Строение, аллотропия, получение и свойства фосфора

Белый фосфор светится и самовоспламеняется, красный — нет. Разница только в строении.

1. Общая характеристика и строение

В основном состоянии атом фосфора содержит 3 неспаренных электрона и одну неподеленную пару, благодаря чему он может образовывать 3 связи. Однако из-за наличия вакантной 3d-орбитали атом переходит в возбужденное состояние (распаривая 3s-электроны). Таким образом, валентность фосфора может быть III и V (в отличие от азота, где валентность V невозможна).

Нахождение в природе: В свободном виде фосфор в природе из-за высокой активности не встречается. Только в виде соединений: апатиты, фосфориты (основа — Ca₃(PO₄)₂). Также фосфор — важнейший элемент живых клеток (ДНК, фосфолипиды, кости).

Вопрос 1: Исключительность фосфора по сравнению с азотом

Проверка

Какую максимальную валентность может проявлять фосфор? Почему он способен ее проявлять, в отличие от азота?

Ответ: Фосфор имеет валентность V. У него, в отличие от азота, на внешнем 3-м слое есть пустой 3d-подуровень, куда при возбуждении "перепрыгивает" один s-электрон.

2. Аллотропные модификации

Для фосфора известно несколько аллотропных модификаций, резко отличающихся друг от друга.

Белый фосфор (P₄)

Самая активная форма

Мягкое, как воск, бесцветное, ядовитое вещество с чесночным запахом. Молекулярная кристаллическая решетка. Самовоспламеняется на воздухе и светится в темноте (хемилюминесценция). Хранят под слоем воды.

Красный фосфор (P_n)

Используется в спичках

Полимер с атомной кристаллической решеткой. Твердый порошок красно-бурого цвета, не ядовитый, без запаха. В темноте не светится. Наносится на терки спичечных коробков (смешан с толченым стеклом). Горит только при нагреве.

Черный фосфор (P_n)

Наиболее стабильная форма

Термодинамически самая устойчивая и химически наименее активная модификация. Имеет слоистую структуру, напоминающую графит. Обладает металлическим блеском, жирный на ощупь и проводит электрический ток (полупроводник).

Вопрос 1: Аллотропные модификации

Проверка

Какая аллотропная модификация фосфора является самой химически активной, светится в темноте и хранится под водой?

Ответ: Белый фосфор ($P_4$). Он самовоспламеняется на воздухе и крайне ядовит.

3. Получение фосфора

В промышленности фосфор получают из природных фосфатов (обычно Ca₃(PO₄)₂), прокаливая их с коксом (С) и песком (SiO₂) в электрической печи.

Метод получения	Уравнение реакции
Восстановление из фосфатов Промышленный процесс	Ca₃(PO₄)₂ + 3SiO₂ + 5C t°→ 3CaSiO₃ + 5CO + 2P Полученный пар конденсируется в белый фосфор.
Из метафосфорной кислоты	4HPO₃ + 10C t°→ P₄ + 2H₂O + 10CO

Вопрос 1: Получение фосфора

Проверка

В промышленности фосфор получают нагреванием фосфата кальция с песком (оксидом кремния) и коксом. Напишите уравнение реакции.

Ответ: $Ca_3(PO_4)_2 + 5C + 3SiO_2 \xrightarrow{t^\circ} 3CaSiO_3 + 2P\uparrow + 5CO\uparrow$

4. Химические свойства фосфора

Обратите внимание:

Фосфор напрямую НЕ реагирует с водородом! Фосфин (PH₃) получают косвенным путем из фосфидов или диспропорционированием фосфора в щелочи.

Реагенты	Свойства и уравнения реакций
С кислородом Фосфор - восстановитель	Фосфор горит выделяя огромное количество тепла и густой белый дым (состоящий из мелких твердых частиц оксида). Белый фосфор самовоспламеняется на воздухе за счет медленного окисления, красный требует поджигания. При недостатке кислорода образуется оксид фосфора (III), а при избытке (или на открытом воздухе) — оксид фосфора (V): 4P + 3O₂ (нед) t°→ 2P₂O₃ 4P + 5O₂ (изб) t°→ 2P₂O₅
С галогенами и серой	С фтором, хлором, бромом: 2P + 3Cl₂ (нед) → 2PCl₃ 2P + 5Cl₂ (изб) → 2PCl₅ С серой: 2P + 3S t°→ P₂S₃ 2P + 5S t°→ P₂S₅
С металлами Фосфор - окислитель (-3)	С активными металлами образует фосфиды: 2P + 3Ca t°→ Ca₃P₂ P + 3Na t°→ Na₃P
Диспропорционирование В щелочах	При растворении в горячей щелочи фосфор самовостанавливается до PH₃ и самоокисляется до гипофосфита (+1): 4P + 3KOH + 3H₂O t°→ 3KH₂PO₂ + PH₃↑
С сильными окислителями HNO₃, H₂SO₄, KClO₃	Сильные кислоты-окислители (концентрированные азотная и серная, а также разбавленная азотная) переводят фосфор в высшую степень окисления (+5), образуя ортофосфорную кислоту. Обратите внимание на выделяющиеся газы: бурый NO₂ для концентрированной HNO₃ и бесцветный NO для разбавленной: P + 5HNO₃_(к) t°→ H₃PO₄ + 5NO₂↑ + H₂O 3P + 5HNO₃_(р) + 2H₂O → 3H₃PO₄ + 5NO↑ 2P + 5H₂SO₄_(к) t°→ 2H₃PO₄ + 5SO₂↑ + 2H₂O Твердые окислители, такие как бертолетова соль (KClO₃), реагируют со взрывом при трении. Эта реакция лежит в основе зажигания спичек (красный фосфор находится на терке коробка): 6P + 5KClO₃ t°→ 3P₂O₅ + 5KCl Также фосфор может служить восстановителем для оксидов слабых металлов (серебра, меди): 2P + 5Ag₂O t°→ P₂O₅ + 10Ag

Вопрос 1: Химические свойства фосфора (Уравнения)

Проверка

Допишите уравнения химических реакций:

$P + Cl_2(изб) \rightarrow \dots$
$P + O_2(недост) \rightarrow \dots$
$P + O_2(изб) \rightarrow \dots$
$P + Ca \xrightarrow{t^\circ} \dots$
$P + HNO_3(конц.) + H_2O \rightarrow \dots + \dots\uparrow$

Ответ:

$2P + 5Cl_2(изб) \rightarrow 2PCl_5$
$4P + 3O_2(недост) \rightarrow 2P_2O_3$
$4P + 5O_2(изб) \rightarrow 2P_2O_5$
$2P + 3Ca \xrightarrow{t^\circ} Ca_3P_2$ (фосфид кальция)
$3P + 5HNO_3(конц.) + 2H_2O \rightarrow 3H_3PO_4 + 5NO\uparrow$ (фосфор окисляется кислотами-окислителями до ортофосфорной кислоты)