Важнейшие природные соединения фосфора

5. Фосфор и его соединения

Фосфор принадлежит к числу довольно распространенных элементов; содержание его в земной коре составляет около 0,12% (масс.). В природе тринадцатый по химической распространенности элемент (шестой среди неметаллов.) Вследствие легкой окисляемости фосфор в свободном состоянии в природе не встречается.

Основное природных соединение фосфора — ортофосфат кальция Саз(Р0₄)₂, который в виде минерала фосфорита иногда образует большие залежи.

Часто встречается также минерал апатит, содержащий, кроме Саз(Р0₄)₂, еще CaF₂ (фторапатит) или CaC1₂ (хлорапатит).

Фосфор, как и азот, необходим для всех живых существ, так как он входит в состав некоторых белков как растительного, так и животного происхождения.. Кроме того, большое количество фосфора в виде фосфата кальция содержится в костях позвоночных животных и человека и обуславливает их прочность.

В виде кислотного остатка фосфорной кислоты фосфор входит в состав нуклеиновых кислот.

Простое вещество фосфор образует несколько аллотропных модификаций. Наиболее известными и устойчивыми являются белый, красный и черный фосфор.

Белый фосфор имеет молекулярную кристаллическую решетку, в узлах которой находятся четырехатомные тетраэдрические молекулы Р₄. В чистом виде белый фосфор совершенно бесцветен и прозрачен. На воздухе белый фосфор очень быстро окисляется и при этом светится в темноте. Отсюда произошло название «фосфор», которое в переводе с греческого означает «светоносный». Чтобы защитить белый фосфор от окисления, его сохраняют под водой.

В воде белый фосфор нерастворим; хорошо растворяется в сероуглероде.

На холоде белый фосфор хрупок, но при температуре выше 15 0 С становится мягким и легко режется ножом.

Белый фосфор – сильный яд, даже в малых дозах (десятые доли грамма) действующий смертельно.

Уже при слабом нагревании, для чего достаточно простого трения, фосфор воспламеняется и сгорает, выделяя большое количество теплоты.

Если белый фосфор долго нагревать без доступа воздуха при 250-300 0 С, то он превращается в красный фосфор. имеющее красно-фиолетовый цвет и называемое красным фосфором. Такое же превращение происходит, но только очень медленно, под действием света.

Kpaсный фосфор представляет собой неорганический полимер, в котором большое число атомов фосфора связаны друг с другом в цепи, кольца и т.д.

По свойствам резко отличается от белого: порошок красно-бурого цвета, не светится в темноте, очень медленно окисляется на воздухе, загорается только при 260 0 С, не растворяется в воде и сероуглероде, ядовит.

При нагревании до 200 0 С под очень высоким давлением красный фосфор, не плавясь, испаряется (сублимируется). При охлаждении паров получается белый фосфор.

Черный фосфор по своей структуре, как и красный, является неорганическим полимером. По виду он похож на графит, жирный на ощупь и тяжелее других видоизменений; его плотность равна 2,7 г/см 3 . Черный фосфор — полупроводник.

Свободный фосфор чрезвычайно активен.

Он непосредственно взаимодействует со многими простым и веществами с выделением большого количества теплоты. Легче всего фосфор соединяется с кислородом, затем с галогенами, серой и со многими металлами, причем в последнем случае образуются фосфиды, например Са₃Р₂, Мg₃Р₂ и др. Обратите внимание, что непосредственно с водородом фосфор практически не соединяется (в отличие от азота)!

Все эти свойства особенно резко проявляются у белого фосфора; красный фосфор реагирует менее энергично, черный вообще с трудом вступает в химические взаимодействия.

В химических реакциях фосфор, как азот, может быть и окислителем и восстановителем.

1. взаимодействие с простыми веществами – неметаллами, при этом в зависимости от условий проведения реакций могут образовываться как соединения фосфора (III), так и соединения фосфора (V)

2. взаимодействие с металлами.

При нагревании образуются фосфиды

3. взаимодействие со щелочами.

При нагревании белого фосфора в растворе щелочи он диспропорционирует

Кроме фосфина в ходе этих реакций образуются соли фосфорноватистой кислоты Н₃РО₂ – гипофосфиты, в которых фосфор имеет нехарактерную степень окисления +1

4. взаимодействие с разбавленной и концентрированной азотной кислотой, серной кислотой

С водородом фосфор образует газообразный тригидрид фосфора, или фосфин, PH₃

1. кипячением белого фосфора с раствором щелочи

2. действием соляной кислоты на фосфид кальция СазР₂:

Фосфин — бесцветный газ с чесночным запахом, очень ядовитый! В отличие от аммиака малорастворим в воде, хорошо растворим в органических растворителях.

Кислотно-основные свойства

Основные свойства выражены у фосфин слабее, чем у аммиака.

1. будучи малорастворим в воде, фосфин образует с ней неустойчивый гидрат, который проявляет очень слабые основные свойства

Сравните К_д с К_д аммиака = 1,8 ∙ 10 -5

2. соли фосфония РН₃ образует только с сильными кислотами

PH₃ + HCl = PH₄Cl хлорид фосфония

Соли фосфония — очень непрочные соединения; при взаимодействии с водой они разлагаются на галогеноводород и фосфин.

3. при горении образуются фосфорный ангидрид и вода:

Фосфористая кислота и её соли

1. взаимодействие Р₂О₃ с водой

2. гидролиз хлорида фосфора (III)

Бесцветные кристаллы, легко растворимые в воде.

Проявляет как окислительные, так и восстановительные свойства:

Вступает в реакции диспропорционирования:

Фосфорная (ортофосфорная) кислота и её соли

1. взаимодействие Р₂О₅ с водой

2. обработка природных фосфатов серной кислотой:

3. в лаборатории фосфорную кислоту можно получать окислением фосфора 30%-ной НNОз.

Бесцветные прозрачные кристаллы, плавящиеся при 42 0 С, очень хорошо растворимые в воде.

Ортофосфорная кислота не принадлежит к числу сильных кислот.

1. как трехосновная кислота диссоцииирует ступенчато:

Обычно преобладает первая ступень диссоциации.

2. фосфорная кислота обладает всеми свойствами кислот, однако она значительно слабее таких кислородсодержащих кислот, как серная и азотная. В отличие от этих кислот фосфорная кислота не обладает также сколько-нибудь значительными окислительными свойствами (устойчивость с.о +5 у фосфора).

Будучи трехосновной, фосфорная кислота образует три ряда солей: средние и кислые с одним или с двумя атомами водорода в кислотном остатке.

Nа₃РО₄ Саз(РО₄)₂ — трехзамещенные, или средние фосфаты

Na₂HP0₄ СаНРО₄ — двухзамещенные фосфаты, или гидрофосфаты

NaH₂P0₄ Са(Н₂ РО₄)₂ — однозамещенные фосфаты, или дигидрофосфаты

Дигидрофосфаты растворимы в воде; из гидрофосфатов и средних фосфатов

хорошо растворимы лишь соли щелочных металлов и аммония.

Растворимые в воде соли фосфорной кислоты подвергаются гидролизу, который следует рассмотреть особо, т.к. водные растворы средних и кислых солей имеют принципиально разный характер среды

Образующийся при гидролизе ион НРО₄ 2- практически не диссоциирует на ионы, поэтому характер среды определяют ионы ОН — , и среда растворов средних фосфатов является сильнощелочной.

При гидролизе гидрофосфатов на первой ступени образуется дигидрофосфат-ионы

Образующиеся ионы Н₂РО₄ — заметно диссоциируют Н₂РО₄ — ↔ Н + + НРО₄ 2-

Являющиеся продуктом этой диссоциации ионы водорода частично нейтрализуют ионы ОН — , образующиеся при гидролизе, и поэтому среда гидрофосфатов является слабощелочной.

При гидролизе дигидрофосфатов наряду идет процесс диссоциации дигидрофосфат-ионов

Причем второй процесс превалирует, поэтому все ионы ОН — (продукт гидролиза) нейтрализуются ионами Н + (продукт диссоциации), а избыток последних обуславливает слабокислый характер среды дигидрофосфатов.

Качественная реакция на фосфорную кислоту и её соли

б) Na₂HPO₄ + NH₃ + MgCl₂ = MgNH₄PO₄↓ + 2NaCl белый кристаллический осадок

Контрольные вопросы для закрепления:

1. Почему атом азота не проявляет валентность равную V?

2. Почему аммиак может проявлять только восстановительные свойства?

3. Чем отличается фосфорная кислота от таких кислот, как серная и азотная?

Рекомендуемая литература

Пустовалова Л.М., Никанорова И.Е.Неорганическая химия. Ростов-на-Дону. Феникс. 2005. –352с. гл. 2.1 с. 230-260

1. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. М.:Высшая школа, 2009.- 368с.
2. Глинка Н.Л. Общая химия. КноРус, 2009.-436 с.
3. Ерохин Ю.М. Химия. Учебник для студ. Сред проф.образ.-М.: Академия, 2006.- 384с.

1. Открытая химия: полный интерактивный курс химии для уч-ся школ, лицеев, гимназий, колледжей, студ. технич.вузов: версия 2.5-М.: Физикон, 2006. Электронный оптический диск CD-ROM
2. .1С: Репетитор – Химия, для абитуриентов, старшеклассников и учителей, ЗАО «1С», 1998-2005. Электронный оптический диск CD-ROM
3. Химия. Основы теоретической химии. [Электронный ресурс]. URL: http://chemistry.narod.ru/himiya/default.html
4. Электронная библиотека учебных материалов по химии [Электронный ресурс]. URL: http://www.chem.msu.su/rus/elibrary/

Источник

Вопрос№51. Фосфор, его природные соединения (фосфориты и апатиты). Свойства фосфора, его аллотропические видоизменения. Биологическая роль фосфора.

Общее содержание фосфора в земной коре составляет 0,08%. В природе фосфор встречается только в виде соединений; важнейшее из них — фосфат кальция — мине­рал апатит. Известно много разновидностей апатита, из которых наиболее распространен фторапатит ЗСаз(РО4)₂ * СаF₂. Разновид­ности апатита слагают осадочные горные породы — фосфориты. Фосфор входит также в состав белковых веществ в виде различ­ных соединений. Содержание фосфора в тканях мозга составляет 0,38%, в мышцах — 0,27%.

Самые богатые в мире залежи апатитов находятся близ г. Ки­рове на Кольском полуострове. Фосфориты широко распро­странены в России (на Урале, в Поволжье, Сибири), Казахстане, Эстонии, Беларуси, Северной Африке, Сирии, США и др. Фос­фор необходим для жизни растений. Поэтому почва всегда долж­на содержать достаточное количество соединений фосфора.

Уменьшение неметалличности элемента фосфора по сравнению с азотом сказывается на свойствах его про­стых веществ. Так, фосфор, в отличие, от азота, имеет несколько аллотропных модификаций: белый, красный, черный и др.

Белый фосфор — бесцветное и очень ядовитое вещество. По­лучается конденсацией паров фосфора. Не растворяется в воде, но хорошо растворяется в сероуглероде. При длительном слабом нагревании белый фосфор переходит в красный.

Красный фосфор — порошок красно-бурого цвета, не ядо­вит. Нерастворим в воде и сероуглероде. Установлено, что красный фосфор представляет собой смесь нескольких аллотропных модификаций, которые отличаются друг от друга цветом (от ало­го до фиолетового) и некоторыми другими свойствами. Свой­ства красного фосфора во многом зависят от условий его полу­чения.

Черный фосфор по внешнему виду похож на графит, жирный на ощупь, обладает полупроводниковыми свойствами. Получает­ся длительным нагреванием белого фосфора при очень большом давлении (200 «С и 1200 МПа).

1. Взаимодействие с простыми веществами

1. Взаимодействует со многими простыми веществами — галогенами, серой, некоторыми металлами, проявляя окислительные и восстановительные свойства:

• с металлами — окислитель, образует фосфиды:

• с неметаллами — восстановитель:

1. Взаимодействие с водой

1. Взаимодействие со щелочами

1. Восстановительные свойства

1. Реакция окисления также происходит при поджигании спичек, в качестве окислителя выступает бертолетова соль:

Источник