Фосфор и его соединения

Фосфор и его соединения

Фосфор, как и азот – элемент V A группы. Значит, на внешнем энергетическом уровне у него 5 электронов. Атом фосфора в соединениях может проявлять различные степени окисления: от -3 до +5. Атомы фосфора по сравнению с атомами азота имеют больший радиус, меньшее значение электроотрицательности. Фосфор чаще проявляет в соединениях степень окисления +5.

В природе фосфор встречается только в виде соединений, важнейшими из которых являются минералы фосфориты и апатиты, содержащие фосфат кальция – Ca₃(PO₄)₂.

Часть фосфора в организме человека распределена в мышечной, нервной и мозговой тканях. В виде производной фосфорной кислоты фосфор входит в состав нуклеиновых кислот – ДНК и РНК, осуществляющих передачу наследственных свойств организма. Из фосфора, поступающего в организм человека с пищей, главным образом с яйцами, мясом, молоком и хлебом, строится АТФ – аденозинтрифосфорная кислота.

Фосфор был открыт немецким алхимиком Брандом в 1669 году и получил своё название за способность светиться в темноте (от греческого фосфор – светоносный).

Химический элемент фосфор образует несколько аллотропных модификаций, различающихся между собой по строению, физическим свойствам и химической активности.

Белый фосфор состоит из молекул P₄, имеющих форму тетраэдра. Молекулярное строение этого вещества обуславливает его легкоплавкость и летучесть. Этот фосфор не растворим в воде, но хорошо растворим в сероуглероде. На воздухе легко окисляется, а в порошкообразном состоянии даже воспламеняется.

Белый фосфор очень ядовит. Он светится в темноте и его хранят под водой.

Красный фосфор имеет атомную структуру, в которой каждый атом фосфора связан с тремя другими атомами ковалентными связями. При нагревании красного фосфора в пробирке, закрытой ватным тампоном, он превращается в белый фосфор.

Красный фосфор – порошок тёмно-красного цвета, он не ядовит, не растворяется ни в каких растворителях, нелетуч и в химическом отношении менее активен, чем белый.

При нагревании под давлением, белый фосфор переходит в чёрный, который имеет атомную кристаллическую решетку. Чёрный фосфор по своим физическим свойствам похож на металл: он проводит электрический ток и блестит. По внешнему виду он похож на графит и жирен на ощупь.

При взаимодействии с кислородом фосфор проявляет восстановитель-ные свойства, а в реакциях с металлами – окислительные. В реакциях фосфора с металлами образуются соединения – фосфиды. Например, в реакции с фосфором образуется фосфид кальция.

Белый фосфор самовоспламеняется на воздухе, а красный горит при поджигании. При этом образуется оксид фосфора (V).

С водородом фосфор не реагирует, но его водородное соединение – фосфин – PH₃ можно получить из фосфидов действием на них кислот. Например, при взаимодействии фосфида кальция с соляной кислотой образуется соль – хлорид кальция и фосфин.

Фосфин – это ядовитый газ с неприятным запахом. Он легко воспламеняется на воздухе.

Появление блуждающих огней на старых кладбищах и болотах вызвано воспламенением на воздухе фосфина и других соединений фосфора с водородом. Эти газообразные вещества образуются при разложении органических соединений, содержащих фосфор. На воздухе продукты соединения фосфора с водородом самовоспламеняются с образованием светящегося пламени и капелек фосфорной кислоты – продукта взаимодействия оксида фосфора (V) с водой. Эти капельки создают размытый контур «привидения».

Красный фосфор используют для производства спичек, фосфорной кислоты, которая идёт на производство фосфорных удобрений и кормовых добавок для животных, его применяют для производства ядохимикатов.

Фосфор образует оксид фосфора (V) и оксид фосфора (III), а также кислородсодержащие кислоты, среди которых наиболее важное промышленное применение находит фосфорная кислота.

Оксид фосфора (V) образуется при сгорании фосфора в кислороде.

При недостатке кислорода образуется оксид фосфора (III).

Оксид фосфора (V) представляет собой белый порошок, энергично поглощает пары воды из воздуха и постепенно превращается в прозрачную расплывшуюся массу. Благодаря этому свойству оксид фосфора (V) способен отнимать воду и у других веществ. Поэтому он широко используется как осушитель. Многие органические вещества обугливаются при действии на них этого оксида, кроме того, при попадании на кожу он может вызвать сильные ожоги.

Оксид фосфора (V) – типичный кислотный оксид, он взаимодействует с основными оксидами и щелочами, образуя соли фосфорной кислоты – фосфаты.

Так, в реакции оксида фосфора (V) с оксидом кальция образуется соль – фосфат кальция. В реакции оксида фосфора (V) с гидроксидом натрия образуется соль – фосфат натрия и вода.

При взаимодействии оксида фосфора (V) с избытком воды образуется фосфорная кислота.

Фосфорная кислота представляет собой твёрдое прозрачное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде в любых соотношениях. Это слабая кислота, поэтому в водном растворе диссоциирует ступенчато: на первой ступени образуется катион водорода и дигидрофосфат-ион, на второй ступени опять образуется катион водорода и гидрофосфат-ион, а на третьей ступени образуется катион водорода и фосфат-ион.

Фосфорная кислота проявляет свойства, характерные для кислот. Она взаимодействует с металлами, стоящими в ряду активности до водорода. Например, в реакции фосфорной кислоты с цинком, образуется соль – дигидрофосфат цинка и выделяется газ – водород.

Фосфорная кислота вступает во взаимодействие с основными оксидами. Так в реакции оксида лития с фосфорной кислотой образуется соль – фосфат лития и вода.

Фосфорная кислота реагирует и с основаниями. В реакции гидроксида натрия с фосфорной кислотой образуется соль – фосфат натрия и вода.

Фосфорная кислота – трёхосновная кислота, поэтому она может образовывать кроме средних солей кислые соли. Например, Ca₃(PO₄)₂– средняя соль, она называется фосфат кальция, CaHPO₄ – кислая соль и называется гидрофосфат кальция, Ca(H₂PO₄)₂ тоже кислая соль и называется дигидрофосфат кальция. Фосфаты всех металлов в воде нерастворимы (исключение – фосфаты щелочных металлов), дигидрофосфаты всех металлов хорошо растворимы, а гидрофосфаты занимают промежуточное положение.

Качественной реакцией на фосфат-ион является реакция с нитратом серебра, при этом образуется фосфат серебра (I) – осадок жёлтого цвета и соль – нитрат натрия.

В природе постоянно происходит круговорот фосфора. Фосфор из почвы извлекается растениями, а животные получают фосфор с растительной пищей. После отмирания растительных и животных организмов фосфор снова переходит в почву.

Фосфорная кислота используется как катализатор в органическом синтезе, для производства кормовых добавок, придании кисловатого вкуса безалкогольным напиткам, осветления сахара. Но основная часть фосфорной кислоты расходуется на производство фосфатов, использующихся в качестве минеральных удобрений. Фосфаты применяются и в медицине, для пропитки тканей, древесины и пластмасс с целью придания им огнестойкости, также при производстве стиральных порошков.

Таким образом, фосфор является элементом V A группы. На внешнем энергетическом уровне у него 5 электронов, для него характерны степени окисления от -3 до +5, но наиболее типична +5. В природе он встречается в виде соединений – фосфоритов и апатитов. Фосфор образует несколько аллотропных модификаций: белый, красный и чёрный фосфор. Наиболее распространёнными соединениями фосфора являются – оксид фосфора (III), оксид фосфора (V), фосфин и фосфорная кислота. В реакциях с металлами фосфор проявляет окислительные свойства, а в реакции с кислородом – восстановительные. Фосфорная кислота – трёхосновная кислота, которая образует три вида солей: фосфаты, гидрофосфаты и дигидрофосфаты. Качественным реактивом на фосфат-ион является нитрат серебра один, потому что в результате взаимодействия образуется осадок жёлтого цвета. Фосфор и его соединения имею большое значение в химической промышленности.