натриевые соли имеют формулы NaH₂PO₃ и Na₂HPO₃. Эти формулы помогают увидеть, сколько водородов кислоты замещено и как заряд аниона уравновешен катионами.
При ограниченном доступе кислорода фосфор окисляется не полностью: его степень окисления повышается от нуля до +3. Если кислорода достаточно, процесс может идти дальше, и образуются соединения, где фосфор имеет степень окисления +5. Поэтому результат горения зависит от соотношения реагентов, а не только от того, что фосфор взаимодействует с кислородом. Для получения оксида фосфора(III) используют уравнение P₄ + 3O₂ → P₄O₆, которое показывает недостаток кислорода по сравнению с полным окислением.
Молекула P₄O₆ содержит четыре атома фосфора и шесть атомов кислорода; простейшее соотношение этих атомов — 2:3. При составлении уравнения важно сохранить именно состав вещества и число атомов каждого элемента. Баланс P₄ + 3O₂ → P₄O₆ уже уравнен: слева и справа по четыре атома фосфора и шесть атомов кислорода. Формула P₂O₃ может передавать соотношение элементов, но молекулярную формулу оксида записывают как P₄O₆.
При взаимодействии с водой кислотный оксид превращается в соответствующую кислоту: P₄O₆ + 6H₂O → 4H₃PO₃. Коэффициент 4 перед кислотой нужен, потому что в молекуле оксида четыре атома фосфора. Формула H₃PO₃ не означает, что все три водорода одинаково подвижны: её структурная запись HPO(OH)₂ показывает два фрагмента OH и одну связь P–H. Именно водороды в группах OH могут замещаться при нейтрализации.
Фосфористая кислота проявляет свойства кислоты и является двухосновной, то есть способна отдать два протона. Когда замещается один водород из группы OH, образуется кислая соль с анионом H₂PO₃⁻; при замещении второго получается средняя соль с анионом HPO₃²⁻. Кислая соль сохраняет один подвижный водород, а средняя его уже не содержит. Число замещаемых атомов определяется строением, а не общим количеством водородов в формуле.
Фосфор со степенью окисления +3 может отдать электроны и окислиться до +5, поэтому соединения фосфора(III) способны быть восстановителями. Например, в реакции H₃PO₃ + I₂ + H₂O → H₃PO₄ + 2HI фосфор меняет степень окисления с +3 на +5 и отдаёт два электрона. Молекула I₂ принимает эти электроны: степень окисления каждого атома йода меняется с 0 на −1. Так одновременно окисляется фосфор и восстанавливается йод, а уравнение сохраняет атомы и заряд.
| Соединение | Формула | Строение или состав | Получение | Характерные свойства |
|---|---|---|---|---|
| Оксид фосфора(III) | P₄O₆ | Молекула из четырёх атомов фосфора и шести атомов кислорода | Окисление фосфора при ограниченном доступе кислорода: P₄ + 3O₂ → P₄O₆ | Кислотный оксид; с водой образует H₃PO₃ |
| Фосфористая кислота | H₃PO₃ | HPO(OH)₂; два водорода связаны с кислородом | Гидратация оксида: P₄O₆ + 6H₂O → 4H₃PO₃ | Двухосновная; может окисляться до соединений фосфора(V) |
| Фосфиты | NaH₂PO₃, Na₂HPO₃ | Содержат анионы H₂PO₃⁻ или HPO₃²⁻ и катионы | Нейтрализация одного или двух подвижных водородов H₃PO₃ | Бывают кислыми и средними солями |
Сравнивай формулы вместе со строением: так видно, почему кислота двухосновная, а фосфиты различаются составом анионов. Столбец получения связывает вещества в цепочку оксид — кислота — соли. Свойства показывают, какие превращения характерны для каждого соединения.
Определяем продукт: кислотный оксид при взаимодействии с водой образует соответствующую кислоту, здесь это H₃PO₃. Записываем схему P₄O₆ + H₂O → H₃PO₃.
Уравниваем фосфор: в P₄O₆ четыре атома P, значит, ставим коэффициент 4 перед кислотой. Затем уравниваем водород и кислород водой: получается коэффициент 6 перед H₂O.
Проверяем: по обе стороны уравнения четыре атома P, шесть атомов O и двенадцать атомов H. Уравнение: P₄O₆ + 6H₂O → 4H₃PO₃.
Ответ: образуется фосфористая кислота H₃PO₃.
Учитываем, что H₃PO₃ двухосновная: с NaOH реагируют два водорода из групп OH, а водород, связанный непосредственно с фосфором, сохраняется. Поэтому средняя соль содержит анион HPO₃²⁻ и два катиона Na⁺.
Записываем продукты: Na₂HPO₃ и вода. Для нейтрализации двух кислотных водородов нужны две молекулы NaOH, значит, ставим коэффициент 2 перед щёлочью.
Проверяем атомы: H₃PO₃ + 2NaOH → Na₂HPO₃ + 2H₂O. Слева и справа одинаковое число атомов каждого элемента, а суммарный заряд равен нулю.
Ответ: H₃PO₃ + 2NaOH → Na₂HPO₃ + 2H₂O; образуется фосфит натрия, средняя соль.
Выбираем окислитель, например I₂, и записываем продукты: фосфорная кислота H₃PO₄ и HI. Степень окисления P меняется с +3 на +5, поэтому каждый атом P отдаёт два электрона; два атома йода в I₂ принимают в сумме два электрона.
Электронный баланс: P(+3) − 2e⁻ → P(+5); I₂ + 2e⁻ → 2I(−1). Соотношение фосфористой кислоты и молекулы йода равно 1:1, коэффициенты перед ними — единицы.
Уравниваем остальные атомы водой и проверяем итог: H₃PO₃ + I₂ + H₂O → H₃PO₄ + 2HI. По обе стороны по одному атому P, два атома I, четыре атома O и шесть атомов H.
Ответ: H₃PO₃ + I₂ + H₂O → H₃PO₄ + 2HI. Фосфористая кислота окисляется, а йод восстанавливается.
Ошибка: считать все три атома водорода в H₃PO₃ подвижными. Её допускают, ориентируясь только на индекс 3, но один водород связан непосредственно с фосфором, а два входят в группы OH. Проверка: изобрази структуру HPO(OH)₂ и считай только водороды в группах OH.
Ошибка: называть фосфористую кислоту трёхосновной. Причина та же — число атомов H принимают за число отщепляемых протонов, хотя эти величины не всегда совпадают. Чтобы проверить ответ, посмотри на число гидроксильных групп: в HPO(OH)₂ их две, следовательно, кислота двухосновная.
Ошибка: записывать оксид фосфора(III) только как P₂O₃ и принимать это за молекулярную формулу. Так происходит из-за сокращения индексов до простейшего соотношения элементов. Сверься с составом молекулы: для данного оксида молекулярная формула P₄O₆, а соотношение P:O равно 2:3.
Ошибка: не указывать ограниченный доступ кислорода при образовании оксида фосфора(III). Обычно условие упускают, перенося на эту реакцию условия полного горения. Проверь уравнение и продукт: при достатке кислорода фосфор способен окислиться до +5, а для P₄O₆ кислорода подают ограниченное количество.
Для определения степени окисления и составления формул P₄O₆ и H₃PO₃ понадобятся правила, изученные при разборе бинарных соединений. Уравнения получения кислоты и солей опираются на свойства кислотных оксидов, кислот и оснований, а также на состав солей. В окислительно-восстановительной реакции нужно применить электронный баланс и проследить, кто отдаёт и принимает электроны. Эти знания позволяют сравнивать соединения фосфора со степенями окисления +3 и +5 и оценивать свойства неметаллов.
Почему оксид фосфора(III) записывают как P₄O₆, а не только как P₂O₃?
P₂O₃ — простейшее соотношение атомов фосфора и кислорода в оксиде. Реальная молекулярная формула вещества — P₄O₆: молекула состоит из четырёх атомов фосфора и шести атомов кислорода.
Почему фосфористая кислота H₃PO₃ является двухосновной?
Её структура записывается как HPO(OH)₂: два атома водорода входят в группы OH, а третий связан непосредственно с фосфором. При нейтрализации замещаются только водороды из групп OH, поэтому кислота двухосновная.
Какие соли образует фосфористая кислота?
При замещении одного подвижного атома водорода образуются кислые фосфиты, например NaH₂PO₃. При замещении обоих образуются средние фосфиты, например Na₂HPO₃.
При каких условиях образуется оксид фосфора(III)?
Он образуется при горении фосфора при ограниченном доступе кислорода. Если кислорода достаточно, фосфор окисляется дальше и образуется оксид фосфора(V).
Почему соединения фосфора(III) могут быть восстановителями?
Фосфор в них может повысить степень окисления с +3 до +5, то есть отдать электроны другому веществу. Поэтому соединение фосфора(III) восстанавливает окислитель, а само окисляется.
18.9. Соединения фосфора со степенью окисления +3
