Глава III. Неметаллы и их соединения. § 19. Фосфор и его соединения — с. 103
§ 19. Лабораторный опыт 38. В пробирку налейте 2 мл раствора фосфата натрия и добавьте с помощью пипетки несколько капель раствора нитрата серебра. Что наблюдаем?
Составьте молекулярное и ионное уравнения реакции.
Что делали: к 2 мл бесцветного раствора фосфата натрия Na₃PO₄ добавили несколько капель раствора нитрата серебра AgNO₃.
Наблюдения: выпадает осадок жёлтого цвета — фосфат серебра.
Молекулярное уравнение:
Na₃PO₄ + 3AgNO₃ = Ag₃PO₄↓ + 3NaNO₃
Полное ионное уравнение:
3Na⁺ + PO₄³⁻ + 3Ag⁺ + 3NO₃⁻ = Ag₃PO₄↓ + 3Na⁺ + 3NO₃⁻
Сокращённое ионное уравнение:
3Ag⁺ + PO₄³⁻ = Ag₃PO₄↓
Вывод: образование жёлтого осадка Ag₃PO₄ — качественная реакция на фосфат-ион PO₄³⁻ (реактив — ионы серебра Ag⁺). Реакция идёт до конца, так как образуется нерастворимое вещество.
Наблюдения: выпадает осадок жёлтого цвета — фосфат серебра.
Молекулярное уравнение:
Na₃PO₄ + 3AgNO₃ = Ag₃PO₄↓ + 3NaNO₃
Полное ионное уравнение:
3Na⁺ + PO₄³⁻ + 3Ag⁺ + 3NO₃⁻ = Ag₃PO₄↓ + 3Na⁺ + 3NO₃⁻
Сокращённое ионное уравнение:
3Ag⁺ + PO₄³⁻ = Ag₃PO₄↓
Вывод: образование жёлтого осадка Ag₃PO₄ — качественная реакция на фосфат-ион PO₄³⁻ (реактив — ионы серебра Ag⁺). Реакция идёт до конца, так как образуется нерастворимое вещество.
§ 19. Проверьте свои знания.
1. Дайте характеристику фосфора на основании его положения в Периодической системе Д. И. Менделеева.
1. Дайте характеристику фосфора на основании его положения в Периодической системе Д. И. Менделеева.
1) Фосфор — химический элемент с порядковым номером 15, символ P, Ar = 31. Расположен в 3-м периоде, в VA-группе (главная подгруппа V группы), относится к неметаллам.
2) Строение атома: ₁₅P: 15 протонов, 16 нейтронов (31 − 15), 15 электронов; распределение электронов по слоям 2ē, 8ē, 5ē; на внешнем слое 5 электронов, до завершения не хватает трёх.
3) Степени окисления: минимальная −3 (в фосфидах и фосфине PH₃), максимальная +5 (P₂O₅, H₃PO₄), встречаются также 0, +3 (P₂O₃). Фосфор может быть и окислителем (с металлами), и восстановителем (с кислородом, галогенами, азотной кислотой).
4) Неметаллические свойства выражены слабее, чем у азота (радиус атома больше, электроотрицательность меньше), но сильнее, чем у мышьяка.
5) Формулы соединений: высший оксид P₂O₅ — кислотный; ему соответствует фосфорная кислота H₃PO₄; летучее водородное соединение PH₃ (фосфин).
2) Строение атома: ₁₅P: 15 протонов, 16 нейтронов (31 − 15), 15 электронов; распределение электронов по слоям 2ē, 8ē, 5ē; на внешнем слое 5 электронов, до завершения не хватает трёх.
3) Степени окисления: минимальная −3 (в фосфидах и фосфине PH₃), максимальная +5 (P₂O₅, H₃PO₄), встречаются также 0, +3 (P₂O₃). Фосфор может быть и окислителем (с металлами), и восстановителем (с кислородом, галогенами, азотной кислотой).
4) Неметаллические свойства выражены слабее, чем у азота (радиус атома больше, электроотрицательность меньше), но сильнее, чем у мышьяка.
5) Формулы соединений: высший оксид P₂O₅ — кислотный; ему соответствует фосфорная кислота H₃PO₄; летучее водородное соединение PH₃ (фосфин).
§ 19. Проверьте свои знания.
2. Сравните аллотропные модификации фосфора, т. е. найдите черты сходства и различия между ними.
Белый и красный фосфор — аллотропные модификации одного элемента, поэтому у них есть сходство: оба состоят из атомов фосфора, нерастворимы в воде, горят с образованием оксида фосфора(V): 4P + 5O₂ = 2P₂O₅ (при горении белый дым), взаимодействуют с металлами (образуются фосфиды) и с хлором, при сильном нагревании в отсутствие воздуха красный фосфор превращается в пары, которые при охлаждении дают белый фосфор.
Различия — в строении и свойствах (см. таблицу): белый фосфор имеет молекулярную кристаллическую решётку из тетраэдрических молекул P₄, мягкий, ядовит, самовоспламеняется на воздухе, светится в темноте, растворим в сероуглероде; красный фосфор имеет полимерное строение, это тёмно-красный порошок, не ядовит, не светится, воспламеняется лишь при ≈ 260 °C, в сероуглероде не растворяется. Красный фосфор получают нагреванием белого без доступа воздуха: P₄ → 4P (красный).
Различия — в строении и свойствах (см. таблицу): белый фосфор имеет молекулярную кристаллическую решётку из тетраэдрических молекул P₄, мягкий, ядовит, самовоспламеняется на воздухе, светится в темноте, растворим в сероуглероде; красный фосфор имеет полимерное строение, это тёмно-красный порошок, не ядовит, не светится, воспламеняется лишь при ≈ 260 °C, в сероуглероде не растворяется. Красный фосфор получают нагреванием белого без доступа воздуха: P₄ → 4P (красный).
§ 19. Проверьте свои знания.
3. Охарактеризуйте получение, свойства и применение красного фосфора. Ответ подтвердите уравнениями соответствующих реакций.
Получение. Красный фосфор получают нагреванием белого фосфора до 250–300 °C без доступа воздуха: P₄ (белый) = 4P (красный). Промышленный способ получения самого фосфора — прокаливание фосфорита Ca₃(PO₄)₂ с песком и коксом в электропечи: Ca₃(PO₄)₂ + 3SiO₂ + 5C = 3CaSiO₃ + 2P + 5CO↑.
Свойства. Физические: тёмно-красный порошок, не ядовит, нерастворим в воде и сероуглероде, не светится.
Химические: фосфор — окислитель и восстановитель.
1) С кислородом (восстановитель): 4P + 5O₂ = 2P₂O₅ (при нагревании, белый дым).
2) С хлором: 2P + 3Cl₂ = 2PCl₃ (при недостатке хлора), 2P + 5Cl₂ = 2PCl₅ (при избытке).
3) С металлами (окислитель): 2P + 3Ca = Ca₃P₂ (фосфид кальция).
4) С концентрированной азотной кислотой: P + 5HNO₃ = H₃PO₄ + 5NO₂↑ + H₂O.
Применение. Для изготовления намазки на боковой поверхности спичечных коробков (от чирканья о неё загорается спичечная головка), в производстве фосфорной кислоты и фосфорных удобрений, в пиротехнике, для получения фосфидов.
Свойства. Физические: тёмно-красный порошок, не ядовит, нерастворим в воде и сероуглероде, не светится.
Химические: фосфор — окислитель и восстановитель.
1) С кислородом (восстановитель): 4P + 5O₂ = 2P₂O₅ (при нагревании, белый дым).
2) С хлором: 2P + 3Cl₂ = 2PCl₃ (при недостатке хлора), 2P + 5Cl₂ = 2PCl₅ (при избытке).
3) С металлами (окислитель): 2P + 3Ca = Ca₃P₂ (фосфид кальция).
4) С концентрированной азотной кислотой: P + 5HNO₃ = H₃PO₄ + 5NO₂↑ + H₂O.
Применение. Для изготовления намазки на боковой поверхности спичечных коробков (от чирканья о неё загорается спичечная головка), в производстве фосфорной кислоты и фосфорных удобрений, в пиротехнике, для получения фосфидов.
§ 19. Примените свои знания.
4. Запишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:
P → Ca₃P₂ → PH₃ → P₂O₅ → H₃PO₄ → K₃PO₄ → Ag₃PO₄
Для реакций, протекающих в растворах, запишите ионные уравнения. В уравнениях окислительно-восстановительных реакций расставьте коэффициенты методом электронного баланса, укажите окислители и восстановители.
P → Ca₃P₂ → PH₃ → P₂O₅ → H₃PO₄ → K₃PO₄ → Ag₃PO₄
Для реакций, протекающих в растворах, запишите ионные уравнения. В уравнениях окислительно-восстановительных реакций расставьте коэффициенты методом электронного баланса, укажите окислители и восстановители.
1) P → Ca₃P₂ (окислительно-восстановительная):
3Ca + 2P = Ca₃P₂ (t)
Ca⁰ − 2ē → Ca²⁺ | 3 — восстановитель (Ca)
P⁰ + 3ē → P³⁻ | 2 — окислитель (P)
2) Ca₃P₂ → PH₃ (реакция обмена, ОВР нет; протекает в растворе кислоты):
Ca₃P₂ + 6HCl = 3CaCl₂ + 2PH₃↑
Ионное уравнение: Ca₃P₂ + 6H⁺ = 3Ca²⁺ + 2PH₃↑
(фосфид кальция гидролизуется и водой: Ca₃P₂ + 6H₂O = 3Ca(OH)₂ + 2PH₃↑).
3) PH₃ → P₂O₅ (ОВР, горение фосфина):
2PH₃ + 4O₂ = P₂O₅ + 3H₂O (t)
P⁻³ − 8ē → P⁺⁵ | 2 (2 атома P — 16ē) — восстановитель (PH₃, за счёт P⁻³)
O₂⁰ + 4ē → 2O⁻² | 4 — окислитель (O₂)
4) P₂O₅ → H₃PO₄ (не ОВР, ионов нет):
P₂O₅ + 3H₂O = 2H₃PO₄ (при нагревании)
5) H₃PO₄ → K₃PO₄ (нейтрализация):
H₃PO₄ + 3KOH = K₃PO₄ + 3H₂O
Полное ионное: H₃PO₄ + 3K⁺ + 3OH⁻ = 3K⁺ + PO₄³⁻ + 3H₂O
Сокращённое: H₃PO₄ + 3OH⁻ = PO₄³⁻ + 3H₂O (фосфорная кислота — слабый электролит, записывается в виде молекул)
6) K₃PO₄ → Ag₃PO₄:
K₃PO₄ + 3AgNO₃ = Ag₃PO₄↓ + 3KNO₃
Полное ионное: 3K⁺ + PO₄³⁻ + 3Ag⁺ + 3NO₃⁻ = Ag₃PO₄↓ + 3K⁺ + 3NO₃⁻
Сокращённое: 3Ag⁺ + PO₄³⁻ = Ag₃PO₄↓ (жёлтый осадок).
3Ca + 2P = Ca₃P₂ (t)
Ca⁰ − 2ē → Ca²⁺ | 3 — восстановитель (Ca)
P⁰ + 3ē → P³⁻ | 2 — окислитель (P)
2) Ca₃P₂ → PH₃ (реакция обмена, ОВР нет; протекает в растворе кислоты):
Ca₃P₂ + 6HCl = 3CaCl₂ + 2PH₃↑
Ионное уравнение: Ca₃P₂ + 6H⁺ = 3Ca²⁺ + 2PH₃↑
(фосфид кальция гидролизуется и водой: Ca₃P₂ + 6H₂O = 3Ca(OH)₂ + 2PH₃↑).
3) PH₃ → P₂O₅ (ОВР, горение фосфина):
2PH₃ + 4O₂ = P₂O₅ + 3H₂O (t)
P⁻³ − 8ē → P⁺⁵ | 2 (2 атома P — 16ē) — восстановитель (PH₃, за счёт P⁻³)
O₂⁰ + 4ē → 2O⁻² | 4 — окислитель (O₂)
4) P₂O₅ → H₃PO₄ (не ОВР, ионов нет):
P₂O₅ + 3H₂O = 2H₃PO₄ (при нагревании)
5) H₃PO₄ → K₃PO₄ (нейтрализация):
H₃PO₄ + 3KOH = K₃PO₄ + 3H₂O
Полное ионное: H₃PO₄ + 3K⁺ + 3OH⁻ = 3K⁺ + PO₄³⁻ + 3H₂O
Сокращённое: H₃PO₄ + 3OH⁻ = PO₄³⁻ + 3H₂O (фосфорная кислота — слабый электролит, записывается в виде молекул)
6) K₃PO₄ → Ag₃PO₄:
K₃PO₄ + 3AgNO₃ = Ag₃PO₄↓ + 3KNO₃
Полное ионное: 3K⁺ + PO₄³⁻ + 3Ag⁺ + 3NO₃⁻ = Ag₃PO₄↓ + 3K⁺ + 3NO₃⁻
Сокращённое: 3Ag⁺ + PO₄³⁻ = Ag₃PO₄↓ (жёлтый осадок).
§ 19. Примените свои знания.
5. Найдите массу 2%-ного раствора фосфорной кислоты, необходимой для нейтрализации 30 г 8%-ного раствора гидроксида натрия. Рассчитайте массу полученного фосфата.
Дано: m(р-ра NaOH) = 30 г; w(NaOH) = 8 % = 0,08; w(H₃PO₄) = 2 % = 0,02.
Найти: m(р-ра H₃PO₄) — ?; m(Na₃PO₄) — ?
Решение:
H₃PO₄ + 3NaOH = Na₃PO₄ + 3H₂O
1) m(NaOH) = 30 г · 0,08 = 2,4 г; M(NaOH) = 40 г/моль; n(NaOH) = 2,4 / 40 = 0,06 моль.
2) По уравнению n(H₃PO₄) = n(NaOH) / 3 = 0,06 / 3 = 0,02 моль; n(Na₃PO₄) = 0,02 моль.
3) M(H₃PO₄) = 3 + 31 + 64 = 98 г/моль; m(H₃PO₄) = 0,02 · 98 = 1,96 г.
4) m(р-ра H₃PO₄) = 1,96 г / 0,02 = 98 г.
5) M(Na₃PO₄) = 69 + 31 + 64 = 164 г/моль; m(Na₃PO₄) = 0,02 · 164 = 3,28 г.
Ответ: m(р-ра H₃PO₄) = 98 г; m(Na₃PO₄) = 3,28 г.
Найти: m(р-ра H₃PO₄) — ?; m(Na₃PO₄) — ?
Решение:
H₃PO₄ + 3NaOH = Na₃PO₄ + 3H₂O
1) m(NaOH) = 30 г · 0,08 = 2,4 г; M(NaOH) = 40 г/моль; n(NaOH) = 2,4 / 40 = 0,06 моль.
2) По уравнению n(H₃PO₄) = n(NaOH) / 3 = 0,06 / 3 = 0,02 моль; n(Na₃PO₄) = 0,02 моль.
3) M(H₃PO₄) = 3 + 31 + 64 = 98 г/моль; m(H₃PO₄) = 0,02 · 98 = 1,96 г.
4) m(р-ра H₃PO₄) = 1,96 г / 0,02 = 98 г.
5) M(Na₃PO₄) = 69 + 31 + 64 = 164 г/моль; m(Na₃PO₄) = 0,02 · 164 = 3,28 г.
Ответ: m(р-ра H₃PO₄) = 98 г; m(Na₃PO₄) = 3,28 г.
§ 19. Примените свои знания.
6. Один из способов получения фосфорной кислоты — окисление фосфора концентрированной азотной кислотой. Используя метод электронного баланса, составьте уравнение данной реакции, протекающей по схеме: P + HNO₃ + H₂O → H₃PO₄ + NO↑. Какая масса фосфорной кислоты образуется при окислении 17,2 г технического красного фосфора, содержащего 10 % примесей?
Электронный баланс:
P⁰ − 5ē → P⁺⁵ | 3 — восстановитель (P)
N⁺⁵ + 3ē → N⁺² | 5 — окислитель (HNO₃ за счёт N⁺⁵)
Уравнение: 3P + 5HNO₃ + 2H₂O = 3H₃PO₄ + 5NO↑
Проверка по водороду: слева 5 + 4 = 9, справа 9; по кислороду: слева 15 + 2 = 17, справа 12 + 5 = 17.
Дано: m(техн. P) = 17,2 г; w(примесей) = 10 %.
Найти: m(H₃PO₄) — ?
Решение:
1) w(P) = 100 − 10 = 90 % = 0,9; m(P) = 17,2 · 0,9 = 15,48 г.
2) M(P) = 31 г/моль; n(P) = 15,48 / 31 ≈ 0,499 моль.
3) По уравнению n(H₃PO₄) = n(P) ≈ 0,499 моль.
4) M(H₃PO₄) = 98 г/моль; m(H₃PO₄) = 0,499 · 98 ≈ 48,9 г ≈ 49 г.
Ответ: образуется ≈ 49 г фосфорной кислоты.
P⁰ − 5ē → P⁺⁵ | 3 — восстановитель (P)
N⁺⁵ + 3ē → N⁺² | 5 — окислитель (HNO₃ за счёт N⁺⁵)
Уравнение: 3P + 5HNO₃ + 2H₂O = 3H₃PO₄ + 5NO↑
Проверка по водороду: слева 5 + 4 = 9, справа 9; по кислороду: слева 15 + 2 = 17, справа 12 + 5 = 17.
Дано: m(техн. P) = 17,2 г; w(примесей) = 10 %.
Найти: m(H₃PO₄) — ?
Решение:
1) w(P) = 100 − 10 = 90 % = 0,9; m(P) = 17,2 · 0,9 = 15,48 г.
2) M(P) = 31 г/моль; n(P) = 15,48 / 31 ≈ 0,499 моль.
3) По уравнению n(H₃PO₄) = n(P) ≈ 0,499 моль.
4) M(H₃PO₄) = 98 г/моль; m(H₃PO₄) = 0,499 · 98 ≈ 48,9 г ≈ 49 г.
Ответ: образуется ≈ 49 г фосфорной кислоты.
§ 19. Выразите своё мнение.
7. Сравните продукты реакции горения фосфина с продуктами горения и каталитического окисления аммиака. Как вы думаете, с чем связано различие?
Горение фосфина: 2PH₃ + 4O₂ = P₂O₅ + 3H₂O — образуются оксид фосфора(V), в котором фосфор имеет высшую степень окисления +5, и вода.
Горение аммиака на воздухе (без катализатора): 4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O — образуются свободный азот и вода; каталитическое окисление (катализатор Pt, t): 4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O — образуются оксид азота(II) и вода. Высшая степень окисления +5 азот при этом не достигается.
Позиция: различие связано с разной природой атомов азота и фосфора. Во-первых, у фосфора больше радиус атома и есть свободные 3d-орбитали, поэтому он образует очень прочные связи P=O и P—O, а оксид P₂O₅ — энергетически очень устойчив; оксиды азота, напротив, малоустойчивы (NO образуется с поглощением тепла). Во-вторых, молекула азота N₂ очень прочна (тройная связь), поэтому для азота выгодно образование N₂, а не высших оксидов. В-третьих, азот — более электроотрицательный элемент и труднее «отдаёт» электроны, чем фосфор, поэтому окисляется только до +2 (с катализатором) или до 0.
Горение аммиака на воздухе (без катализатора): 4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O — образуются свободный азот и вода; каталитическое окисление (катализатор Pt, t): 4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O — образуются оксид азота(II) и вода. Высшая степень окисления +5 азот при этом не достигается.
Позиция: различие связано с разной природой атомов азота и фосфора. Во-первых, у фосфора больше радиус атома и есть свободные 3d-орбитали, поэтому он образует очень прочные связи P=O и P—O, а оксид P₂O₅ — энергетически очень устойчив; оксиды азота, напротив, малоустойчивы (NO образуется с поглощением тепла). Во-вторых, молекула азота N₂ очень прочна (тройная связь), поэтому для азота выгодно образование N₂, а не высших оксидов. В-третьих, азот — более электроотрицательный элемент и труднее «отдаёт» электроны, чем фосфор, поэтому окисляется только до +2 (с катализатором) или до 0.
§ 19. Используйте дополнительную информацию.
8. Один из городов России расположен в следующей точке земного шара: 67°34'03" с. ш., 33°23'36" в. д. Как называется этот город?
Какое отношение к изучаемой теме он имеет?
Составьте краткую информационную справку об этом городе.
Это город Апатиты (Мурманская область, Кольский полуостров, за Полярным кругом).
Справка: город основан в 1930-х гг. в связи с освоением Хибинских месторождений апатито-нефелиновых руд (статус города с 1966 г.), расположен у подножия Хибинских гор, на берегу озера Имандра. Население — около 50 тыс. человек. Название города происходит от минерала апатита.
Отношение к теме: апатит Ca₅(PO₄)₃(F, Cl, OH) — важнейшее сырьё для получения фосфора, фосфорной кислоты и фосфорных удобрений. Из апатитового концентрата получают суперфосфат: Ca₃(PO₄)₂ + 2H₂SO₄ = Ca(H₂PO₄)₂ + 2CaSO₄. В Апатитах находятся предприятия по обогащению и переработке апатитового концентрата, а также научные учреждения Кольского научного центра РАН.
Оговорка: данные справки приближённые; точные цифры (год основания, численность) нужно уточнить в справочнике.
Справка: город основан в 1930-х гг. в связи с освоением Хибинских месторождений апатито-нефелиновых руд (статус города с 1966 г.), расположен у подножия Хибинских гор, на берегу озера Имандра. Население — около 50 тыс. человек. Название города происходит от минерала апатита.
Отношение к теме: апатит Ca₅(PO₄)₃(F, Cl, OH) — важнейшее сырьё для получения фосфора, фосфорной кислоты и фосфорных удобрений. Из апатитового концентрата получают суперфосфат: Ca₃(PO₄)₂ + 2H₂SO₄ = Ca(H₂PO₄)₂ + 2CaSO₄. В Апатитах находятся предприятия по обогащению и переработке апатитового концентрата, а также научные учреждения Кольского научного центра РАН.
Оговорка: данные справки приближённые; точные цифры (год основания, численность) нужно уточнить в справочнике.