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:

$3{\mathrm{K}}^0 + {\mathrm{P}}^0 = {{\mathrm{K}}_3}^{+1}{\mathrm{P}}^{-3}$.

Фосфиды щелочных и щёлочноземельных металлов разлагаются водой с выделением фосфина:
 

${\mathrm{Ca}}_3{\mathrm{P}}_2 + 6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} = 3\mathrm{Ca}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2 + 2{\mathrm{PH}}_3\uparrow$.

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

Восстановительные свойства

1. Взаимодействие с кислородом:
 

$4{\mathrm{P}}^0 + 5{{\mathrm{O}}_2}^0 = 2{{\mathrm{P}}_2}^{+5}{{\mathrm{O}}_5}^{-2}$.

2. Взаимодействие с галогенами:
 

$2{\mathrm{P}}^0 + 5{{\mathrm{Cl}}_2}^0 = 2{\mathrm{P}}^{+5}{{\mathrm{Cl}}_5}^{-1}$.

3. Взаимодействие со сложными веществами-окислителями:
 

$\mathrm{Р} + 5{\mathrm{HNO}}_{3 \left(\mathrm{конц}\right)} = {\mathrm{H}}_3{\mathrm{PO}}_4 + 5{\mathrm{NO}}_2\uparrow + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

Образуется фосфорная кислота ${\mathrm{H}}_3{\mathrm{PO}}_4$. 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) ${\mathrm{P}}_2{\mathrm{O}}_3$ имеет кислотный характер. Представляет собой белое кристаллическое вещество с неприятным запахом. Кислотному оксиду соответствует фосфористая кислота с формулой ${\mathrm{H}}_3{\mathrm{PO}}_3$.

Оксид фосфора (V) ${\mathrm{P}}_2{\mathrm{O}}_5$ также кислотный. Твёрдый, белого цвета. Данный оксид — очень гигроскопичное вещество, то есть способно жадно поглощать водяные пары. Ему соответствует фосфорная кислота ${\mathrm{H}}_3{\mathrm{PO}}_4$, которая образуется при растворении оксида в воде:
 

${\mathrm{P}}_2{\mathrm{O}}_5 + 3{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} = 2{\mathrm{H}}_3{\mathrm{PO}}_4$.

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

${\mathrm{P}}_2{\mathrm{O}}_5 + 6\mathrm{KOH} = 2{\mathrm{K}}_3{\mathrm{PO}}_4 + 3{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

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:
    

$3\mathrm{CaO} + 2{\mathrm{H}}_3{\mathrm{PO}}_4 = {\mathrm{Ca}}_3{\left({\mathrm{PO}}_4\right)}_2 + 3{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

Разбавленную фосфорную кислоту получают обработкой фосфатов раствором серной кислоты:
 

${\mathrm{Ca}}_3{\left({\mathrm{PO}}_4\right)}_2 + 3{\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4 = 3{\mathrm{CaSO}}_4 + 2{\mathrm{H}}_3{\mathrm{PO}}_4$.

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:
 

$3{\mathrm{Ag}}^{+} + {{\mathrm{PO}}_4}^{3-} = {\mathrm{Ag}}_3{\mathrm{PO}}_4\downarrow$.