Применение фосфора
Большая часть фосфора, получаемого в промышленности, расходуется на производство H3PO4. Красный фосфор используется при изготовлении спичек, а также в металлургии как добавка для получения различных сортов стали и сплавов.
При горении фосфора образуется густой белый дым, поэтому белым фосфором снабжают боеприпасы, предназначенные для образования дымовых завес.
Большое количество фосфора идет на производство фосфорорганических препаратов, к числу которых относятся эффективные инсектициды.
Оксиды фосфора
Взаимодействие фосфора с кислородом в зависимости от условий ведет к образованию различных продуктов. При сгорании фосфора в избытке кислорода (или воздуха) получается его высший оксид – фосфорный ангидрид P2O5.
4P + 5O2 2P2O5
Горение при недостатке кислорода (или воздуха) либо медленное окисление приводит к образованию фосфористого ангидрида P2O3
4P + 3O2 2P2O3
Оба этих оксида являются кислотными. При обычных условиях являются твердыми веществами и могут существовать в виде нескольких модификаций.
При окислении белого фосфора или его паров получаются димерные формы оксидов Р4О6 и P4O10, образование которых можно представить схемой:
Эти модификации легко возгоняются и активно взаимодействуют с H2O.
При окислении твердых образцов красного и черного фосфора могут образовываться более сложные полимерные формы оксидов. Однако в уравнениях химических реакций состав оксидов фосфора, как правило, отображают с помощью упрощенных формул P2O3 и P2O5.
Взаимодействуя с водой, P2O3 медленно образует фосфористую кислоту Н3PO3. Несмотря на наличие в ее молекуле трех атомов водорода, Н3PO3 в химическом плане ведет себя как двухосновная кислота средней силы. Строение ее можно отобразить следующей структурной формулой:
Фосфор(V)-оксид при взаимодействии с H2O в конечном итоге образует фосфорную кислоту Н3PO4. Но этот процесс является многостадийным и протекает вначале через образование промежуточных полифосфорных кислот.
В упрощенном виде его можно представить следующим образом:
(недостаток)
2) 2HPO3 + 2H2O = 2H3PO4 ортофосфорная кислота
суммарное 3H2O + P2O5 = 2H3PO4
уравнение
Метафосфорная кислота НPO3
в чистом виде не выделена так же, как и ее соли. Может существовать только в полимерной форме (НPO3)n.
Рассмотрим более подробно гидратацию димерной модификации фосфорного ангидрида P4O10.
На первой стадии этого процесса образуется тетраметафосфорная кислота (НPO3)4
P4O10 + 2H2O = (НPO3)4
При дальнейшей гидратации тетраметафосфорная кислота превращается в тетрафосфорную:
(НPO3)4 + H2O → Н6P4O13
Далее происходит последовательное отщепление молекул Н3PO4 с образованием сперва трифосфорной (Н5P3O10), затем – ди- или пирофосфорной (Н4P2O7) и в конечном итоге – только ортофосфорной кислоты (Н3PO4):
Н6P4O13 + 3H2O = 4Н3PO4
Гидратация полимерных модификаций P2O5 протекает сложнее, через образование других полифосфорных кислот, но в результате тоже образуется Н3PO4.
При обычных условиях взаимодействие фосфор(V)-оксида с H2O протекает медленно, но при нагревании эти процессы ускоряются и в избытке H2O очень быстро образуется Н3PO4.
Фосфор(V)-оксид обладает всеми свойствами кислотных оксидов.
При нагревании он взаимодействует с основными оксидами с образованием солей фосфорной кислоты:
P2O5 + 3Na2O 2Na3PO4
P2O5 + 3ZnO Zn3(PO4)2
Аналогично протекает реакция и при взаимодействии с твердыми основаниями:
3Mg(OH)2 + P2O5 Mg3(PO4)2 + 3H2O
3Cu(OH)2 + P2O5 Cu3(PO4)2 + 3H2O
С водными растворами щелочей фосфор(V)-оксид реагирует в несколько стадий:
P2O5 + 3H2O 2H3PO4
H3PO4 + NaOH = NaH2PO4 + H2O
NaH2PO4 + NaOH = Na2HPO4 + H2O
Na2HPO4 + NaOH = Na3PO4 + H2O
суммарное 6NaOH + P2O5 = 2Na3PO4 + 3H2O
уравнение
Для раствора Сa(OH)2 эта реакция будет выглядеть следующим образом:
P2O5 + 3H2O 2H3PO4
2H3PO4 + Ca(OH)2 = Ca(H2PO4)2 + 2H2O
Ca(H2PO4)2 + Ca(OH)2 = 2CaHPO4 + 2H2O
2CaHPO4 + Ca(OH)2 = Ca3(PO4)2 + 2H2O
суммарное P2O5 + 3Ca(OH)2 = Ca3(PO4)2 + 3H2O
уравнение р-р
В окислительно-восстановительных реакциях P2O5 может выступать только в роли окислителя. Но так как соединения P со степенью окисления +5 являются наиболее устойчивыми, то эти реакции для него будут мало характерными.
Фосфорный ангидрид обладает сильными гигроскопическими свойствами, его используют для сушки газов и органических жидкостей. Он может даже отнимать химически связанную воду у различных веществ, например, превращает HNO3 в N2O5 и даже H2SO4 в SO3.
H2SO4 + P2O5 = 2 НPO3 + SO3
2НNO3 + P2O5 = 2НPO3 + N2O5
В связи с этим в качестве сильного дегидратирующего средства P2O5 широко используют в органическом синтезе.