8.8 Фосфор и его соединения

8.8.  Фосфор и его соединения
СТРОЕНИЕ АТОМА ФОСФОРА
Фосфор расположен в III периоде, в 5 группе главной подгруппе «А», под порядковым номером №15. Относительная атомная масса Ar(P) = 31.
Р +15)2 )8 )5
1S22S22P63S23P3, фосфор: p– элемент, неметалл

Валентные возможности фосфора шире, чем у атома азота, так как в атоме фосфора имеются свободные d-орбитали. Поэтому может произойти распаривание 3S2 – электронов и один из них может перейти на 3d– орбиталь. В этом случае на третьем энергетическом уровне фосфора окажется пять неспаренных электронов и фосфор сможет проявлять валентность V.

АЛЛОТРОПИЯ ФОСФОРА
В свободном состоянии фосфор образует несколько аллотропных видоизменений: белый, красный и чёрный фосфор.
Нахождение в природе
Общее содержание фосфора в земной коре составляет 0,08%. В связанном виде он входит в состав многих минералов, главным образом апатитов 3Ca3(РО4)2 хСаF2 и фосфатов Са3(РO4)2. 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. Кировска на Кольском полуострове. Фосфориты широко распространены на Урале, в Поволжье, в Сибири, Казахстане, Эстонии, Белоруси и др. Большие месторождения фосфоритов имеются в Северной Африке, Сирии и США. Фосфор необходим для жизни растений. Поэтому почва всегда должна содержать достаточное количество соединений фосфора.

БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ СОЕДИНЕНИЙ ФОСФОРА
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 3Са3(РО4)3·CaF2. 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 ФОСФОРА
·Красный фосфор практически нетоксичен. Пыль красного фосфора, попадая в легкие, вызывает пневмонию при хроническом действии.
·Белый фосфор очень ядовит, растворим в липидах. Смертельная доза белого фосфора — 50-150 мг. Попадая на кожу, белый фосфор дает тяжелые ожоги.
Острые отравления фосфором проявляются жжением во рту и желудке, головной болью, слабостью, рвотой. Через 2-3 суток развивается желтуха. Для хронических форм характерны нарушение кальциевого обмена, поражение сердечно-сосудистой и нервной систем. Первая помощь при остром отравлении — промывание желудка, слабительное, очистительные клизмы, внутривенно растворы глюкозы. При ожогах кожи обработать пораженные участки растворами медного купороса или соды. ПДК паров фосфора в воздухе 0,03 мг/м³.



ПОЛУЧЕНИЕ ФОСФОРА
Фосфор получают из апатитов или фосфоритов в результате взаимодействия с коксом и кремнезёмом при температуре 1600 °С:
2Ca3(PO4)2 + 10C + 6SiO2 → P4 + 10CO + 6CaSiO3.
Образующиеся пары белого фосфора конденсируются в приёмнике под водой. Вместо фосфоритов восстановлению можно подвергнуть и другие соединения, например, метафосфорную кислоту:
4HPO3 + 12C → 4P + 2H2 + 12CO.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФОСФОРА
Окислитель
Восстановитель
1. С металлами — окислитель, образуетфосфиды:
2P + 3Ca → Ca3P2 
Опыт "Получение фосфида кальция"
2P + 3Mg → Mg3P2.
Фосфиды разлагаются кислотами и водой с образованием газа фосфина
Mg3P2 + 3H2SO4(р-р)= 2PH3 + 3MgSO4
Опыт "Гидролиз фосфида кальция"
Свойства фосфина -
PH3 + 2O2 = H3PO4.
PH3 + HI = PH4I
1. Фосфор легко окисляется кислородом:
"Горение фосфора"
"Горение белого фосфора под водой"
"Сравнение температур воспламенения белого и красного фосфора"
4P + 5O2 → 2P2O5 (с избытком кислорода),
4P + 3O2 → 2P2O3 (при медленном окислении или при недостатке кислорода).
2. С неметаллами — восстановитель:
2P + 3S → P2S3,
2P + 3Cl2 → 2PCl3.
! Не взаимодействует с водородом.
3. Сильные окислители превращают фосфор в фосфорную кислоту:
3P + 5HNO3 + 2H2O → 3H3PO4 + 5NO;
2P + 5H2SO4 → 2H3PO4 + 5SO2 + 2H2O.
4. Реакция окисления также происходит при поджигании спичек, в качестве окислителя выступает бертолетова соль:
6P + 5KClO3 → 5KCl + 3P2O5
ПРИМЕНЕНИЕ ФОСФОРА


Фосфор является важнейшим биогенным элементом и в то же время находит очень широкое применение в промышленности.
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, 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. Так же красный фосфор используется при производстве взрывчатых веществ, зажигательных составов, топлив.
Фосфор (в виде фосфатов) — один из трёх важнейших биогенных элементов, участвует в синтезе АТФ. Большая часть производимой фосфорной кислоты идёт на получение фосфорных удобрений — суперфосфата, преципитата, и др.

Оксид фосфора (V) – фосфорный ангидрид
Физические свойства: Оксид фосфора (V) Р2О5 — белый гигроскопичный порошок (поглощает воду), следует хранить в плотно закрытых сосудах.
Получение: Получается при горении фосфора в избытке воздуха или кислорода
4P + 5O2 = 2P2O5
Применение: Оксид фосфора (V) очень энергично соединяется с водой, а также отнимает воду от других соединений. Применяется как осушитель газов и жидкостей.
Химические свойства: Оксид фосфора (V) – это кислотный оксид, взаимодействует, подобно другим кислотным оксидам с водой, основными оксидами и основаниями.
Фосфорный ангидрид особым образом взаимодействует с водой, взаимодействуя с водой при обычных условиях (без нагревания), образует в первую очередь метафосфорную кислоту НРО3:
P2O5 + H2O = HPO3
при нагревании образуется ортофосфорная кислота H3PO4:
P2O5 + 3H2O = 2H3PO4    (t˚C)
При нагревании H3PO4 можно получить пирофосфорную кислоту H4P2O7:
2H3PO4 = H2O + H4P2O7   (t˚C)
Ортофосфорная кислота
Наибольшее практическое значение имеет ортофосфорная кислотаН3РO4.
Строение молекулы: В молекуле фосфорной кислоты атомы водорода соединены с атомами кислорода:
Физические свойства: Фосфорная кислота представляет собой бесцветное, гигроскопичное твердое вещество, хорошо растворимое в воде.
Получение:
1) Взаимодействие оксида фосфора (V) с водой при нагревании:                                           
P2O5 + 3H2O = 2H3PO4    (t˚C)
2) Взаимодействие природной соли – ортофосфата  кальция с серной кислотой при нагревании:      
Сa3(PO4)2 + 3H2SO4 = 3CaSO4 + 2H3PO4 (t˚C)
3) При взаимодействии фосфора с концентрированной азотной кислотой                            
3P + 5HNO3+ 2H2O =  3H3PO4+ 5NO
Химические свойства:
Свойства, общие с другими кислотами
Специфические свойства
1. Водный раствор кислоты изменяет окраску индикаторов на красный:
Ортофосфорная кислота диссоциирует ступенчато:
H3PO4 ↔ H+ + H2PO4-(дигидроортофосфат-ион)
H2PO4- ↔ H+ + HPO42-(гидроортофосфат-ион)
HPO42- ↔ H+ + PO43-(ортофосфат-ион)
2. Взаимодействует с металлами в ряду активности до (Н2):
металл+ H3PO4=соль+Н2↑
3. Взаимодействует с основными оксидами:
оксид металла + H3PO4 = соль + Н2О
4. Взаимодействует с основаниями Ме(ОН)n:
основание  + H3PO4 = соль + Н2О
если кислота в избытке, то образуется кислая соль:
H3PO4(изб) + NaOH = NaH2PO4+ H2O или
H3PO4(изб) + 2NaOH =Na2HPO4 + 2H2O
5. Реагирует с аммиаком (по донорно-акцепторному механизму), если в избытке кислота, образуются кислые соли:
H3PO4 + NH3 = NH3H2PO4
H3PO4 + 2NH3 = (NH3)2HPO4
H3PO4 + 3NH3 = (NH3)3PO4
6. Реагирует с солями слабых кислот:
2H3PO4+3Na2CO3 = 2Na3PO4 + 3H2O + 3CO2↑
1. При нагревании ортофосфорная кислота постепенно превращается в метафосфорную кислоту:
2H3PO4 (t˚C) → H2O + H4P2O7  
H4P2O7  (t˚C)→ H2O + 2HPO3  
2. Качественная реакция наPO43- - фосфат ион.
Отличительной реакцией ортофосфорной кислоты от других фосфорных кислот является реакция с нитратом серебра — образуется жёлтый осадок:
Н3РО4 + 3AgNO3 = Ag3PO4↓+ 3HNO3
3. Играет большую роль в жизнедеятельности животных и растений. Её остатки входят в состав АТФ. При разложении АТФ выделяется большое количество энергии, что очень важно для живых организмов.
Применение:
В основном для производства минеральных удобрений.
А также, используется при пайке, для очищения от ржавчины металлических поверхностей. Также применяется в составе фреонов, в промышленных морозильных установках как связующее вещество. Ортофосфорная кислота зарегистрирована в качестве пищевой добавки E338. Применяется как регулятор кислотности в газированных напитках.
Фосфорными удобрениями являются кальциевые и аммонийные соли фосфорной кислоты.
Фосфоритная мука получается при тонком размоле фосфоритов. Так как она содержит нерастворимую соль Ca3(PO4)2, то усваиваться растениями может только на кислых почвах.
При обработке фосфоритов или аппатитов серной или фосфорной кислотой получают растворимые в воде соединения, хорошо усваиваемые растениями на любых почвах:
Ca3(PO4)2 + 2H2SO4 = Ca(H2PO4)2 + 2CaSO4,
Ca(H2PO4)2 называется простой суперфосфат (обычно применяют в виде гранул диаметром 2-4 мм),
Ca3(PO4)2 + 4H3PO4 = 3Ca(H2PO4)2 (двойной суперфосфат),
Нейтрализацией гашеной извести фосфорной кислотой получают преципитат:
H3PO4 + Ca(OH)2 → CaHPO4 · 2H2O.
Нейтрализацией фосфорной кислоты аммиаком получают аммофос – (NH4)2HPO4 + NH4H2PO4, содержащий азот и фосфор. Разновидности: нитроаммофос – NH4H2PO4 + NH4NO3; аммофоска – (NH4)2HPO4 + NH4H2PO4 + KCl.

УПРАЖНЕНИЯ

 1. Запишите уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения: P → H3PO4 → Ca3(PO4)2 → P → PH3.
Решение:
При взаимодействии с сильными окислителями фосфор окисляется до фосфорной кислоты:
2P + 5H2SO4 = 2H3PO4 + 5SO2 + 2H2O.
При взаимодействии фосфорной кислоты с оксидом кальция образуется фосфат кальция:
3CaO + 2H3PO4 = Ca3(PO4)2 + 3H2O.
Фосфор получается из апатитов или фосфоритов в результате взаимодействия с коксом и песком при температуре 1500 °С:
2Ca3(PO4)2 + 10C + 6SiO2 = 4P + 10CO + 6CaSiO3.
В растворах щелочей фосфор диспропорционирует с образованием фосфина и соли фосфорноватистой кислоты:
4Р + 3KOH + 3Н2О = РН3 + 3KН2РО2  
________________________________________________________________

 2. Вычислите массу фосфорной кислоты, которую можно получить из 500 кг апатита, содержащего 62 мас % Ca3(PO4)2.
Решение:
Запишем уравнения протекающих реакций:
2Ca3(PO4)2 + 10C + 6SiO2 = 4P + 10CO + 6CaSiO3,                                  (1)
4Р + 5О2 = Р4О10,                                                                                         (2)
Р4О10 + 6H2O = 4H3PO4.                                                                              (3)
Весь фосфор, содержащийся в апатите, расходуется на образование фосфорной кислоты. Из уравнений реакций следует, что из 1 моль Ca3(PO4)2 образуется 2 моль H3PO4.
Вычислим массу фосфата кальция, содержащегося в 500 кг апатита:
, следовательно
(кг).
Вычислим количество вещества фосфата кальция:
(кмоль).
Из 1 кмоль фосфата кальция образуется 2 кмоль фосфорной кислоты, её масса равна:
m = n · M = 2 · 98 = 196 (кг).
Ответ: m (H3PO4) = 196 кг.
________________________________________________________________
3. Составьте уравнения химических реакций, позволяющих осуществить следующие превращения:
Р → Р2O5 → Н3РO4 → Са3(РO4)2 → Н3РO4.
Решение:
 При сжигании фосфора в избытке кислорода образу­ется оксид фосфора (V):
4Р + 5О2 = 2Р2О5 .
Оксид фосфора (V) с избытком воды образует фосфорную кислоту:
Р2О5 + 3Н2О = 2Н3РО4.
Фосфат кальция получается из фосфорной кислоты под дей­ствием избытка известковой воды:
2Н3РО4 + 3Са(ОН)2 = Са3(РO4)2↓ + 6Н2О.
Фосфорная кислота образуется из фосфата кальция под дей­ствием сильных кислот, например, серной:
Са3(РО4)2 + 3Н2SО4 = 3СаSО4↓ + 2Н3РО4.
________________________________________________________________
4. Напишите уравнения химических реакций, соот­ветствующих следующей схеме:
Решение:  Первая реакция — промышленный способ получе­ния фосфора (вещество А):
Са3(РО4)2 + 3SiO2 + 5С = 2Р + 5СО + ЗСаSiO3.
Фосфор реагирует при нагревании с кальцием с образованием фосфида кальция Са3Р2 (вещество Б):
ЗСа + 2Р = Са3Р2.
Фосфид кальция разлагается водой и кислотами, образуя газ фосфин РН3 (вещество В):
Са3Р2 + 6НСl = ЗСаСl2 + 2РН3↑.
При сгорании фосфина образуются Р2О5 и Н2О, которые сразу же реагируют между собой, давая фосфорную кислоту (вещество Г):
РН3 + 2О2 = Н3РО4.
Фосфорная кислота растворяет фосфат кальция с образовани­ем дигидрофосфата кальция Са(Н2РО4)2 (вещество Д):
4Н3РО4 + Са3(РО4)2 = 3Са(Н2РО4)2.
________________________________________________________________

ЗАДАНИЯ  ДЛЯ  САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

1. Красный фосфор — основная модификация, производимая и потребляемая промышленностью. Он применяется 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.
Происходит реакция :
P + KClO3 = KCl + P2O5
Расставьте коэффициенты с помощью электронного баланса, укажите окислитель, и восстановитель, процессы окисления и восстановления.

2. Осуществите превращения по схеме:
P →Ca3P2 → PH3 → P2O5
Для последней реакции PH3 → P2O5 составьте электронный баланс, укажите окислитель и восстановитель.

3. Составьте уравнения реакций оксида фосфора (V) с
1. Na2O
2. NaOH
3. H2O при нагревании
4. H2O без нагревания
Для 2 реакции запишите полное и краткое ионное уравнение.

4. Составьте молекулярные и ионные уравнения реакций ортофосфорной кислоты с:
1. калием
2. оксидом калия
3. гидроксидом калия
4. сульфитом калия

5. Осуществите превращения по схеме:
Сa3(PO4)2 -> P -> PH3 -> P2O5 -> H3PO4 -> Ca3(PO4)2
Назовите вещества

6. Вычислите (в %), какое из фосфорных удобрений: двойной суперфосфат или преципитат богаче фосфором? Химические формулы удобрений найдите в схеме самостоятельно.

7. Определите массовые доли фосфора в: а) простом суперфосфате;   б) двойном суперфосфате;   в) преципитате.
8.  Какую массу фосфорита, содержащего 70% Са3(РО4)2, нужно взять, чтобы получить из него 500 кг фосфора, если потери фосфора в производстве равны 5%.
9. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

10. Какова массовая доля фосфорной кислоты в растворе, полученном при растворении в 200 см3 воды продукта полного окисления 24,8 г фосфора.

ВИДЕО ОПЫТ



1.     Фосфор – окислитель при взаимодействии с:
а) кальцием
б) кислородом
в) галогенами
г) хлоратом калия
2.     Соль ортофосфорной кислоты нельзя получить при взаимодействии между  собой:
а) H3PO4  и NH3 (водный р-р)
б) BaCl2 (р-р)  и K3PO4 (р-р)
в) P2O5  и CaO
г) P и Ca
3.     Укажите формулу двойного суперфосфата:
а) Ca(H2PO4)2*2H2O  + CaSO4*2H2O
б) CaHPO4*2H2O
в) Ca(H2PO4)2*H2O
г) NH4H2PO4
4.     Какую массу фосфора (г) можно получить из 310 г фосфорита, содержащего 90 % ортофосфата кальция, при выходе реакции 75% (ответ округлите до целых):
а) 56
б) 46
в) 62
г) 42
5.     Укажите формулу фосфида:
а) PCl5
б) K3PO4
в) P2O5
г) Ca3P2
6.     Оксиду фосфора (III) отвечает кислота:
а) H3PO2
б) HPO3
в) H4P2O7
г) H3PO3
7.     Чтобы дигидрофосфат калия перевести в гидрофосфат калия нужно воспользоваться реактивом:
а) водой
б) ортофосфорной кислотой
в) щелочью
г) серной кислотой
8.     Какая минимальная масса (кг) фосфорита с массовой долей Ca3 (PO4)2, равной 90 %, нужна для получения 62 кг фосфора при выходе реакции 80 %:
а) 344,4
б) 382,7
в) 430,6
г) 310,0
9.     В реакции NH3 + H2PO4- → NH4+ + HPO42-  дигидрофосфат-ион ведет себя как:
а) восстановитель
б) окислитель
в) донор протонов
г) акцептор протонов
10.                        Белый фосфор более активен, чем азот, так как:
а) заряд ядра фосфора меньше
б) молекулы фосфора имеют большую массу
в) число протонов в ядре атома азота меньше, чем у фосфора
г) энергия связи между атомами в молекуле белого фосфора меньше, чем в молекуле азота



Ответы:
1
а
2
г
3
в
4
г
5
г
6
г
7
в
8
в
9
в
10
г





Комментариев нет:

Отправить комментарий

Подписаться на: Сообщения (Atom)