Учебник для 9 класса

ХИМИЯ

§ 32. Фосфор и его соединения

Строение и свойства атомов. Следующий после азота представитель главной подгруппы V группы Периодической системы Д. И. Менделеева — элемент-неметалл фосфор Р. Атомы фосфора по сравнению с атомами азота имеют больший радиус, меньшее значение электроотрицательности, а значит, более выраженные восстановительные свойства.

Соединения со степенью окисления —3 атома фосфора встречаются реже, чем у азота (только в фосфидах — соединениях фосфора с металлами, например Са₃Р₂, Na₃P). Чаще фосфор проявляет в соединениях степень окисления +5. А в его соединении с водородом — фосфине РН₃ — ковалентная связь между атомами разных элементов малополярна в силу того, что значения электроотрицательности фосфора и водорода почти одинаковы.

Фосфор — простое вещество. Химический элемент фосфор образует несколько аллотропных модификаций. Вы уже знаете два простых вещества: белый фосфор и красный фосфор.

Белый фосфор (рис. 137, а) имеет молекулярную кристаллическую решётку, состоящую из молекул Р₄. Он нерастворим в воде, но хорошо растворяется в сероуглероде. На воздухе белый фосфор легко окисляется, а в порошкообразном состоянии даже воспламеняется.

Рис. 137.
Аллотропные модификации фосфора: а — белый фосфор; б — красный фосфор

Белый фосфор очень ядовит. Особым его свойством является способность светиться в темноте вследствие его окисления. Хранят его под водой.

Красный фосфор (рис. 137, б) представляет собой тёмно-малиновый порошок. Он не растворяется ни в воде, ни в сероуглероде. На воздухе окисляется медленно и не самовоспламеняется. Неядовит и не светится в темноте.

При нагревании красного фосфора в пробирке (рис. 138), закрытой ватным тампоном, он превращается в белый фосфор. Если выдернуть тампон, то осевший на нём белый фосфор вспыхнет на воздухе. Этот опыт показывает огнеопасность белого фосфора.

Рис. 138.
Опыт, иллюстрирующий переход красного фосфора в белый

Химические свойства красного и белого фосфора близки, но белый фосфор более химически активен. Так, оба они, как и положено неметаллам, взаимодействуют с металлами, образуя фосфиды:

Белый фосфор самовоспламеняется на воздухе, а красный горит при поджигании. В обоих случаях образуется оксид фосфора (V), выделяющийся в виде густого белого дыма:

4Р + 5O₂ = 2Р₂O₅.

Лабораторный опыт № 34
Горение фосфора на воздухе и в кислороде

С водородом фосфор непосредственно не реагирует, поэтому фосфин РН₃ можно получить только косвенным путём, например из фосфидов:

Са₃Р₂ + 6НСl = ЗСаСl₂ + 2РН₃↑.

Фосфин — это очень ядовитый газ с неприятным запахом. Легко воспламеняется на воздухе. Это свойство фосфина и объясняет появление болотных блуждающих огней.

Соединения фосфора. При горении фосфора образуется, как вы уже знаете, оксид фосфора (V) Р₂O₅ — белый гигроскопичный порошок. Это типичный кислотный оксид, обладающий всеми свойствами кислотных оксидов (вспомните какими).

Оксиду фосфора (V) соответствует фосфорная кислота Н₃РO₄. Она представляет собой твёрдое прозрачное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде в любых соотношениях.

Как трёхосновная кислота, Н₃РO₄ образует три ряда солей:

• средние соли, или фосфаты (например, Са₃(РO₄)₂), которые нерастворимы в воде, кроме фосфатов щелочных металлов;
• кислые соли — дигидрофосфаты (например, Са(Н₂РO₄)₂), большинство из которых хорошо растворимы в воде;
• кислые соли — гидрофосфаты (например, СаНРO₄), которые малорастворимы в воде (кроме фосфатов натрия, калия и аммония), т. е. занимают промежуточное положение между фосфатами и дигидрофосфатами по растворимости.

Реактивом на растворимые фосфаты является раствор нитрата серебра, при взаимодействии с которым образуется жёлтый осадок Ag3P04 (рис. 139):

Рис. 139.
Качественная реакция на фосфат-ион

Однако в отличие от AgBr и AgI этот осадок растворяется при добавлении раствора кислоты (почему?).

Лабораторный опыт № 35
Распознавание фосфатов

В природе фосфор в свободном виде не встречается — только в виде соединений. Важнейшими природными соединениями фосфора являются минералы фосфориты и апатиты. Основную их массу составляет фосфат кальция Са₃(РO₄)₂, из которого и получают в промышленности фосфор.

Биологическое значение фосфора. Фосфор является составной частью тканей организмов человека, животных и растений. В организме человека большая часть фосфора связана с кальцием. Для построения скелета ребёнку требуются одинаковые количества фосфора и кальция. Кроме костей, фосфор содержится в нервной ткани, крови, молоке. В растениях фосфор входит в состав белков.

Из фосфора, поступающего в организм человека с пищей, главным образом с яйцами, мясом, молоком и хлебом, строится АТФ — аденозинтрифосфорная кислота, которая служит основным источником энергии для внутриклеточных процессов, а также нуклеиновые кислоты — ДНК и РНК, осуществляющие передачу наследственных свойств организма. Наиболее интенсивно АТФ расходуется в активно работающих органах тела: печени, мышцах, мозге. Недаром знаменитый минералог, один из основоположников науки геохимии, академик А. Е. Ферсман назвал фосфор «элементом жизни и мысли».

Как было указано, фосфор существует в природе в виде соединений, содержащихся в почве (или растворённых в природных водах). Из почвы фосфор извлекается растениями, а животные получают его с растительной пищей. После отмирания растительных и животных организмов фосфор снова переходит в почву. Так осуществляется круговорот фосфора в природе (рис. 140).

Рис. 140.
Круговорот фосфора в природе

Применение фосфора и его соединений. Красный фосфор используют для производства спичек, фосфорной кислоты, которая, в свою очередь, идёт на производство фосфорных удобрений и кормовых добавок для животноводства. Кроме того, фосфор применяют для получения ядохимикатов (вспомните баллончики с дихлофосом, хлорофосом и др.) (рис. 141).

Рис. 141.
Фосфор и его соединения используют для производства:
1 — спичек; 2 — фосфорной кислоты; 3 — фосфорных удобрений; 4 — кормовых добавок для животных; 5 — ядохимикатов

Открытие фосфора. Фосфор открыт немецким алхимиком Г. Брандом в 1669 г., а своё название получил за способность светиться в темноте (в пер. с греч. фосфор — светоносный).

Новые слова и понятия

1. Аллотропия фосфора: белый фосфор, красный фосфор.
2. Свойства фосфора: образование фосфидов, фосфина, оксида фосфора (V).
3. Фосфорная кислота и три ряда её солей: фосфаты, гидрофосфаты и дигидрофосфаты.
4. Биологическое значение фосфора (фосфат кальция, АТФ, ДНК и РНК).
5. Применение фосфора и его соединений.

Задания для самостоятельной работы

1. Напишите формулы трёх видов солей натрия и фосфорной кислоты, назовите их и запишите уравнения их диссоциации.
2. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

   

   Рассмотрите окислительно-восстановительные процессы там, где они имеют место.

3. Используя метод электронного баланса, составьте уравнение реакции, протекающей по схеме:

   

4. В промышленности фосфор получают прокаливанием смеси фосфата кальция с песком и коксом согласно уравнению:

   

   Рассмотрите окислительно-восстановительные процессы. Придумайте и решите задачу на определение массы фосфора при известном выходе его от теоретически возможного, в условии задачи укажите массу исходного фосфата кальция и долю примесей в нём.

5. Сколько килограммов 80%-й фосфорной кислоты можно получить из 31 кг фосфора, содержащего 5% примесей?
6. В 980 г 5%-го раствора фосфорной кислоты растворили 152 г оксида фосфора (V). Вычислите массовую долю фосфорной кислоты в полученном растворе.
7. - -
   «...Да! Это была собака, огромная, чёрная, как смоль. Но такой собаки ещё никто из нас, смертных, не видывал. Из её отверстой пасти вырывалось пламя, глаза метали искры, по морде и загривку мерцал переливающийся огонь. Ни в чьём воспалённом мозгу не могло возникнуть видение более страшное, более омерзительное, чем это адское существо, выскочившее на нас из тумана... Страшный пёс, величиной с молодую львицу. Его огромная пасть всё ещё светилась голубоватым пламенем, глубоко сидящие дикие глаза были обведены огненными кругами. Я дотронулся до этой светящейся головы и, отняв руку, увидел, что мои пальцы тоже засветились в темноте.

   — Фосфор, — сказал я».

   В этом отрывке из повести «Собака Баскервилей» А. Конан Дойл допустил существенную химическую ошибку. Назовите её.