Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

§ 48. Фосфор(V) оксид і фосфатні кислоти

Фосфор(V) оксид

Фосфор(V) оксид, або фосфатний ангідрид, Р₂О₅ — білий пухкий порошок. Густина 2,3 г/см³, за 359 °С сублімує. Він утворюється під час спалювання фосфору на повітрі. Одна з видозмін фосфор(V) оксиду утворена молекулами Р₄О₁₀, у яких кожний з атомів Фосфору сполучений із чотирма атомами Оксигену (мал. 48.1).

Мал. 48.1. Будова молекули фосфор(V) оксиду

Фосфор(V) оксид дуже гігроскопічний, він відбирає воду навіть у нітратної і сульфатної кислот, що дозволяє одержати їхні ангідриди:

2HNO + Р₂О₅ = N₂O₅ + 2НРО₃

Н₂SO₄ + Р₂О₅ = SO₃ + 2НРО₃

Фосфор(V) оксид бурхливо реагує з водою, під час кип’ятіння отриманого розчину утворюється ортофосфатна кислота:

Р₂О₅ + 3Н₂О = 2Н₃РО₄

У разі проведення реакції в холодній воді, утворюються метафосфатна та пірофосфатна кислоти:

Р₂О₅ + Н₂O = 2НРО₃

Р₂О₅ + 2Н₂О = Н₄Р₂О₇

Фосфор(V) оксид — кислотний оксид і взаємодіє, як і всі кислотні оксиди, із лугами та основними оксидами:

Р₂O₅ + 6КОН = 2К₃РО₄ + 3Н₂О

Ρ₂O₅ + 3Na₂О = 2Na₃РО₄

Ортофосфатна кислота

Ортофосфатна кислота Н₃РО₄ — це безбарвні кристали, добре розчинні у воді. Вона виявляє всі властивості кислот: взаємодіє з лугами, основними оксидами і солями. У водних розчинах ортофосфатна кислота частково дисоціює на йони і є електролітом середньої сили.

• Електролітична дисоціація. Ортофосфатна кислота дисоціює за трьома стадіями:

H₃PO₄⇄H⁺+ H₂PO₄^-

H₂PO₄^-⇄ H⁺+ HPO₄^2-

HPO₄^2-⇄ H⁺ + PO₄^3-

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, Са₃(РО₄)₂
гідрогенортофосфати: Na₂HPO₄, СаНРО₄
дигідрогенортофосфати: NaH₂PO₄, Са(Н₂РО₄)₂

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

• Якісна реакція. Після додавання аргентум(І) нітрату до розчинів ортофосфатної кислоти й ортофосфатів випадає жовтий осад аргентум(І) ортофосфату. Ця реакція є якісною на ортофосфати:

РО₄^3-+ 3Ag⁺→ Ag₃PO₄↓

• Взаємодія з металами. На відміну від нітратної кислоти і нітратів, ані ортофосфатна кислота, ані ортофосфати майже не виявляють окисних властивостей. У водних розчинах ортофосфатна кислота може бути слабким окисником лише за рахунок йонів Н⁺. Під час взаємодії її розбавленого розчину з активними металами виділяється водень:

3Mg + 2Н₃РО₄ = Mg₃(PO₄)₂↓ + 3Η₂↑

• Розкладання. На відміну від багатьох інших кислот, ортофосфатну кислоту не вдається перетворити на фосфатний ангідрид навіть за дуже сильного нагрівання. Прожарювання цієї речовини призводить лише до часткової втрати води:

H₃PO₄ = HPO₃ + H₂O

При цьому утворюється прозора склоподібна речовина НРО₃, яку називають метафосфатною кислотою. Метафосфатна кислота за силою близька до ортофосфатної. Її солі називають метафосфатами. Натрій метафосфат NaPO₃ широко застосовують у техніці, наприклад, для видалення з води йонів Кальцію й Магнію. Додавання невеликих кількостей цієї солі до газованих напоїв, м’ясних і молочних продуктів дозволяє збільшити термін їх зберігання.

Застосування ортофосфатної кислоти і її солей

• Переважна кількість ортофосфатної кислоти йде на виробництво мінеральних добрив. Таку кислоту добувають переробкою фосфориту Са₃(РО₄)₂:

Са₃(РО₄)₂ + 3H₂SO₄ = 3СаSO₄↓ + 2Н₃РО₄

• Чисту ортофосфатну кислоту використовують у харчовій промисловості як добавку до безалкогольних напоїв (добавка Е338).

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

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

Колообіг Фосфору в природі

Колообіг Фосфору принципово відрізняється від колообігу інших біогенних елементів тим, що, переходячи від одних сполук до інших, Фосфор не змінює свій ступінь окиснення. Також у цьому колообігу не існує стадії, де Фосфор переходить до газуватих сполук в атмосферу (мал. 48.2).

Мал. 48.2. Колообіг Фосфору в природі

З усіх макроелементів Фосфор — один із найрідкісніших і розсіяних на поверхні Землі. У природі він міститься у складі різних мінералів — неорганічних ортофосфатів.

Бактерії і деякі гриби здатні розчиняти ортофосфати своїми органічними кислотами. Вони перебувають у симбіозі з рослинами, завдяки чому рослини засвоюють сполуки Фосфору. Далі травними ланцюгами ортофосфати послідовно переходять від рослин до всіх інших організмів. Із продуктами життєдіяльності (сечею або її аналогами) вони потрапляють у навколишнє середовище, звідки знову можуть поглинатися рослинами.

Потрапляючи зі стічними водами до водойм, ортофосфати вимиваються із суходолу. Більшість ортофосфатів залишається у Світовому океані. Назад на суходіл у природних умовах Фосфор повертається або з пташиним послідом, або після загибелі рибоїдних птахів.

Діяльність людини значно прискорює колообіг Фосфору і перенос ортофосфатів із континентів в океан: більшість відходів потрапляє у воду з добривами та мийними засобами. Вилучення Фосфору з ґрунту з урожаєм і перевезення його на великі відстані також порушує місцеві екосистеми, отже, постає потреба компенсувати нестачу Фосфору внесенням мінеральних фосфатних добрив.

Ключова ідея

Ортофосфат-іони забезпечують колообіг Фосфору в природі, що забезпечує функціонування живих організмів.

ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД № 10

Якісна реакція на ортофосфат-іони

Обладнання: штатив із пробірками, піпетки.

Реактиви: розчини аргентум(І) нітрату та натрій ортофосфату.

Дотримуйтесь правил безпеки

У пробірку налийте розчин натрій ортофосфату об’ємом 1-2 мл і додайте декілька крапель аргентум(І) нітрату. Відзначте колір утвореного осаду. Запишіть рівняння реакції в молекулярній та скороченій йонній формах. Чи відрізняється колір цього осаду від кольору осадів, що утворюються під час визначення хлорид-, бромід- та йодид-іонів?

Запитання та завдання

287. Схарактеризуйте фізичні й хімічні властивості фосфор(V) оксиду й ортофосфатної кислоти та їх застосування.

288. Схарактеризуйте якісну реакцію на ортофосфат-іони.

289. Опишіть колообіг Фосфору в природі.

290. Запишіть рівняння реакцій добування трьох різних солей з ортофосфатної кислоти й кальцій оксиду. Назвіть ці солі.

291. Складіть рівняння реакцій:

a) Zn + Н₃РО₄→
б) Na₂CO₃ + Н₃РО₄→ NаН₂РО₄ + ...↑ + ...
в) Са + Н₃РО₄→
г) Аl(ОН)₃ + Н₃РО₄→ ...↓ + ...

292. У трьох пробірках містяться розчини натрій хлориду, натрій нітрату і натрій ортофосфату. Як можна визначити вміст кожної пробірки, використовуючи лише один реагент? Напишіть рівняння реакцій та укажіть їхні ознаки.

293. Складіть рівняння реакцій, що відповідають таким перетворенням:

Р → Р₂О₅→ Na₃PO₄ → Na₂HPO₄ → СаНРО₄→ Са₃(РО₄)₂ → Н₃РО₄→ АlРО₄.