Конспект урока: Фосфор и его соединения

Строение атома фосфора

Рис. 1. Строение атома фосфора

Порядковый номер фосфора — 15, следовательно, атом фосфора будет содержать 15 протонов в ядре и 15 электронов в электронной оболочке, располагающиеся на трёх энергетических уровнях.

 

Для завершения внешнего электронного слоя и приобретения устойчивого состояния фосфору не хватает трёх электронов. Он принимает их и приобретает степень окисления −3. Конечно, электроны в атоме фосфора находятся дальше от ядра, чем у атома азота, и менее сильно связаны с ним, но фосфор всё же является типичным неметаллом. Также фосфор способен отдать все пять электронов с последнего энергетического уровня, тогда его степень окисления повысится до +5. Она максимальна для фосфора.

Нахождение в природе

Рис. 2. Апатит

В свободном состоянии фосфор не встречается. Он образует примерно 190 минералов. Важнейшие из них — апатиты и фосфориты, по больше части состоящие из фосфата кальция.

 

Фосфор относится к биогенным элементам. Он входит в состав всех живых организмов. Например, его можно найти в плодах и семенах растений, в жировой ткани и в головном мозге животных. 

Рис. 3. Фосфорит

Скелет человека и многих животных главным образом формируется за счёт соединений фосфора и кальция.

 

Главный источник энергии для каждой клетки — АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) — соединение фосфора.

Фосфор как простое вещество

Для фосфора характерно явление аллотропии. Он образует несколько аллотропных модификаций: чёрный фосфор и самые известные — белый и красный фосфор.

Рис. 4. Белый фосфор

• Белый фосфор

По структуре очень похож на воск, легко режется ножом. В твёрдом состоянии белый фосфор имеет молекулярную кристаллическую решётку. Формула — Р₄.

 

Способен к хемилюминесценции (при окислении кислородом начинает светиться). При попадании в атмосферу воздуха начинает реагировать с кислородом — самовозгораться. Очень ядовит!

Рис. 5. Красный фосфор

• Красный фосфор

Твёрдое вещество красно-бурого цвета. Менее активен, чем белый фосфор, не токсичен и не светится на воздухе. Горит ярким пламенем с выделением густого белого дыма.

Химические свойства фосфора

Фосфор обладает как окислительными, так и восстановительными свойствами. По отношению к элементам с меньшей, чем у него, электроотрицательностью он окислитель. По отношению к элементам с большей электроотрицательностью он восстановитель. 

Окислительные свойства

1. Взаимодействие с металлами

Образуются фосфиды — бинарные соединения, в которых фосфор проявляет степень окисления −3:

$3 K^{0} + P^{0} = \left(K_{3}\right)^{+ 1} P^{- 3}$.

Фосфиды щелочных и щёлочноземельных металлов разлагаются водой с выделением фосфина:
 

$Ca_{3} P_{2} + 6 H_{2} O = 3 Ca \left( OH \right)_{2} + 2 PH_{3} \uparrow$.

Фосфин — летучее водородное соединение фосфора, газ с неприятным запахом испорченной рыбы.

Восстановительные свойства

1. Взаимодействие с кислородом:
 

$4 P^{0} + 5 \left(O_{2}\right)^{0} = 2 \left(P_{2}\right)^{+ 5} \left(O_{5}\right)^{- 2}$.

2. Взаимодействие с галогенами:
 

$2 P^{0} + 5 \left(Cl_{2}\right)^{0} = 2 P^{+ 5} \left(Cl_{5}\right)^{- 1}$.

3. Взаимодействие со сложными веществами-окислителями:
 

$P + 5 HNO_{3 ( \text{к}o\text{нц} )} = H_{3} PO_{4} + 5 NO_{2} \uparrow + H_{2} O$.

Образуется фосфорная кислота $H_{3} PO_{4}$. Подобная реакция протекает с разбавленной азотной кислотой, при этом в качестве участника реакции выступает третье вещество — вода.

Соединения фосфора

Из соединений фосфора мы рассмотрим два оксида, одну кислоту и её соли. Начнём с оксидов.

Фосфор образует два оксида: оксид фосфора (III) и оксид фосфора (V).

Оксид фосфора (III) $P_{2} O_{3}$ имеет кислотный характер. Представляет собой белое кристаллическое вещество с неприятным запахом. Кислотному оксиду соответствует фосфористая кислота с формулой $H_{3} PO_{3}$.

Оксид фосфора (V) $P_{2} O_{5}$ также кислотный. Твёрдый, белого цвета. Данный оксид — очень гигроскопичное вещество, то есть способно жадно поглощать водяные пары. Ему соответствует фосфорная кислота $H_{3} PO_{4}$, которая образуется при растворении оксида в воде:
 

$P_{2} O_{5} + 3 H_{2} O = 2 H_{3} PO_{4}$.

Также оксид фосфора (V) взаимодействует со щелочами, образуя соли фосфорной кислоты — фосфаты:
 

$P_{2} O_{5} + 6 KOH = 2 K_{3} PO_{4} + 3 H_{2} O$.

Перейдём непосредственно к самой фосфорной кислоте.

Фосфорная кислота

Фосфорная кислота имеет ещё одно название — ортофосфорная кислота. Это твёрдое вещество белого цвета. Является очень гигроскопичной, как и её оксид. При продолжительном нахождении на воздухе она превращается в вязкую жидкость.

Ортофосфорная кислота проявляет типичные свойства кислот, реагируя с оксидами и гидроксидами щелочных и щёлочноземельных металлов, а также с солями.

Решение

1. Оксид кальция — оксид щёлочноземельного металла с формулой CaO.
2. При взаимодействии оксида и кислоты образуется соль и вода.
3. Запишем уравнение реакции:
    

$3 CaO + 2 H_{3} PO_{4} = Ca_{3} \left( PO_{4} \right)_{2} + 3 H_{2} O$.

Разбавленную фосфорную кислоту получают обработкой фосфатов раствором серной кислоты:
 

$Ca_{3} \left( PO_{4} \right)_{2} + 3 H_{2} SO_{4} = 3 CaSO_{4} + 2 H_{3} PO_{4}$.

А концентрированную фосфорную кислоту получают, окисляя красный фосфор до оксида фосфора (V), который после растворяют в воде.

Ортофосфорная кислота находит широкое применение в различных областях деятельности человека:

• производство удобрений;
• пищевая промышленность;
• звероводство;
• деревообрабатывающая промышленность;
• производство строительных материалов и бытовой химии;
• соли фосфорной кислоты используются для смягчения воды.

Соли фосфорной кислоты

Все фосфаты — нерастворимые соединения, кроме фосфатов калия и натрия.

Качественная реакция на фосфат-ион — взаимодействие фосфорной кислоты или её соли с раствором нитрата серебра. Образуется осадок жёлтого цвета:
 

$3 Ag^{+} + \left(PO_{4}\right)^{3 -} = Ag_{3} PO_{4} \downarrow$.