(первый электрон)
(по Полингу)
| P | 15 |
| 30,973762 | |
| 3s 2 3p 3 | |
| Фосфор | |
Фосфор — один из самых распространённых элементов земной коры, его содержание составляет 0,08—0,09 % её массы. В свободном состоянии не встречается из-за высокой химической активности. Образует около 190 минералов , важнейшими из которых являются апатит Ca 5 (PO 4) 3 (F,Cl,OH) фосфорит Ca 3 (PO 4) 2 и другие. Фосфор содержится во всех частях зелёных растений, ещё больше его в плодах и семенах (см. фосфолипиды). Содержится в животных тканях, входит в состав белков и других важнейших органических соединений (АТФ), является элементом жизни.
История
Фосфор открыт гамбургским алхимиком Хеннигом Брандом в 1669 году . Подобно другим алхимикам, Бранд пытался отыскать эликсир жизни или философский камень , а получил светящееся вещество.
Несколько позже фосфор был получен другим немецким химиком — Иоганном Кункелем .
Независимо от Бранда и Кункеля фосфор был получен Р. Бойлем , описавшим его в статье «Способ приготовления фосфора из человеческой мочи», датированной 14 октября 1680 года и опубликованной в 1693 году .
Усовершенствованный способ получения фосфора был опубликован в 1743 году Андреасом Маргграфом .
Существуют данные, что фосфор умели получать еще арабские алхимики в XII в.
Происхождение названия
Получение
- 4P + 5O 2 → 2P 2 O 5 (с избытком кислорода),
- 4P + 3O 2 → 2P 2 O 3 (при медленном окислении или при недостатке кислорода).
Взаимодействует со многими простыми веществами — галогенами , серой , некоторыми металлами, проявляя окислительные и восстановительные свойства:щелочами
В растворах щелочей диспропорционирование происходит в большей степени:
- 4Р + 3KOH + 3Н 2 О → РН 3 + 3KН 2 РО 2 .
Восстановительные свойства
Сильные окислители превращают фосфор в фосфорную кислоту :
- 3P + 5HNO 3 + 2H 2 O → 3H 3 PO 4 + 5NO;
- 2P + 5H 2 SO 4 → 2H 3 PO 4 + 5SO 2 + 2H 2 O.
Реакция окисления также происходит при поджигании спичек, в качестве окислителя выступает бертолетова соль :
- 6P + 5KClO 3 → 5KCl + 3P 2 O 5
Применение
Фосфор является важнейшим биогенным элементом и в то же время находит очень широкое применение в промышленности. Красный фосфор применяют в производстве спичек. Его вместе с тонко измельчённым стеклом и клеем наносят на боковую поверхность коробка. При трении спичечной головки в состав который входят хлорат калия и сера, происходит воспламенение.
Элементарный фосфор
Пожалуй, первое свойство фосфора, которое человек поставил себе на службу, — это горючесть. Горючесть фосфора очень велика и зависит от аллотропической модификации.
Наиболее активен химически, токсичен и горюч белый («жёлтый») фосфор, потому он очень часто применяется (в зажигательных бомбах и пр.).
Красный фосфор — основная модификация, производимая и потребляемая промышленностью. Он применяется в производстве спичек , взрывчатых веществ , зажигательных составов, топлив , а также противозадирных смазочных материалов, в качестве газопоглотителя в производстве ламп накаливания.
Фосфор присутствует в живых клетках в виде орто- и пирофосфорной кислот, входит в состав нуклеотидов, нуклеиновых кислот, фосфопротеидов, фосфолипидов, коферментов, ферментов. Кости человека состоят из гидроксилапатита 3Са 3 (РО 4) 3 ·CaF 2 . В состав зубной эмали входит фторапатит. Основную роль в превращениях соединений фосфора в организме человека и животных играет печень. Обмен фосфорных соединений регулируется гормонами и витамином D. Суточная потребность человека в фосфоре 800-1500 мг. При недостатке фосфора в организме развиваются различные заболевания костей.
Токсикология элементарного фосфора
Красный фосфор
практически нетоксичен. Пыль красного фосфора, попадая в легкие, вызывает пневмонию при хроническом действии.
Белый фосфор
ПДК паров фосфора в воздухе 0,03 мг/м³.
Токсикология соединений фосфора
Некоторые соединения фосфора (фосфин) очень токсичны. Боевые отравляющие вещества зарин , зоман , табун являются соединениями фосфора.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Красный фосфор представляет собой наиболее термодинамически стабильную аллотропную модификацию элементарного фосфора. В обычных условиях представляет порошок различных оттенков (от пурпурно-красного до фиолетового) (рис. 1).
Цвет определяется способом получения и степенью дробления вещества. Имеет металлический блеск. При нагревании возгоняется. Окисляется на воздухе. Не растворяется в воде и сероуглерода. Химическая активность красного фосфора значительно меньше, чем белого и черного. Растворяется в расплаве свинца, из которого кристаллизуется фиолетовый фосфор (фосфор Гитторфа).
Рис. 1. Красный фосфор. Внешний вид.
Химическая формула красного фосфора
Красный фосфор имеет формулу Р n и представляет собой полимер со сложной структурой.
Графическая (структурная) формула красного фосфора
Структурная (графическая) формула полимера красного фосфора является более наглядной. Она показывает то, как связаны атомы между собой внутри молекулы:
Электронная формула
Электронная формула, показывающая распределение электронов в атоме по энергетическим подуровням показана ниже:
15 P 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3
Она также показывает, что фосфор относится к элементам р-семейства, а также число валентных электронов — на внешнем энергетическом уровне находится 5 электронов (3s 2 3p 3).
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Два углеводорода имеют разные относительные молекулярные массы: 26 и 78, но одинаковый состав: 92,3% углерода и 7,7% водорода. Найдите молекулярные формулы углеводородов. |
| Решение |
Обозначим количество моль элементов, входящих в состав соединения за «х» (углерод) и «у» (водород). Тогда, мольное отношение будет выглядеть следующим образом (значения относительных атомных масс, взятых из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел): x:y = ω(C)/Ar(C) : ω(H)/Ar(H); x:y= 92,3/12: 7,7/1; x:y= 7,69: 7,7 = 1: 1 Значит простейшая формула углеводорода имеет вид CH и молярную массу 13 г/моль . Чтобы найти истинную формулу соединения найдем отношение его молярных масс: M substance (1) / M(CH) = 26 / 13 = 2 Значит индексы атомов углерода и водорода должны быть в 2 раза выше, т.е. формула вещества будет иметь вид C 2 H 2 . Это ацетилен. M substance (2) / M(CH) = 78 / 13 = 6 Значит индексы атомов углерода и водорода должны быть в 6 раза выше, т.е. формула вещества будет иметь вид C 6 H 6 . Это бензол. |
| Ответ | C 2 H 2 и C 6 H 6 |
ПРИМЕР 2
| Задание | Составьте формулу соединения натрия, фосфора и кислорода, если массовые доли элементов в нём: ω(Na) = 34,6%, ω(P) = 23,3%, ω(O) = 42,1%. |
| Решение | Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле:
ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100% Обозначим количество моль элементов, входящих в состав соединения за «х» (натрий), «у» (фосфор), «z» (кислород). Тогда, мольное отношение будет выглядеть следующим образом (значения относительных атомных масс, взятых из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел): x:y:z = ω(Na)/Ar(Na) : ω(P)/Ar(P) : ω(O)/Ar(O); x:y:z= 34,6/23: 23,3/31: 42,1/16; x:y:z= 1,5: 0,75: 2,63 = 2: 1: 3 Значит формула соединения натрия, фосфора и кислорода будет иметь вид Na 2 PO 3 . |
| Ответ | Na 2 PO 3 |
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Фосфор образует несколько аллотропических изменений: белый, красный и черный фосфор.
Белый, красный и черный фосфор
Белый фосфор представляет собой одну из аллотропных модификаций химического элемента фосфора (рис. 1). Он состоит из молекул P 4 . Метастабильный, при комнатной температуре мягкий как воск (режется ножом), на холоду - хрупкий. Плавится и кипит без разложения, летучий при слабом нагревании, перегоняется с водяным паром. Медленно окисляется на воздухе (цепная реакция с участием радикалов, хемилюминесценция), при слабом нагревании воспламеняется в присутствии кислорода. Хорошо растворяется в сероуглероде, аммиаке, оксиде серы (IV), плохо - в тетрахлориде углерода. Не растворяется в воде, хорошо сохраняется под слоем воды.
Рис. 1. Белый фосфор. Внешний вид.
Красный фосфор представляет собой наиболее термодинамически стабильную аллотропную модификацию элементарного фосфора. В обычных условиях представляет порошок различных оттенков (от пурпурно-красного до фиолетового) (рис. 2). Цвет определяется способом получения и степенью дробления вещества. Имеет металлический блеск. При нагревании возгоняется. Окисляется на воздухе. Не растворяется в воде и сероуглерода. Химическая активность красного фосфора значительно меньше, чем белого и черного. Растворяется в расплаве свинца, из которого кристаллизуется фиолетовый фосфор (фосфор Гитторфа).При охлаждении паров красного фосфора получается белый фосфор.
Рис. 2. Красный фосфор. Внешний вид.
Черный фосфор образуется из белого путем его нагревания под высоким давлением при 200-220 o C. По внешнему виду похож на графит, жирный на ощупь. Плотность - 2,7 г/см 3 . Полупроводник.
Химическая формула фосфора
Химическая формула белого фосфора - P 4 . Она показывает, что в составе молекулы этого вещества находится четыре атома фосфора (Ar = 31 а.е.м.). По химической формуле можно вычислить молекулярную массу белого фосфора:
Mr(P 4) = 2×Ar(P) = 4×31 = 124.
Красный фосфор имеет формулу Р n и представляет собой полимер со сложной структурой.
Структурная (графическая) формула фосфора
Структурная (графическая) формула фосфора является более наглядной. Она показывает то, как связаны атомы между собой внутри молекулы.
Структурная формула белого фосфора имеет вид:
Структурная формула полимера красного фосфора имеет вид:
Электронная формула
Электронная формула, показывающая распределение электронов в атоме по энергетическим подуровням показана ниже:
15 P 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 .
Она также показывает, что фосфор относится к элементам р-семейства, а также число валентных электронов — на внешнем энергетическом уровне находится 5 электронов (3s 2 3p 3).
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Определите молекулярную формулу соли с молярной массой менее 300, в которой массовые доли азота, водорода, хрома и кислорода составляют 11,11%; 3,17%; 41,27% и 44,44% соответственно. |
| Решение | Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле:
ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%. Обозначим число атомов азота в молекуле через «х», число атомов водорода через «у», число атомов хрома за «z» и число атомов кислорода за «k». Найдем соответствующие относительные атомные массы элементов железа и кислорода (значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел). Ar(N) = 14; Ar(H) = 1; Ar(Cr) = 52; Ar(O) = 16. Процентное содержание элементов разделим на соответствующие относительные атомные массы. Таким образом мы найдем соотношения между числом атомов в молекуле соединения: x:y:z:k = m(N)/Ar(N) : m(H)/Ar(H) : m(Cr)/Ar(Cr) : m(O)/Ar(O); x:y:z:k= 11,11/14:3,17/1:41,27/52: 44,44/16; x:y:z:k= 0,79: 3,17: 0,79: 2,78 = 1: 4: 1: 3,5 = 2: 8: 2: 7. Значит простейшая формула соединения азота, водорода, хрома и кислорода имеет вид N 2 H 8 Cr 2 O 7 или (NH 4) 2 Cr 2 O 7 . Это дихромат аммония. |
| Ответ | (NH 4) 2 Cr 2 O 7 |
ПРИМЕР 2
| Задание | В результате сгорания кислородсодержащего органического соединения в избытке воздуха собрано 1,584 г углекислого газа и 0,972 мл воды. Плотность пара этого соединения по воздуху равна 1,5865. Выведите химическую формулу соединения, если она содержит два одноименных радикала. |
| Решение | Составим схему реакции сгорания органического соединения обозначив количество атомов углерода, водорода и кислорода за «x», «у»и «z» соответственно:
C x H y O z + O z →CO 2 + H 2 O. Определим массы элементов, входящих в состав этого вещества. Значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел: Ar(C) = 12 а.е.м., Ar(H) = 1 а.е.м., Ar(O) = 16 а.е.м. m(C) = n(C)×M(C) = n(CO 2)×M(C) = /M(C); m(H) = n(H)×M(H) = 2×n(H 2 O)×M(H) = ×M(H); m(H) =. Рассчитаем молярные массы углекислого газа и воды. Как известно, молярная масса молекулы равна сумме относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы (M = Mr): M(CO 2) = Ar(C) + 2×Ar(O) = 12+ 2×16 = 12 + 32 = 44 г/моль; M(H 2 O) = 2×Ar(H) + Ar(O) = 2×1+ 16 = 2 + 16 = 18 г/моль. m(C) = /12 = 0,432 г; m(H) = = 0,108 г. Значение молярной массы органического вещества можно определить при помощи его плотности по воздуху: M substance = M air × D air; M substance = 29 × 1,5862 = 46 г/моль. Найдем число атомов углерода и водорода в соединении: x:y = m(C)/Ar(C) : m(H)/Ar(H); x:y = 0,432/12:0,108/1; x:y = 0,036: 0,108 = 1: 3. Значит простейшая формула углеводородного радикала этого соединения имеет вид CH 3 и молярную массу 15 г/моль . Это означает, что на кислород приходится , что невозможно. Учитывая условие задачи про два одноименных радикала 2×М(CH 3) = 2×15 = 30 г/моль, получаем, что на кислород приходится , т.е. органическое кислородсодержащее соединение имеет вид CH 3 -O-CH 3 . Это ацетон (диметилкетон). |
| Ответ | CH 3 -O-CH 3 |
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Фосфор - пятнадцатый элемент Периодической таблицы. Обозначение - P от латинского «phosphorus». Расположен в третьем периоде, VА группе. Относится к неметаллам. Заряд ядра равен 15.
Фосфор принадлежит к числу довольно распространенных элементов; содержание его в земной коре составляет около 0,1% (масс.). Вследствие легкой окисляемости фосфор в свободном состоянии в природе не встречается.
Из природных соединений фосфора самым важным является ортофосфат кальция Ca 3 (PO 4) 2 , который в виде минерала фосфорина иногда образует большие залежи. Часто встречается также минерал апатит, содержащий кроме Ca 3 (PO 4) 2 , еще CaF 2 или CaCl 2 .
Атомная и молекулярная масса фосфора
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.
Значения атомной и молекулярной масс фосфора совпадают; они равны 30,9737.
Аллотропия и аллотропные модификации фосфора
Фосфор образует несколько аллотропических модификаций.
Белый фосфор получается в твердом состоянии при быстром охлаждении паров фосфора; его плотность 1,83 г/см 3 . В чистом виде белый фосфор совершенно бесцветен и прозрачен (рис. 1). На холоду хрупок, но при температуре выше 15 o С становится мягким и легко режется ножом.
На воздухе белый фосфор очень быстро окисляется и при этом светится в темноте. Уже при слабом нагревании, для чего достаточно просто трения, фосфор воспламеняется и сгорает. Имеет молекулярную кристаллическую решетку, в узлах которой находятся тетраэдрические молекулы P 4 . Сильный яд.
Рис. 1. Аллотропные модификации фосфора. Внешний вид.
Если белый фосфор нагреть до температуры 250-300 o С он переходит в другую модификацию имеющую красно-фиолетовую окраску и называемую красным фосфором. Это превращение происходит очень медленно и под действием света.
Красный фосфор по своим свойствам сильно отличается от белого: медленно окисляется на воздухе, не светится в темноте, загорается только при 260 o С и неядовит.
При сильном нагревании красный фосфор, не плавясь, испаряется (сублимируется). При охлаждении паров получается белый фосфор.
Черный фосфор образуется из белого при нагревании его до 200-220 o С под очень высоким давлением. По виду он похож на графит, жирен на ощупь и тяжелее других модификаций. Полупроводник.
Изотопы фосфора
Известно, что в природе фосфор находится в виде единственного изотопа 31 P (23,99%). Массовое число равно 31. Ядро атома изотопа фосфора 31 P содержит пятнадцать протонов и шестнадцать нейтронов.
Существуют искусственные изотопы фосфора с массовыми числами от 24-х до 46-ти, среди которых наиболее стабильным является 32 P с периодом полураспада равным 14 суток.
Ионы фосфора
На внешнем энергетическом уровне атома фосфора имеется пять электронов, которые являются валентными:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 .
В результате химического взаимодействия фосфор может терять свои валентные электроны, т.е. являться их донором, и превращаться в положительно заряженные ионы или принимать электроны другого атома, т.е. являться их акцептором, и превращаться в отрицательно заряженные ионы:
P 0 -5e → P 5+ ;
P 0 -3e → P 3+ ;
P 0 -1e → P 1+ ;
P 0 +3e → P 3- .
Молекула и атом фосфора
Молекула фосфора одноатомна — Р. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу фосфора:
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
ПРИМЕР 2
| Задание | Фосфин можно получить действием соляной кислоты на фосфид кальция. Рассчитайте объем фосфина (н.у.), который образуется из 9,1 г фосфида кальция. Массовая доля выхода продукта составляет 90%. |
| Решение | Запишем уравнение реакции получения фосфина из фосфида кальция:
Ca 3 P 2 + 6HCl = 2PH 3 + 3CaCl 2 . Рассчитаем количество вещества фосфида кальция (молярная масса - 182 г/моль): n(PH 3) = m(PH 3) / M(PH 3); n(PH 3) = 9,1 / 182 = 0,05 моль. Согласно уравнению реакции n(PH 3) : n(Ca 3 P 2) = 2:1, значит: n(PH 3) = 2 × n(Ca 3 P 2); n(PH 3) = 2 × 0,05 = 0,1 моль. Тогда, объем выделившегося фосфина будет равен: V(PH 3) = n (PH 3) × V m ; V(PH 3) = 0,1 × 22,4 = 2,24 л. Учитывая выход продукта реакции, объем фосфина составляет: V(PH 3) = V(PH 3) × η/100%; V(PH 3) = 2,24 × 90/100% = 2,016 л. |
| Ответ | Объем фосфина равен 2,016 л |
Cтраница 1
Красный фосфор имеет удельный вес 2 20; плавится при давлении 43 атм при температуре 590 С.
Красный фосфор энергично взаимодействует со щелочными металлами в жидком аммиаке с образованием фосфидов щелочного металла различной степени полимеризации в зависимости от соотношения взятых в реакцию фосфора и щелочного металла. Последующее прибавление к реакционной смеси галоидных алкилов приводит к образованию соответствующих фос-финов или полифосфинов, а при дополнительном действии на эту же реакционную смесь элементов VI группы образуются производные пятивалентного фосфора.
Красный фосфор получают нагреванием белого при 280 - 340 без доступа воздуха. Он представляет собой порошок. Красный фосфор в отличие от белого не ядовит.
Красный фосфор получают, долго нагревая белый фосфор при 280 - 340 С без доступа воздуха. Он представляет собой темно-малиновый порошок, не растворимый в воде и в сероуглероде. Красный фосфор химически менее активен, чем белый. Воспламеняется только при температуре около 260 С.
Красный фосфор получают нагреванием белого без доступа кислорода при 280 - 340 С. На воздухе он воспламеняется при 240 С, нерастворим в сероуглероде, менее реакционноспособен, чем белый фосфор.
Красный фосфор во многом отличается от белого фосфора. Он менее ядовит, чем белый фосфор, на воздухе окисляется очень медленно, в темноте не светится, в сероуглероде не растворяется. При сильном нагревании красный фосфор возгоняется, причем пары его при сгущении дают белый фосфор.
Красный фосфор способен к тем же химическим реакциям, что и белый фосфор, но реакции с красным фосфором протекают гораздо медленнее, чем с белым фосфором.
Красный фосфор обладает иными свойствами, чем белый и его химическая активность значительно меньше, поэтому на воздухе он не самовоспламеняется. В сероуглероде и в эфире красный фосфор не растворяется.
Красный фосфор получают из белого длительным нагреванием без доступа воздуха при 280 - 300 С. Кристаллическая решетка его атомная, в органических растворителях не растворяется, не ядовит. Хранят его в плотно закрытой посуде.
Красный фосфор практически на воздухе не окисляется и воспламеняется лишь при температуре выше 250 С.