Химия
9 класс

§ 32. Фосфор и его соединения

Строение и свойства атомов. Следующий после азота представитель главной подгруппы V группы Периодической системы Д. И. Менделеева — элемент-неметалл фосфор Р. Атомы фосфора по сравнению с атомами азота имеют больший радиус, меньшее значение электроотрицательности, а значит, более выраженные восстановительные свойства.

Соединения со степенью окисления —3 атома фосфора встречаются реже, чем у азота (только в фосфидах — соединениях фосфора с металлами, например Са3Р2, Na3P). Чаще фосфор проявляет в соединениях степень окисления +5. А в его соединении с водородом — фосфине РН3 — ковалентная связь между атомами разных элементов малополярна в силу того, что значения электроотрицательности фосфора и водорода почти одинаковы.

Фосфор — простое вещество. Химический элемент фосфор образует несколько аллотропных модификаций. Вы уже знаете два простых вещества: белый фосфор и красный фосфор.

Белый фосфор (рис. 137, а) имеет молекулярную кристаллическую решётку, состоящую из молекул Р4. Он нерастворим в воде, но хорошо растворяется в сероуглероде. На воздухе белый фосфор легко окисляется, а в порошкообразном состоянии даже воспламеняется.

Рис. 137.
Аллотропные модификации фосфора: а — белый фосфор; б — красный фосфор

Белый фосфор очень ядовит. Особым его свойством является способность светиться в темноте вследствие его окисления. Хранят его под водой.

Красный фосфор (рис. 137, б) представляет собой тёмно-малиновый порошок. Он не растворяется ни в воде, ни в сероуглероде. На воздухе окисляется медленно и не самовоспламеняется. Неядовит и не светится в темноте.

При нагревании красного фосфора в пробирке (рис. 138), закрытой ватным тампоном, он превращается в белый фосфор. Если выдернуть тампон, то осевший на нём белый фосфор вспыхнет на воздухе. Этот опыт показывает огнеопасность белого фосфора.

Рис. 138.
Опыт, иллюстрирующий переход красного фосфора в белый

Химические свойства красного и белого фосфора близки, но белый фосфор более химически активен. Так, оба они, как и положено неметаллам, взаимодействуют с металлами, образуя фосфиды:

Белый фосфор самовоспламеняется на воздухе, а красный горит при поджигании. В обоих случаях образуется оксид фосфора (V), выделяющийся в виде густого белого дыма:

4Р + 5O2 = 2Р2O5.

Лабораторный опыт № 34
Горение фосфора на воздухе и в кислороде

Наберите в ложечку для сжигания веществ немного красного фосфора и подожгите его. Каков характер пламени? Как изменится пламя, если ложечку с горящим фосфором внести в колбу с кислородом (с этой целью получите его из пероксида водорода, используя оксид марганца (IV))? Запишите уравнение реакции, рассмотрите окислительно-восстановительные процессы.

С водородом фосфор непосредственно не реагирует, поэтому фосфин РН3 можно получить только косвенным путём, например из фосфидов:

Са3Р2 + 6НСl = ЗСаСl2 + 2РН3↑.

Фосфин — это очень ядовитый газ с неприятным запахом. Легко воспламеняется на воздухе. Это свойство фосфина и объясняет появление болотных блуждающих огней.

Соединения фосфора. При горении фосфора образуется, как вы уже знаете, оксид фосфора (V) Р2O5 — белый гигроскопичный порошок. Это типичный кислотный оксид, обладающий всеми свойствами кислотных оксидов (вспомните какими).

Оксиду фосфора (V) соответствует фосфорная кислота Н3РO4. Она представляет собой твёрдое прозрачное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде в любых соотношениях.

Как трёхосновная кислота, Н3РO4 образует три ряда солей:

  • средние соли, или фосфаты (например, Са3(РO4)2), которые нерастворимы в воде, кроме фосфатов щелочных металлов;
  • кислые соли — дигидрофосфаты (например, Са(Н2РO4)2), большинство из которых хорошо растворимы в воде;
  • кислые соли — гидрофосфаты (например, СаНРO4), которые малорастворимы в воде (кроме фосфатов натрия, калия и аммония), т. е. занимают промежуточное положение между фосфатами и дигидрофосфатами по растворимости.

Реактивом на растворимые фосфаты является раствор нитрата серебра, при взаимодействии с которым образуется жёлтый осадок Ag3P04 (рис. 139):

Рис. 139.
Качественная реакция на фосфат-ион

Однако в отличие от AgBr и AgI этот осадок растворяется при добавлении раствора кислоты (почему?).

Лабораторный опыт № 35
Распознавание фосфатов

Налейте в пробирку 1—2 мл раствора фосфата натрия или калия. С помощью пипетки добавьте к нему несколько капель раствора нитрата серебра. Что наблюдаете? Запишите молекулярное и ионное уравнения. Можно ли считать эту реакцию качественной на фосфат-ион? Добавьте к содержимому пробирки азотную кислоту до растворения осадка. Почему это происходит?

В природе фосфор в свободном виде не встречается — только в виде соединений. Важнейшими природными соединениями фосфора являются минералы фосфориты и апатиты. Основную их массу составляет фосфат кальция Са3(РO4)2, из которого и получают в промышленности фосфор.

Биологическое значение фосфора. Фосфор является составной частью тканей организмов человека, животных и растений. В организме человека большая часть фосфора связана с кальцием. Для построения скелета ребёнку требуются одинаковые количества фосфора и кальция. Кроме костей, фосфор содержится в нервной ткани, крови, молоке. В растениях фосфор входит в состав белков.

Из фосфора, поступающего в организм человека с пищей, главным образом с яйцами, мясом, молоком и хлебом, строится АТФ — аденозинтрифосфорная кислота, которая служит основным источником энергии для внутриклеточных процессов, а также нуклеиновые кислоты — ДНК и РНК, осуществляющие передачу наследственных свойств организма. Наиболее интенсивно АТФ расходуется в активно работающих органах тела: печени, мышцах, мозге. Недаром знаменитый минералог, один из основоположников науки геохимии, академик А. Е. Ферсман назвал фосфор «элементом жизни и мысли».

Как было указано, фосфор существует в природе в виде соединений, содержащихся в почве (или растворённых в природных водах). Из почвы фосфор извлекается растениями, а животные получают его с растительной пищей. После отмирания растительных и животных организмов фосфор снова переходит в почву. Так осуществляется круговорот фосфора в природе (рис. 140).

Рис. 140.
Круговорот фосфора в природе

Применение фосфора и его соединений. Красный фосфор используют для производства спичек, фосфорной кислоты, которая, в свою очередь, идёт на производство фосфорных удобрений и кормовых добавок для животноводства. Кроме того, фосфор применяют для получения ядохимикатов (вспомните баллончики с дихлофосом, хлорофосом и др.) (рис. 141).

Рис. 141.
Фосфор и его соединения используют для производства:
1 — спичек; 2 — фосфорной кислоты; 3 — фосфорных удобрений; 4 — кормовых добавок для животных; 5 — ядохимикатов

Открытие фосфора. Фосфор открыт немецким алхимиком Г. Брандом в 1669 г., а своё название получил за способность светиться в темноте (в пер. с греч. фосфор — светоносный).

Новые слова и понятия

  1. Аллотропия фосфора: белый фосфор, красный фосфор.
  2. Свойства фосфора: образование фосфидов, фосфина, оксида фосфора (V).
  3. Фосфорная кислота и три ряда её солей: фосфаты, гидрофосфаты и дигидрофосфаты.
  4. Биологическое значение фосфора (фосфат кальция, АТФ, ДНК и РНК).
  5. Применение фосфора и его соединений.

Задания для самостоятельной работы

  1. Напишите формулы трёх видов солей натрия и фосфорной кислоты, назовите их и запишите уравнения их диссоциации.
  2. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

    Рассмотрите окислительно-восстановительные процессы там, где они имеют место.

  3. Используя метод электронного баланса, составьте уравнение реакции, протекающей по схеме:

  4. В промышленности фосфор получают прокаливанием смеси фосфата кальция с песком и коксом согласно уравнению:

    Рассмотрите окислительно-восстановительные процессы. Придумайте и решите задачу на определение массы фосфора при известном выходе его от теоретически возможного, в условии задачи укажите массу исходного фосфата кальция и долю примесей в нём.

  5. Сколько килограммов 80%-й фосфорной кислоты можно получить из 31 кг фосфора, содержащего 5% примесей?
  6. В 980 г 5%-го раствора фосфорной кислоты растворили 152 г оксида фосфора (V). Вычислите массовую долю фосфорной кислоты в полученном растворе.
  7. - -
      «...Да! Это была собака, огромная, чёрная, как смоль. Но такой собаки ещё никто из нас, смертных, не видывал. Из её отверстой пасти вырывалось пламя, глаза метали искры, по морде и загривку мерцал переливающийся огонь. Ни в чьём воспалённом мозгу не могло возникнуть видение более страшное, более омерзительное, чем это адское существо, выскочившее на нас из тумана... Страшный пёс, величиной с молодую львицу. Его огромная пасть всё ещё светилась голубоватым пламенем, глубоко сидящие дикие глаза были обведены огненными кругами. Я дотронулся до этой светящейся головы и, отняв руку, увидел, что мои пальцы тоже засветились в темноте.

      — Фосфор, — сказал я».

    В этом отрывке из повести «Собака Баскервилей» А. Конан Дойл допустил существенную химическую ошибку. Назовите её.

Рейтинг@Mail.ru