Фосфор и его соединения

Фосфор входит в состав природных минералов и многих биологических молекул, но простое вещество фосфор имеет совсем другие свойства, чем его соединения. Особенно важна цепочка «фосфор — кислотный оксид — кислота — соли». Она показывает, как изменение состава и строения приводит к новым химическим свойствам.

Элемент и простые вещества

Фосфор P — элемент с атомным номером 15, неметалл 15-й группы. Белый, красный и чёрный фосфор — разные аллотропные формы одного элемента; различается их строение, а не заряд ядра атомов.

Белый фосфор состоит из молекул P₄. Он очень реакционноспособен, токсичен и способен воспламеняться на воздухе. Красный фосфор имеет более сложное немолекулярное строение и значительно менее реакционноспособен при обычных условиях. Чёрный фосфор имеет слоистую структуру. Нельзя приписывать всем трём одинаковую растворимость, токсичность или температуру воспламенения.

В природе фосфор встречается преимущественно в соединениях, в частности в фосфатных минералах. Элемент в фосфате не обладает свойствами свободного белого фосфора. Аналогично слово «фосфор» в составе материала не означает наличие отдельных молекул P₄.

Степени окисления и получение

Для школьных соединений характерны степени окисления −III, +III и +V; в простом веществе она равна нулю. Например, в Ca₃P₂ фосфор имеет −III, в PCl₃ +III, в H₃PO₄ +V. Степень окисления не следует подменять числом соседних атомов или реальным зарядом в ковалентной связи.

Промышленное получение фосфора связано с высокотемпературным восстановлением фосфатного сырья углеродом в присутствии кремнезёма. Один суммарный баланс:

2Ca₃(PO₄)₂ + 6SiO₂ + 10C → P₄ + 6CaSiO₃ + 10CO.

Условия электрической печи обеспечивают протекание нескольких связанных превращений. Фосфор восстанавливается из +V до 0, а углерод окисляется. Это не обычный обмен двух солей в воде.

Оксид фосфора(V)

При полном окислении фосфора достаточным количеством кислорода образуется оксид фосфора(V). Для белого фосфора:

P₄ + 5O₂ → P₄O₁₀.

Запись P₂O₅ показывает простейшее соотношение атомов оксида фосфора(V), а P₄O₁₀ — состав его молекулярной формы. У вещества существуют также немолекулярные формы; простейшую формулу нельзя автоматически называть формулой отдельной молекулы.

Оксид кислотный и сильно взаимодействует с водой. При достаточном количестве воды итоговый продукт — ортофосфорная кислота:

P₄O₁₀ + 6H₂O → 4H₃PO₄.

При иных соотношениях и условиях образуются другие фосфорные кислоты. Поэтому добавление одного произвольного количества воды не обязано сразу давать только H₃PO₄. Обозначение степени окисления(V) в названии оксида не означает, что каждый атом P несёт свободный заряд 5+.

Ортофосфорная кислота

H₃PO₄ — кислородсодержащая трёхосновная кислота. Чистое вещество и его водный раствор различают: раствор может иметь различную концентрацию. В воде кислота отдаёт протоны ступенчато; следующие ступени слабее предыдущей. Запись «три H» не означает полного одномоментного распада каждой молекулы на три H⁺.

Трёхосновность H₃PO₄ означает возможность замещения трёх кислотных протонов. При неполной нейтрализации образуются кислые соли, при полном стехиометрическом замещении — средние фосфаты.

Для гидроксида натрия формальные суммарные уравнения разных степеней нейтрализации:

H₃PO₄ + NaOH → NaH₂PO₄ + H₂O.

H₃PO₄ + 2NaOH → Na₂HPO₄ + 2H₂O.

H₃PO₄ + 3NaOH → Na₃PO₄ + 3H₂O.

Они задают состав по общему балансу. Реальный раствор содержит равновесную смесь частиц; соотношение H₂PO₄⁻, HPO₄²⁻ и PO₄³⁻ зависит от pH. Особенно нельзя понимать последнее уравнение как отсутствие гидролиза фосфат-иона.

Фосфаты и значение соединений

Многие средние фосфаты, например фосфат кальция, малорастворимы в воде. Кислотность среды изменяет растворимость: протонирование аниона облегчает растворение. По одной формуле PO₄ нельзя предсказать осадок при любом pH и любой концентрации.

Фосфатные соединения применяют в удобрениях и химической промышленности. В живых системах фосфор входит, например, в фосфатные фрагменты нуклеиновых кислот и соединений энергетического обмена. Свойства и назначение определяются конкретным соединением, а не только присутствием P.

Три разобранных примера

1. Масса оксида

Из 6,2 г фосфора при полном окислении получают оксид(V). Используем A_r(P) ≈ 31 и M(P₄O₁₀) ≈ 284 г/моль.

n(атомов P) = 6,2 / 31 = 0,20 моль; n(P₄O₁₀) = 0,20 / 4 = 0,050 моль.

m(P₄O₁₀) = 0,050 · 284 = 14,2 г.

Прирост 8,0 г — масса кислорода, вошедшего в продукт. Число молей атомов P не равно числу молей молекул P₄.

2. Две порции щёлочи на кислоту

9,8 г H₃PO₄ соответствуют 0,10 моль. Если в формальном балансе внесено 8,0 г NaOH:

n(NaOH) = 8,0 / 40 = 0,20 моль; n(NaOH)/n(кислоты) = 2.

Стехиометрический состав отвечает Na₂HPO₄, а не Na₃PO₄. Для последнего потребовалось бы 0,30 моль NaOH. Равновесную спецификацию раствора определяют отдельно.

3. Формула кальциевой соли

У Ca²⁺ заряд 2+, у PO₄³⁻ — 3−. Наименьшее общее кратное равно шести, поэтому нужны три катиона и два аниона:

3 · (+2) + 2 · (−3) = 0; формула Ca₃(PO₄)₂.

Для HPO₄²⁻ соотношение с Ca²⁺ уже 1 : 1, формула CaHPO₄.

Частые ошибки

• Смешивать свойства элемента в соединениях со свойствами белого фосфора.
• Называть P₂O₅ единственно возможной молекулярной формулой.
• Записывать среднюю соль независимо от количества щёлочи.
• Считать все фосфатные частицы одинаковыми по заряду и растворимости.

Проверь себя

1. Чем отличаются белый и красный фосфор: элементом или строением простого вещества?
2. Определи степень окисления P в H₃PO₄.
3. Какой формальный состав натриевой соли соответствует одному молю NaOH на моль H₃PO₄?
4. Сколько H₃PO₄ получается из 0,050 моль P₄O₁₀ при достаточном количестве воды?
5. Какая масса NaOH нужна для полного стехиометрического замещения трёх протонов в 0,20 моль H₃PO₄?

Ответы с пояснениями

1. Строением: это аллотропные формы одного элемента P с одинаковым атомным номером.
2. +V, поскольку:

   3 · (+1) + x + 4 · (−2) = 0; x = +5.

3. NaH₂PO₄, дигидрофосфат натрия; два кислотных H в формуле ещё сохранены.
4. На один оксид приходится четыре кислоты:

   n(H₃PO₄) = 4 · 0,050 = 0,20 моль.

5. Требуется три моля щёлочи на моль кислоты:

   m(NaOH) = 3 · 0,20 · 40 = 24 г.

Связанные темы и источники

Повтори кислотные оксиды, основность кислот, кислые и средние соли и соединения кремния.

Факты сверены по RSC: фосфор, OpenStax: соединения фосфора и учебному материалу МГУ, раздел16.3. Ступени нейтрализации — материалы МГУ по фосфорной кислоте. Задачи авторские.