Print bookPrint book

§ 39. Кислородсодержащие соединения фосфора

Site: Профильное обучение
Course: Химия. 11 класс
Book: § 39. Кислородсодержащие соединения фосфора
Printed by: Guest user
Date: Saturday, 25 May 2024, 1:31 PM

К наиболее значимым кислородсодержащим соединениям фосфора относят оксид фосфора(V), фосфорную кислоту и её соли.

Оксиды фосфора

Взаимодействие кислорода с фосфором приводит к образованию оксидов, состав которых зависит от условий проведения реакции.

При сжигании фосфора в чистом кислороде, как указано на с. 201, получается оксид фосфора(V) P2O5, а при недостатке кислорода — оксид фосфора(III) P2O3.

img

Белый фосфор являлся одним из первых дымообразующих веществ, при сжигании которого во время военных действий образовывалась дымовая завеса из частиц P2O5. Дым — дисперсная система, состоящая из твёрдых взвешенных частиц в газовой среде.

Оксид фосфора(V) считают самым эффективным осушителем. Причём осушителем является и образующаяся при этом кислота. Обращаться с P2O5 следует крайне осторожно, так как при попадании на кожу оксид вызывает сильнейшие ожоги, одна из причин — обезвоживание тканей.

Оксид фосфора(V) stack bold space bold P with bold plus bold 5 on top subscript bold 2 bold O subscript bold 5 — высший оксид фосфора, и ему соответствует гидроксид straight H subscript 3 straight P with plus 5 on top straight O subscript 4 — фосфорная (или ортофосфорная) кислота.

P2O5 — белое твёрдое вещество (Tпл. = 420 °С). Является типичным кислотным оксидом: реагирует с водой (1), основными оксидами (2) и щелочами (3), широко используется в органическом синтезе. Рассмотрим особенности этих реакций:

1. Конечным продуктом реакции оксида фосфора(V) с водой является фосфорная кислота H3PO4:

3H2O + P2O5 = 2H3PO4.

Оксид фосфора(V) не только растворяется в воде, но и «жадно» поглощает пары воды из воздуха, то есть гигроскопичен, используется в качестве осушителя.

2. Взаимодействие с основными и амфотерными оксидами приводит к образованию солей:

3СаО + P2O5 = Са3(РО4)2;
3ZnО + P2O5 = Zn3(РО4)2.

3. При растворении P2O5 в щелочах могут образовываться как средние, так и кислые соли (в зависимости от соотношения реагентов). Например, при взаимодействии с гидроксидом натрия могут образоваться Na3PO4, Na2HPO4 или NaH2PO4:

P2O5 + 6NaOH = 2Na3PO4 + 3H2O;
P2O5 + 4NaOH = 2Na2HPO4 + H2O;
P2O5 + 2NaOH + H2O = 2NaH2PO4.

Фосфорная кислота

img
Рис. 96. Структурная формула и шаростержневая модель молекулы фосфорной кислоты

Химические и физические свойства. Фосфор образует несколько кислот, однако самой устойчивой является фосфорная кислота H3PO4 (рис. 96). Из структурной формулы её молекулы видно, что кислота трёхосновна. H3PO4 — вещество, температура плавления которого 42,35 °С. Это означает, что при комнатной температуре фосфорная кислота — твёрдое вещество. Фосфорная кислота хорошо растворима в воде. В водном растворе диссоциирует ступенчато:

straight H subscript 3 PO subscript 4 space rightwards arrow over leftwards arrow space straight H to the power of plus space end exponent plus space straight H subscript 2 PO subscript 4 superscript minus semicolon
straight H subscript 2 PO subscript 4 superscript minus space rightwards arrow over leftwards arrow space straight H to the power of plus space plus space HPO subscript 4 superscript 2 minus end superscript semicolon
HPO subscript 4 superscript 2 minus end superscript space rightwards arrow over leftwards arrow space straight H to the power of plus space plus space PO subscript 4 superscript 3 minus end superscript.

Фосфорная кислота — слабый электролит, диссоциирует преимущественно по первой ступени. В растворах она проявляет общие свойства кислот: меняет цвет индикаторов и образует соли в реакциях с металлами, находящимися в ряду активности до водорода (1), основными и амфотерными оксидами (2), гидроксидами металлов и аммиаком (3), другими солями (4); она не является окислителем за счёт аниона:

1

3Mg + 2H3PO4 = Mg3(PO4)2↓ + 3H2

металл

2

3СаO + 2H3PO4 = Сa3(PO4)2↓ + 3H2O

оксид основный

3ZnO + 2H3PO4 = Zn3(PO4)2↓ + 3H2O

оксид амфотерный

3

3NaOH + H3PO4 = Na3PO4 + 3H2O;

основание (щёлочь)

2NН3 + H3PO4 = (NН4)2HPO4

аммиак

4

3K2СО3 + 2H3PO4 = 2K3PO4 + 3H2O + 3СО2

соль

Отметим, что фосфорная кислота образует как средние соли (фосфаты), так и кислые (гидрофосфаты и дигидрофосфаты), в зависимости от соотношения исходных веществ. Например:

3КOH + H3PO4 = К3PO4 + 3H2O (фосфат калия) (3 : 1);

2КOH + H3PO4 = К2HPO4 + 2H2O (гидрофосфат калия) (2 : 1);

КOH + H3PO4 = КН2PO4 + H2O (дигидрофосфат калия) (1 : 1).

При составлении уравнений реакций в ионной форме фосфорную кислоту представляют в виде молекул как преобладающих частиц в её растворе. Например:

2 NaOH space plus space straight H subscript 3 PO subscript 4 space equals space Na subscript 2 НPO subscript 4 space plus space 2 straight H subscript 2 straight O semicolon
2 Na to the power of plus space plus space 2 OH to the power of ‒ space end exponent plus space straight H subscript 3 PO subscript 4 space equals space 2 Na to the power of plus space plus space НPO subscript 4 superscript 2 minus end superscript plus space 2 straight H subscript 2 straight O semicolon
2 OH to the power of ‒ space plus space straight H subscript 3 PO subscript 4 space equals space НPO subscript 4 superscript 2 minus end superscript plus space 2 straight H subscript 2 straight O.

Применение и получение. Фосфорную кислоту применяют в производстве удобрений и кормовых средств, для формирования антикоррозионных покрытий на металлах, а также в пищевой промышленности для придания кисловатого вкуса безалкогольным напиткам, для осветления сахара.

Получают H3PO4 взаимодействием природных фосфатов с серной кислотой при 60‒80 °С с последующим отфильтровыванием осадка СаSO4. При этом фосфорная кислота образуется в виде сиропообразного раствора с массовой долей вещества 85 %. Второй способ — сжигание фосфора, полученного прокаливанием природного фосфата с песком и углём, и последующее растворение оксида в воде:

Сa3(PO4)2 → Р → P2O5 → H3PO4.

Соли фосфорной кислоты. Фосфаты, как правило, нерастворимы, за исключением солей натрия, калия и аммония. Кислые соли более растворимы, чем средние, а дигидрофосфаты имеют большую растворимость, чем гидрофосфаты. Например, фосфат Ca3(PO4)2 нерастворим, гидрофосфат CaHPO4 — мало растворим, а дигидрофосфат Ca(H2PO4)2 — хорошо растворим в воде.

Большинство фосфатов обладает высокой термической устойчивостью — не разрушаются при нагревании до температуры плавления. Характерной особенностью фосфатов (средних солей) является образование осадка жёлтого цвета при действии раствора нитрата серебра(I) (Приложение 3):

3 AgNO subscript 3 space plus space Na subscript 3 PO subscript 4 space equals space Ag subscript 3 PO subscript 4 not stretchy downwards arrow space plus space 3 NaNO subscript 3 semicolon
3 Ag to the power of plus space plus space PO subscript 4 superscript 3 minus end superscript space stack equals space Ag subscript 3 PO subscript 4 not stretchy downwards arrow. number space number space number space number space with фосфат space серебра left parenthesis straight I right parenthesis below

В отличие от светло-жёлтого осадка бромида серебра(I) и жёлтого осадка йодида серебра(I), фосфат серебра(I) растворяется при добавлении азотной кислоты.

Применение солей фосфорной кислоты. Многие средние и кислые соли фосфорной кислоты (Ca3(PO4)2, CaHPO4 · 2H2O, Ca(H2PO4) · H2O, NН4H2PO4, (NН4)2HPO4) используются в качестве удобрений. Фосфаты находят применение в производстве каучука, пластмасс, в металлургии. Фосфат натрия уменьшает жёсткость воды и улучшает моющее действие стиральных порошков. Тем не менее во многих государствах в настоящее время установлены ограничения по применению фосфатов в качестве стиральных моющих средств. Дело в том, что после стирки фосфаты попадают в сточные воды, а затем в водоёмы, способствуя бурному развитию планктона и водорослей — водоёмы «стареют». По некоторым данным, 1 г фосфата стимулирует рост 5–10 кг водорослей.

Оксид фосфора(V) — кислотный оксид.

Фосфорная кислота, в отличие от азотной, является при н. у. твёрдым веществом, относится к слабым кислотам и окислительные свойства проявляет только за счёт атомов водорода.

Соли фосфорной кислоты — фосфаты, гидрофосфаты и дигидрофосфаты — находят широкое применение в качестве удобрений.

Вопросы, задания, задачи

1. Назовите классы веществ, с которыми взаимодействует:

  • а) оксид фосфора(V);
  • б) фосфорная кислота.

2. Составьте формулы:

  • а) дигидрофосфата калия; дигидрофосфата кальция; гидрофосфата магния; фосфата железа(III);
  • б) дигидрофосфата магния; гидрофосфата железа(III); гидрофосфата цинка; фосфата натрия.

Запишите уравнения их электролитической диссоциации, учитывая отщепление только ионов металла.

3. Запишите три уравнения последовательных реакций, происходящих при добавлении раствора:

  • а) гидроксида калия к раствору фосфорной кислоты;
  • б) фосфорной кислоты к раствору гидроксида натрия.

Назовите образующиеся соли.

4. Составьте уравнения реакций с учётом указанных коэффициентов:

  • а) begin mathsize 14px style 3 NaOH space plus space straight H subscript 3 PO subscript 4 rightwards arrow semicolon number space number space number space 2 NH subscript 3 space plus space straight H subscript 3 PO subscript 4 rightwards arrow semicolon number space number space number space 2 LiOH space plus space straight H subscript 3 PO subscript 4 rightwards arrow end style;
  • б) begin mathsize 14px style 4 KОН space plus space straight Р subscript 2 straight О subscript 5 rightwards arrow semicolon number space number space number space 6 KОН space plus space straight Р subscript 2 straight О subscript 5 rightwards arrow semicolon number space number space number space 3 Са left parenthesis ОН right parenthesis subscript 2 space plus space straight Р subscript 2 straight О subscript 5 rightwards arrow. end style.

5. Определите количество теплоты, которая выделяется при сгорании фосфора массой 1 кг по термохимическому уравнению реакции:

(тв) + 5О2(г) = 2Р2О5(тв) + 3010 кДж.

6. Можно ли в качестве осушителя газообразного аммиака применять P2O5? Ответ аргументируйте.

7. В трёх пронумерованных пробирках находятся растворы нитрата калия, фосфата калия, хлорида натрия. Предложите план распознавания веществ. Поясните уравнениями реакций в молекулярной и ионной формах.

8. Составьте уравнения реакций согласно схеме:

  • а) begin mathsize 14px style straight Р not stretchy rightwards arrow with 1 on top straight P subscript 2 straight O subscript 5 not stretchy rightwards arrow with 2 on top straight H subscript 3 PO subscript 4 not stretchy rightwards arrow with 3 on top left parenthesis NH subscript 4 right parenthesis subscript 2 НРO subscript 4 not stretchy rightwards arrow with 4 on top NH subscript 3 space end style;
  • б) begin mathsize 14px style straight H subscript 3 PO subscript 4 not stretchy rightwards arrow with 1 on top NH subscript 4 straight H subscript 2 PO subscript 4 not stretchy rightwards arrow with 2 on top left parenthesis NH subscript 4 right parenthesis subscript 2 НРO subscript 4 not stretchy rightwards arrow with 3 on top Nа subscript 3 РO subscript 4 not stretchy rightwards arrow with 4 on top Ag subscript 3 PO subscript 4 end style.

9. Необходимо приготовить раствор фосфорной кислоты массой 500 г с массовой долей вещества 5 %. Рассчитайте массы необходимых для этой цели оксида фосфора(V) и воды.

10. Рассчитайте объём воздуха (н. у.), который необходим для сжигания фосфора массой 1 кг. Чему равна масса фосфорной кислоты, образующейся при растворении полученного оксида фоcфора(V)?

*Самоконтроль

1. Оксид фосфора P2O5 является:

  • а) солеобразующим;
  • б) восстановителем;
  • в) жидким при н. у.;
  • г) кислотным.

2. Для фосфорной кислоты справедливы утверждения:

  • а) сильная двухосновная кислота;
  • б) в водных растворах — слабый электролит;
  • в) образует три вида солей — фосфаты, гидро- и дигидрофосфаты;
  • г) H3PO4 соответствует оксиду фосфора(III).

3. Осадок жёлтого цвета с нитратом серебра(I) образуют растворы:

  • a) Nа3РO4;
  • б) K3PO4;
  • в) KI;
  • г) NaNO3.

4. Правильно составлены формулы солей фосфорной кислоты:

  • а) Nа2РO4;
  • б) (NH4)2НРO4;
  • в) Zn2(РO4)3;
  • г) Al(Н2РO4)3.

5. При мольном соотношении аммиака и оксида фосфора(V) 2 : 1 в водном растворе образуется:

  • а) фосфат аммония;
  • б) нитрат фосфора;
  • в) гидрофосфат аммония;
  • г) дигидрофосфат аммония.