§ 37. Фосфор и его соединения

Определения и обозначения

Аллотропия фосфора — существование фосфора в нескольких простых веществах, различающихся строением и свойствами. Эти вещества называют аллотропными модификациями: они состоят из атомов одного элемента, но устроены по-разному. Понятие помогает объяснить, почему белый и красный фосфор выглядят и ведут себя неодинаково.

Белый фосфор — молекулярная аллотропная модификация, состоящая из молекул P₄. Он мягкий, светится в темноте, ядовит и способен воспламеняться на воздухе, поэтому его хранят под водой и не трогают без специальной защиты. Знание этих свойств нужно прежде всего для безопасного обращения с веществом.

Красный фосфор — полимерная аллотропная модификация: его атомы связаны в протяжённые структуры, а не собраны в отдельные молекулы P₄. Он устойчивее и менее активен, чем белый фосфор, и не обладает такой же токсичностью. Сравнение показывает, что изменение строения может менять свойства простого вещества.

Фосфорная кислота — кислородсодержащая кислота с формулой H₃PO₄, образующаяся при взаимодействии оксида фосфора(V) с водой. В её составе есть атомы водорода, способные замещаться металлами, поэтому кислота образует соли — фосфаты. Формула помогает отличать исходную кислоту от её солей.

Как это устроено

Фосфор находится в 15-й клетке периодической системы, поэтому заряд его ядра равен +15, а в нейтральном атоме 15 электронов. Электронная схема по уровням — 2, 8, 5: на внешнем уровне находятся пять электронов. В реакциях атом может отдавать, присоединять или совместно использовать электроны, поэтому для фосфора характерны разные степени окисления, в том числе −3 и +5.

Различие белого и красного фосфора объясняется не разным составом элементов, а устройством частиц. В молекуле P₄ связи между атомами напряжены, поэтому белый фосфор легко вступает в реакции. В полимерной структуре красного фосфора связи устроены иначе, и вещество устойчивее; именно строение влияет на активность, токсичность и условия хранения.

При горении фосфор соединяется с кислородом: 4P + 5O₂ → 2P₂O₅. В избытке кислорода продукт содержит максимальную для обычных школьных реакций степень окисления фосфора, равную +5; кислород имеет степень окисления −2. Поэтому формулу оксида можно проверить по балансу зарядов: два атома фосфора дают +10, а пять атомов кислорода — −10. Молекулярную формулу этого оксида также записывают как P₄O₁₀.

Оксид фосфора(V) — кислотный оксид: при взаимодействии с водой он образует соответствующую кислоту. Уравнение реакции в школьной записи: P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄. Фосфорная кислота нейтрализует основания, например H₃PO₄ + 3NaOH → Na₃PO₄ + 3H₂O, а с основными оксидами также образует соль и воду. Соли этой кислоты называют фосфатами.

При нагревании с металлами фосфор образует фосфиды, например 3Ca + 2P → Ca₃P₂. В этом соединении кальций имеет степень окисления +2, а фосфор — −3, так как металл отдаёт электроны, а неметалл их принимает. Сравнение с горением показывает противоположное направление изменения: при соединении с кислородом фосфор отдаёт электроны и его степень окисления повышается до +5.

Аллотропные модификации фосфора и основные соединения

Сначала сравните строение веществ, затем свяжите его с их свойствами и обращением с ними. Последний столбец помогает запомнить характерные реакции и примеры применения, а уравнения позволяют проверить состав продуктов.

Разбор задач

Задача 1. Запишите уравнение горения фосфора в избытке кислорода и расставьте коэффициенты. Сначала определяем продукты: при горении образуется оксид фосфора(V), формулу которого в школьной записи обозначают P₂O₅. Затем уравниваем число атомов каждого элемента по обе стороны стрелки.

1. Запишем схему: P + O₂ → P₂O₅.
2. В продукте два атома фосфора, поэтому поставим коэффициент 2 перед P₂O₅: P + O₂ → 2P₂O₅.
3. Теперь справа четыре атома фосфора и десять атомов кислорода. Ставим 4 перед P и 5 перед O₂: 4P + 5O₂ → 2P₂O₅.

Ответ: 4P + 5O₂ → 2P₂O₅. Проверка: слева и справа по четыре атома фосфора и десять атомов кислорода. Это минимальные целые коэффициенты.

Задача 2. Найдём массу кислоты, полученной из 14,2 г P₂O₅ при избытке воды. Это иллюстративный расчёт: при избытке воды весь оксид расходуется. Сначала используем уравнение, чтобы установить молярное соотношение оксида и кислоты.

1. Запишем реакцию: P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄. Из уравнения следует, что 1 моль P₂O₅ даёт 2 моль H₃PO₄.
2. Вычислим молярную массу оксида: M(P₂O₅) = 2·31 + 5·16 = 142 г/моль. Количество оксида n = 14,2 / 142 = 0,1 моль.
3. По коэффициентам n(H₃PO₄) = 2·0,1 = 0,2 моль. Молярная масса кислоты M(H₃PO₄) = 98 г/моль.
4. Найдём массу: m = nM = 0,2·98 = 19,6 г.

Ответ: образуется 19,6 г H₃PO₄. Перед вычислением массы продукта важно учесть коэффициент 2 перед формулой кислоты.

Задача 3. Определим объём кислорода для сжигания 6,2 г фосфора с образованием P₂O₅. Считаем, что кислород взят в избытке по сравнению с другими возможными условиями, а объём газа измерен при нормальных условиях. Уравнение реакции связывает количество фосфора с количеством кислорода.

1. Используем уравнение: 4P + 5O₂ → 2P₂O₅.
2. Молярная масса фосфора M(P) = 31 г/моль, поэтому n(P) = 6,2 / 31 = 0,2 моль.
3. По соотношению коэффициентов n(O₂) = 0,2·5/4 = 0,25 моль.
4. При нормальных условиях молярный объём газа равен 22,4 л/моль. Значит, V(O₂) = 0,25·22,4 = 5,6 л.

Ответ: потребуется 5,6 л кислорода. Коэффициенты берут именно из уравненной реакции, а не из первоначальной схемы.

Типичные ошибки

Считать белый и красный фосфор разными химическими элементами — ошибка: оба вещества состоят из атомов фосфора и являются его аллотропными модификациями. Путаница возникает потому, что их свойства заметно различаются. Проверьте себя по составу: если формула вещества содержит только P, речь идёт о простом веществе фосфоре.

Не следует менять местами свойства белого и красного фосфора. Белый фосфор токсичен и легко воспламеняется, а красный устойчивее и менее активен. Ошибку предотвращает сопоставление строения и свойств: молекулы P₄ характерны для белого фосфора, полимерная структура — для красного.

Записывая оксид фосфора(V), важно не терять индекс и помнить степень окисления +5. В школьной записи формула — P₂O₅, её молекулярная форма — P₄O₁₀; обе обозначают оксид, где отношение атомов P и O соответствует степени окисления фосфора +5. Самопроверка: пять атомов кислорода дают суммарно −10, значит, два атома фосфора должны давать +10.

Фосфорная кислота и фосфаты — не одно и то же вещество. H₃PO₄ — кислота, а фосфаты — её соли, возникающие, например, при реакции с основанием. Проверьте формулу: если в ней есть заместивший водород металл и кислотный остаток, это соль, а не исходная кислота.

Связь с другими темами

Для понимания свойств фосфора нужны знания о строении атома, периодической системе и степенях окисления: они помогают объяснять, как атомы образуют соединения. При составлении уравнений пригодятся правила записи формул, реакций соединения и горения, а также свойства оксидов, кислот и солей. Тема продолжает изучение неметаллов и помогает понять круговорот фосфора в природе. Свойства фосфатов важны при изучении минеральных удобрений и их роли в жизни растений.

Что запомнить

• Фосфор — неметалл с порядковым номером 15.
• Белый и красный фосфор — аллотропные модификации одного элемента.
• Белый фосфор токсичен и химически активнее красного.
• При горении фосфора в кислороде образуется оксид фосфора(V).
• Оксид фосфора(V) при взаимодействии с водой образует фосфорную кислоту.
• Фосфорная кислота образует соли — фосфаты.