Підручник з Хімії (рівень стандарту). 11 клас. Григорович - Нова програма

§ 26. Фосфор

Фосфор

Фосфор — елемент 3 періоду VA групи. Він є електронним аналогом Нітрогену, на зовнішньому енергетичному рівні його атомів також п'ять електронів, із яких три — неспарені. Завдяки цьому Фосфор реалізує валентність III та ступені окиснення -3 та +3:

Але, на відміну від Нітрогену, на зовнішньому рівні Фосфору є вільні d-орбіталі, які заповнюються розпарованими електронами під час переходу атома у збуджений стан. У цьому стані Фосфор реалізує валентність V і ступінь окиснення +5:

Усі сполуки Фосфору доволі стійкі. Багато з них трапляється у природі.

Алотропні модифікації Фосфору

Фосфору, як і багатьом елементам, властива алотропія — він утворює декілька простих речовин. Сьогодні достеменно не відомо, скільки існує алотропних модифікацій Фосфору, але зазвичай виділяють чотири: білий, червоний, чорний і металічний фосфор. Перші три речовини існують за звичайних умов, а остання — лише за надвисокого тиску. Іноді їх ще називають головними модифікаціями, припускаючи, що всі інші є різновидами цих чотирьох.

Білий фосфор Р4

• Безбарвний, воскоподібний, на світлі швидко жовтіє і втрачає прозорість;

• м'який, можна розрізати ножем;

• має молекулярні кристалічні ґратки з тетраедричними молекулами P4 у вузлах;

• tпл. = 44,1 °С;

• нерозчинний у воді, розчиняється в органічних розчинниках;

• густина 1,82 г/см3;

• вогненебезпечний, займається навіть від теплоти людського тіла, тому його зберігають під шаром води;

• на повітрі повільно окиснюється, майже вся енергія цієї екзотермічної реакції виділяється у вигляді світла, яке видно в темряві;

• отруйний, смертельна доза для дорослої людини близько 0,05-0,1 г;

• утворюється з червоного фосфору під час тривалого нагрівання за температури 240-250 °С в інертній атмосфері.

Червоний фосфор (P4)

• Аморфний червоно-фіолетовий порошок залежно від ступеня подрібнення може бути від пурпурово-червоного до фіолетового кольору, тому червоний фосфор іноді називають фіолетовим;

• крихкий, має атомні кристалічні ґратки;

• температури плавлення не має, за температури 240-250 °С сублімує і перетворюється на випари білого фосфору;

• густина 2,4 г/см3;

• неотруйний;

• хімічно менш активний за білий, його можна зберігати на повітрі;

• під час зберігання на повітрі поступово окиснюється з утворенням гігроскопічного оксиду, поглинає воду з повітря і відволожується, тому його необхідно зберігати в герметичному посуді;

• утворюється з білого фосфору під час несильного тривалого нагрівання.

Чорний фосфор Р

• Чорна речовина з металічним блиском, жирна на дотик (схожа на графіт);

• має атомні кристалічні ґратки, що складаються із шарів атомів Фосфору;

• tпл. = 1000 °С за тиску 18 атм.;

• не розчиняється в жодному розчиннику і важко вступає в хімічні реакції;

• густина 2,69 г/см3;

• виявляє напівпровідникові властивості;

• неотруйний;

• утворюється за високого тиску (20 тис. атм.) із білого й червоного фосфору.

Металічний фосфор

• Сіра речовина з металічним блиском;

• густина 3,56 г/см3;

• проводить електричний струм;

• утворюється з чорного під тиском близько 1 млн атм.

Поширеність та біологічне значення Фосфору

На відміну від Нітрогену, Фосфор стійкий у вищому ступені окиснення +5 і нестійкий у простій речовині. Тому в природі він трапляється виключно у вигляді солей ортофосфатної кислоти — ортофосфатів. У нашій країні розробляють великі родовища фосфориту Ca3(PO4)2 (Придніпров'я, Прикарпаття, Придністров'я, Донбас, Харківська та Сумська області) та апатиту Ca5(PO4)3OH (Приазов'я).

Фосфор є незамінним біогенним елементом. В організмі дорослої людини міститься близько 700 г атомів Фосфору. Ця маса зосереджена переважно в кістках, які на 60 % складаються з гідроксиапатиту. Флуорапатит зумовлює міцність зубів.

Фосфор міститься також у складі нуклеїнових кислот, фосфоліпідів, ферментів та коферментів. Похідні ортофосфатної кислоти (АТР та АДР) забезпечують накопичення клітинами енергії. Щодня організм людини втрачає близько 1-2 г Фосфору, тому ця кількість має поповнюватися з їжею. Багаті на Фосфор молоко й молочнокислі продукти, горіхи і насіння, печінка, квасоля та риба (мал. 26.1).

Мал. 26.1. Продукти, що поповнюють уміст Фосфору в організмі людини

Особливості ортофосфатної кислоти

З-поміж кислот, які ви вивчаєте в шкільному курсі хімії, ортофосфатна кислота — єдина трьохосновна. Вона дисоціює за трьома стадіями:

За першою стадією ортофосфатна кислота є кислотою середньої сили (дисоціює ≈15 % молекул), а за двома іншими — слабкою (дисоціює мільйонна частка відсотка молекул).

Завдяки ступінчастій дисоціації вона утворює три види солей (середні та кислі):

• ортофосфати: Na3PO4, Ca3(PO4)2;

• гідрогенортофосфати: Na2HPO4, CaHPO4;

• дигідрогенортофосфати: NaH2PO4, Ca(H2PO4)2.

Усі солі ортофосфатної кислоти піддаються гідролізу, їх розчини мають лужне середовище.

Застосування фосфору

Червоний фосфор використовують у сірниковому виробництві. На сірникову голівку наносять суміш із бертолетової солі KClO3, сірки та деяких інших речовин, а на бік коробки — суміш червоного фосфору зі скляною крихтою. Під час тертя сірника об коробку фосфор запалюється внаслідок реакції: 5KClO3 + 6P = 3P2O5 + 5KCl.

Білий фосфор — горюча речовина, тому його використовують для виготовлення запалювальних бомб. Із червоного фосфору виготовляють запалювальні суміші, тверде паливо, а також деякі мастильні матеріали.

Великих кількостей червоного фосфору потребує виробництво ортофосфатної кислоти та фосфатних добрив. Також на виготовлення мінеральних добрив витрачаються майже всі фосфоровмісні мінерали, що добувають у світі.

Чисту ортофосфатну кислоту використовують у харчовій промисловості як регулятор кислотності безалкогольних напоїв (добавка Е338).

Кальцій ортофосфат є складовою зубних паст, матеріалів для пломбування зубів, вітамінних добавок для домашніх тварин.

Натрій ортофосфат застосовують для захисту залізних виробів від корозії, він міститься у складі миючих засобів, вогнетривких фарб.

Ключова ідея

Разом із Нітрогеном та Карбоном Фосфор є елементом життя.

Контрольні запитання

369. Схарактеризуйте валентні стани та можливі ступені окиснення Фосфору.

370. Які існують алотропні модифікації Фосфору? Як вони відрізняються за хімічною активністю?

371. Схарактеризуйте поширеність та біологічне значення Фосфору.

372. Які види солей утворює ортофосфатна кислота?

Завдання для засвоєння матеріалу

373. Визначте ступені окиснення елементів у сполуках: PCl5, PO2F, POCl3.

374. Запишіть рівняння реакцій одержання трьох різних солей з ортофосфатної кислоти та кальцій оксиду. Назвіть ці солі.

375. Складіть формули середнього і двох кислих ортофосфатів Алюмінію.

376. Складіть рівняння реакцій взаємодії ортофосфатної кислоти: а) з металом; б) основним оксидом; в) основою; г) сіллю.

377. Складіть рівняння реакцій:

а) Zn + H3PO →

б) Ca + H3PO4

в) Na2CO3 + H3PO4 NaH2PO4 + ...↑ + ...

г) Al(OH)3 + H3PO4 ...↓ + ...

378. Під час згоряння білого фосфору за нестачі кисню утворюється фосфор(ІІІ) оксид. Взаємодіючи з водою, він утворює фосфітну кислоту H3PO3. Запишіть рівняння реакцій.

379. Під час нагрівання фосфору із сіркою утворюється сульфід P2S5. Запишіть рівняння реакції, складіть для нього електронний баланс.

Комплексні завдання

380. Обчисліть масу P2O5, що утвориться під час спалювання фосфору масою 9,3 г.

381. У кисні спалили червоний фосфор масою 9,3 г. Обчисліть масу розчину ортофосфатної кислоти з масовою часткою 24,5 %, який можна приготувати, використовуючи продукт згоряння.

382. Із фосфор(V) оксиду масою 42,6 г одержали ортофосфатну кислоту масою 55,86 г. Обчисліть відносний вихід продукту реакції.

383. Для одержання фосфору використовують фосфоритне борошно, що містить 15 % інертних домішок. Обчисліть масу атомів Фосфору в такому борошні масою 77,5 кг.

Завдання з розвитку критичного мислення

384. Які фізичні властивості алотропних модифікацій Фосфору доводять: а) молекулярну будову білого фосфору; б) атомну будову червоного та чорного фосфору?

385. Фосфор(V) оксид використовують у лабораторії як осушувач. Які властивості є підґрунтям для цього? Який із наведених газів — азот, водень, амоніак, вуглекислий газ — не можна осушувати в такий спосіб?

386. Якщо ґніт свічки змочити розчином білого фосфору в сірковуглеці, то через певний час свічка самозайметься. Запропонуйте пояснення цьому явищу.

387. Деякі люди вважають, що циферблат годинника й інші речі, які світяться в темряві, покриті фосфором чи сполуками Фосфору. Так само і у творі Конан Дойля «Собака Баскервілів» написано, що собака виглядав жахливо завдяки сполукам Фосфору, які світилися в темряві. Як ви вважаєте, чи можливо це насправді?

Міні-проекти

388. У додаткових джерелах знайдіть інформацію про відкриття фосфору Хенінгом Брандтом. Які, на вашу думку, хімічні перетворення можуть бути основою такого способу його одержання?