Fosfor i jego związki: stany utleniania, wzory

Fosfor i jego związki są szeroko rozpowszechnione w skorupie i wodzie morskiej. Jako pierwiastek chemiczny należy do grupy pnikaides, co oznacza, że ​​należy do 15 grupy układu okresowego. Aktywność tego pierwiastka jest bardzo wysoka, tworzy prawie 200 naturalnych minerałów, jest zawarta w tkankach zwierzęcych, jest częścią białek, tłuszczów, cząsteczek, które wymieniają energię i przechowują informacje dziedziczne w ciele.

Formy alotropowe

Fosfor (P) jest niemetaliczny, występuje w 11 modyfikacjach alotropowych, różniących się kolorem, gęstością, właściwościami chemicznymi. Główne z nich to 4:

• zielonkawo biały (żółty);
• czerwony;
• czarny;
• metal.

Pozostałe formy nie są jeszcze w pełni zrozumiałe, ale uważa się, że są one mieszaniną czterech głównych. Poważne modyfikacje mogą również się nawzajem wchodzić, ponieważ są niestabilne. Na przykład biały fosfor pod wpływem światła zmienia się w czerwony, który z kolei w czarny, a następnie w metaliczny. Ta ostatnia postać jest stabilna, ale przy każdej transformacji zmniejsza się aktywność chemiczna substancji.

Biały fosfor

Ta modyfikacja alotropowa jest reprezentowana przez cząsteczki P4. Jest metastabilny, zmiękcza do wosku pokojowego w temperaturze pokojowej, staje się kruchy na zimno. Topienie i gotowanie odbywa się bez rozkładu, powietrze utlenia substancję i powoduje jej blask. Może być destylowany parą wodną, ​​słabe ogrzewanie prowadzi do ulatniania, a obecność tlenu w tym samym czasie zapewnia zapłon nawet pod wodą.

Rozpuść białą postać w związkach organicznych: dwusiarczek węgla, chlorki i bromki trójwartościowego fosforu, amoniak, kwaśny gaz, dithiodichloride. Trudno jest go rozpuścić w tetrachlorku, nie jest wrażliwy na działanie wody, jest dobrze zachowany pod swoją warstwą.

Substancja może być otrzymana w wyniku reakcji ortofosforanu wapnia z koksem i tlenek krzemu w 1000 stopniach Celsjusza. Inną metodą jest rozkład trójjodku fosforu w temperaturze 100-120 stopni Celsjusza.

Aktywność białego fosforu jest bardzo wysoka: przywraca cenne metale z ich soli, jest utleniany przez kwasy, nadtlenek wodoru, nadmanganian, chlorowce i chalkogen. Odzyskany przez wodór i metale. Interakcja z alkaliami prowadzi do reakcji dysproporcjonowania. Substancje, w których biały fosfor jest obojętny, to węgiel i azot.

Wysoka aktywność chemiczna sprawia, że ​​modyfikacja jest niebezpieczna. Zapala się samoistnie w kontakcie ze skórą, powodując poważne oparzenia. Ponadto, zatrucie białą fosforem prowadzi do pokonania kości, aż do śmierci, a nagromadzenie w organizmie 50-150 mg prowadzi do śmierci.

Żółty fosfor

Nieleczony biały fosfor nazywany jest żółtym. Jego kolor zmienia się od jasnego do ciemnobrązowego. Substancja może być przechowywana i transportowana tylko pod warstwą wody lub roztworu chlorku wapnia, ponieważ jest łatwopalna i toksyczna, utleniana przez tlen w powietrzu, co powoduje jej zapalenie, któremu towarzyszy spalanie jasnozielonego płomienia i uwolnienie grubego białego dymu.

Aby ugasić pożar, potrzebujesz bardzo dużej ilości wody z lodem, ale lepiej jest użyć roztworu siarczanu miedzi. W celu uniknięcia ponownego zapłonu, już zgaszone palenisko powinno być dodatkowo wypełnione mokrym piaskiem.

Czerwony fosfor

Taka modyfikacja składa się z polimerycznych cząsteczek Pn _o różnych rozmiarach. Jest metastabilny i rentgenowski, bezpostaciowy, po ogrzaniu ulega sublimacji. Jego aktywność chemiczna jest słaba. Podobnie jak biały fosfor, forma ta jest utleniana w powietrzu, ale proces jest znacznie wolniejszy i samozapłon nie jest obserwowany, dopóki temperatura nie osiągnie 240 stopni, lub substancja jest poddawana tarciu. W obecności wilgoci czerwona postać zamienia się w tlenek, a następnie w kwas fosforowy. Z tego powodu jest on przechowywany w hermetycznym pojemniku, ale jeśli nastąpi konwersja, jest on przemywany wodą z resztek związków chemicznych fosforu i suszony.

Dwusiarczek węgla, podobnie jak woda, nie jest w stanie rozpuścić czerwonej modyfikacji, ale tribromek fosforu i topnik bizmutu lub ołowiu, z którego następnie powstaje fiolet P ₈ , mogą to zrobić.

Czerwony fosfor otrzymuje się przez ogrzewanie białego w atmosferze tlenku węgla w temperaturze 500 stopni Celsjusza. W zależności od stopnia zmiażdżenia, mogą występować różnice w kolorze od purpurowoczerwonego do ciemnofioletowego z metalicznym połyskiem. Proces może przebiegać w przeciwnym kierunku: jeśli przetłumaczysz czerwoną modyfikację na parę, a następnie ochłodzisz, zmieni się ona na biały.

Wykorzystanie czerwonego fosforu i jego związków jest szerokie. Przede wszystkim wynika to z faktu, że są one znacznie mniej toksyczne niż białe formy. Są używane do produkcji zapałek, ponieważ zapalają się od tarć.

Czarny i metaliczny fosfor

Ta modyfikacja może być mylona z grafitem, ponieważ ma wygląd czarnych błyszczących kryształów o metalicznym połysku i warstwowej strukturze. W dotyku są grube. Czarny fosfor składa się z ciągłych łańcuchów P _n . Jest chemicznie bierny, stabilny w powietrzu i nie rozpuszcza się w wodzie ani w związkach organicznych. Spala się tylko w atmosferze czystego tlenu. W tym przypadku przewodzi prąd elektryczny. Okazuje się, że czarny fosfor pochodzi z białego po podgrzaniu powyżej 200 stopni i pod ciśnieniem 13-20 tysięcy atmosfer. W metalu skręca na 820 tysięcy atmosfer.

Apatyt

Fosfor i jego związki tworzą prawie dwustu minerałów. Najbardziej znanym z nich jest apatyt. W naturze może wyglądać inaczej. Często jest podobny do berylu, diopside lub turmalinu. Z tego powodu nadali mu imię, które przetłumaczono z języka greckiego jako "oszustwo". Możesz odróżnić apatyt przy niższej twardości w porównaniu do innych minerałów i pryzmatyczny wygląd kryształów.

Istnieje kilka depozytów tego zasobu, największy w Rosji, reszta jest rozproszona w Brazylii, Meksyku, Ameryce, Chile i innych krajach. Zastosowanie to w przemyśle i rolnictwie. Działa jako składnik nawozu, ceramiki, szkła.

Ze względu na kruchość jubilerów rzadko korzystamy z tego kamienia, a zwykle jest on interesujący tylko dla kolekcjonerów. Największy apatyt dobrej jakości miał masę 147 karatów, ale zazwyczaj te minerały nie przekraczają 5-20 karatów.

Apatyt znajduje się również w organizmach żywych, gdzie tworzy część kości i zębów i może być odkładany w kamieniach nerkowych.

Stopień utlenienia fosforu

W związkach element wykazuje wartości dodatnie lub ujemne stan utleniania a dla prostej substancji P ₄ wynosi zero.

Ujemna liczba oksydacyjna -3 objawia się fosfiną i fosforem. Fosfor wykazuje dodatni stopień utlenienia w związkach:

• kwas podfosforawy i jego sole, fosfiniany (+1);
• kwas fosforowy i fosforyny (+3);
• bezwodnik kwasu fosforowego, pewna liczba halogenków, kwasu ortofosforowego (+5).

Są to tylko przykłady substancji zawierających fosfor. W rzeczywistości, wzory związków fosforu są znacznie większe, a pierwiastek może wykazywać w nich różne liczby utlenione, na przykład, istnieją halogenki, w których ich stan utlenienia wynosi 3. Każda z tych substancji ma swoje własne unikalne właściwości, które determinują ich zastosowanie przez ludzi.

Fosfina

PH ₃ to gazowy związek wodoru fosforu, zwany fosfiną lub monofosforanem. Jest słabo rozpuszczalny w wodzie, nie reaguje z alkaliami i hydratem amoniaku. Jest silnym czynnikiem redukującym, oddziałuje ze stężonymi kwasami, jodem, tlenem, nadtlenkiem wodoru, podchlorynem sodu. W tym związku stopień utleniania fosforu wynosi -3.

W czystej postaci substancja jest trująca, hamuje układ nerwowy i zaburza metabolizm. Jednocześnie jest bezbarwny i bezwonny. Próbki techniczne wydzielają zapach zepsutej ryby. Możesz pobrać je z różnych związków, na przykład:

• z difosfidu trójwapniowego, gdy reaguje z wodą (wymagane są katalizatory w postaci wodoru i difosfiny), rozcieńczone solnymi lub nieskoncentrowanymi kwasami ortofosforowymi;
• z białego fosforu w reakcji ze stężonym alkaliami i wodą (reakcja przebiega szybciej, gdy wrzący), lub z wodorem pod ciśnieniem i w temperaturze 300 - 360 stopni Celsjusza, lub z kwasem chlorowodorowym w 300 stopniach;
• z jodku fosfoniowego, gdy rozkłada się pod wpływem temperatury 80 stopni (reakcja odwrotna zachodzi po schłodzeniu do minus 20 stopni) lub gdy oddziałuje z wodą lub rozcieńczonym alkaliem;
• z kwasu fosfonowego, gdy rozkłada się w próżni w temperaturze 100 stopni, a następnie ogrzewa się do 200 stopni w obecności difosfiny lub w wyniku reakcji z atomowym wodorem otrzymanym w wyniku oddziaływania cynku z rozcieńczonym kwasem siarkowym.

Naturalna fosfina ulega samozapaleniu w powietrzu, co daje efekt "świateł wędrownych" w postaci kuli lub płomienia świecy. To rzadkie zjawisko można czasem zaobserwować na bagnach, polach lub cmentarzach.

Kwas podchlorawy

Związek fosforu o wzorze H (PH ₂ O ₂ ) jest również nazywany kwasem fosforowym lub podfosforawym. Wcześniej oznaczono go jako H3PO2, ale okazało się, że taka pisownia jest niepoprawna, ponieważ kwas jest jednozasadowy. Jest to związek, w którym stopień utlenienia fosforu wynosi 1.

Substancja ma biały kolor, jest nisko topliwa i rozkłada się nawet przy niskim ogrzewaniu. Inne jego właściwości to dobra rozpuszczalność w wodzie, zobojętnianie za pomocą alkaliów i wodzianu amoniaku oraz zdolność do działania jako silny środek redukujący po ogrzaniu w stężonym roztworze lub słabym utleniaczu.

Możesz go uzyskać na następujące sposoby:

• w wyniku reakcji białego fosforu ze stężonym wodorotlenkiem baru i wodą po ogrzaniu do 70 stopni Celsjusza, a następnie dodaniu rozcieńczonej zimnejgo kwasu siarkowego do otrzymanej soli;
• oddziaływanie fosfiny z wodą i jodem;
• dodanie wody kationowej do fosfinianu sodu.

Uzyskana substancja pozwala na tworzenie trwałych powłok metalowych do szkła, ceramiki lub tworzyw sztucznych, a jej sole są stosowane w przemyśle farmaceutycznym.

Kwas fosforowy

Inną nazwą związku fosforu o składzie H2 (PHO3) jest kwas fosfonowy. Podobnie jak w poprzednim przypadku błędna pisownia H ₃ PO ₃ była stosowana, ale została porzucona, ponieważ w roztworach wodnych kwas jest dwuzasadowy.

Stopień utlenienia fosforu w związku wynosi 3. Substancja ma biały kolor, rozkłada się po ogrzaniu, powoli utlenia się na powietrzu, rozpuszcza się w wodzie. Kwas jest słaby i łatwo neutralizowany przez alkalia, może działać jako słabo utleniający lub niezbyt mocny środek redukujący. Większość reakcji wymaga ogrzewania.

Istnieje wiele sposobów wytwarzania kwasu, na przykład:

• reakcja fosforu ze stężonym kwasem siarkowym lub selenowym (w tym drugim przypadku wymagana jest woda);
• utlenianie mokrego fosforu za pomocą tlenu (przyspieszenie reakcji wymaga podgrzania do 30-40 stopni);
• oddziaływanie fosfiny ze stężonym kwas siarkowy ;
• dodanie wody lub gazowego kwasu chlorowodorowego do sześciotlenku tetrafosforu (reakcja przebiegnie szybciej, gdy woda jest gorąca);
• oddziaływanie trójchlorku fosforu z wodą w temperaturze pokojowej (reakcję można prowadzić w temperaturze 0 stopni, ale w tym przypadku wymagany jest ciekły tetrachlorek węgla);
• reakcja trójjodku fosforu z wodą w atmosferze azotu.

Poniżej przedstawiono właściwości redukujące związku.

Dekatoksyd tetrofosforu

P ₄ O ₁₀ nazywany jest bezwodnikiem fosforowym. Może być w stanie amorficznym, szklistym lub krystalicznym, a jego kolor jest zawsze biały. Substancja krystaliczna ulega sublimacji po ogrzaniu, tak że zaczyna się topić, wymagane jest wytworzenie nadciśnienia, a następnie bezwodnik zamieni się w wysoce mobilną ciecz.

Jeśli obróbka termiczna będzie kontynuowana, nastąpi proces polimeryzacji, w wyniku czego krystaliczny dekaoksyd zamieni się w szklisty produkt (P205) _n po ochłodzeniu. Stopień utlenienia fosforu w związku p2o5, jak w P ₄ O _10, jest równy 5.

Inne możliwe reakcje chemiczne tego związku:

• interakcja z wodą i alkaliami, która charakteryzuje jej właściwości kwasowe;
• chlorowcowanie, mianowicie zastąpienie atomów tlenu fluorem, chlorem, bromem lub jodem;
• odzyskiwanie fosforu;
• tworzenie nadtlenokompleksów.

Jednak najważniejszą właściwością substancji jest jej zdolność do rozdzielania wody od cząsteczek związków organicznych (odwodnienie). Z tego powodu bezwodnik kwasu fosforowego jest szeroko stosowany jako środek suszący dla gazów i cieczy. Ponadto jest on stosowany w syntezie organicznej i jest produktem pośrednim w produkcji termicznej kwasu fosforowego.

Substancję można uzyskać na następujące sposoby:

• spalanie białego fosforu w powietrzu w temperaturze 34-60 stopni Celsjusza (można pobrać czerwoną wersję, ale w tym przypadku wymaga 240-400 stopni);
• oddziaływanie białego fosforu z chlorynem i rozcieńczonym wodorotlenkiem sodu w temperaturze 10-15 stopni;
• w wyniku reakcji czerwonego fosforu z chloranem potasu w temperaturze 50 stopni;
• przez utlenianie sześciotlenku tetrafosforu tlenem w temperaturze od 50 do 120 stopni.

Do produkcji przemysłowej najczęściej stosuje się pierwszą metodę. Proces technologiczny odbywa się w specjalnej komorze z wysuszonym powietrzem. Otrzymany dekaoksyd oczyszczono przez sublimację.

Pentafluorku fosforu

PF ₅ jest bezbarwnym gazem. W związku fosfor wykazuje stan utlenienia 5, który jest najbardziej charakterystyczny dla pierwiastka. Substancja wrze bez rozkładu, ale proces można rozpocząć od dalszego ogrzewania. Hydrolizuje się z wodą, reaguje z alkaliami, fluorowodorem i dwutlenkiem krzemu. Formuje fluorokompleksy.

Metody jego przygotowania są następujące:

• szybki rozkład czerwonego fosforu w temperaturze minus 60 stopni z fluorem przekraczającym argon jako katalizator;
• oddziaływanie pentachlorku fosforu z fluorkiem wapnia przy 300-400 stopniach lub z ciekłym fluorkiem arsenowym w temperaturze pokojowej.

Otrzymany związek stosuje się do wytwarzania fluorofosforanów, a także inhibitora korozji metalu.

Tak więc fosfor i jego związki mają ogromne znaczenie w przemyśle i są wykorzystywane w różnych gałęziach przemysłu.