Фосфор и фосфиды
Аллотропия фосфора
Фосфор образует несколько простых веществ, которые различаются строением и свойствами. Такие формы одного элемента называют аллотропными модификациями. Первой из них человеку стала известна форма, способная светиться в темноте.
history_eduФосфор из мочи
В 1669 году гамбургский алхимик Хенниг Бранд, искавший философский камень, выпарил десятки литров мочи и прокалил остаток. Он получил светящееся в темноте вещество, которое назвали «холодным огнём» и phosphorus — «несущим свет». Фосфор считают первым элементом, для открытия которого известны имя первооткрывателя и год. Около ста лет фосфор получали только из мочи, пока Шееле не извлёк его из костей (1769).
Белый, красный и чёрный фосфор состоят из атомов одного элемента, но эти атомы соединены по-разному. Поэтому модификации неодинаково легко воспламеняются, различаются по ядовитости и требуют разных условий хранения.
| Свойство | Белый фосфор | Красный фосфор | Чёрный фосфор |
|---|---|---|---|
| Строение | Состоит из молекул \(\ce{P4}\). | Состоит из полимерных цепей. | Состоит из гофрированных слоёв. |
| Температура воспламенения | ≈ 40 °C | ≈ 260 °C | Трудно воспламеняется. |
| Ядовитость | Сильно ядовит: ≈ 0,1 г может вызвать смертельное отравление. | Малоядовит. | Малоядовит. |
| Свечение | Светится при окислении паров. | Не светится. | Не светится. |
| Хранение | Хранят под водой. | Хранят на воздухе. | Хранят на воздухе. |
Высокая реакционная способность белого фосфора связана со строением его молекулы. Молекула \(\ce{P4}\) имеет форму тетраэдра: углы между связями составляют 60° вместо более благоприятных ~100°. Поэтому связи напряжены и сравнительно легко разрываются. При нагревании без воздуха (250–300 °C) белый фосфор превращается в красный, а под давлением 12 000 атм — в чёрный.
auto_awesomeХемилюминесценция
Свечение белого фосфора вызвано не радиоактивностью и не фосфоресценцией. Пары \(\ce{P4}\) медленно окисляются, и часть энергии реакции выделяется в виде света; такое свечение называют хемилюминесценцией. Словом «фосфоресценция» называют совсем другое явление, не связанное с фосфором.
infoФосфорен
В 2014 году был получен фосфорен — отдельный слой чёрного фосфора. Это двумерный полупроводник, аналог графена с запрещённой зоной, перспективный для электроники.
Получение фосфора
В промышленности фосфор получают из фосфорита в электропечах при 1400–1500 °C. В печь вместе с фосфатом поступают кремнезём и уголь:
Кремнезём, кислотный нелетучий оксид, связывает кальций в составе шлака. Его роль можно также описать как вытеснение фосфорного ангидрида из фосфата. Уголь восстанавливает фосфор со степенью окисления +5. Образующиеся пары фосфора (\(\ce{P4}\)) конденсируют под водой. Процесс энергоёмок: на тонну фосфора расходуется около 13 МВт·ч.
boltРоль каждого компонента
При высокой температуре \(\ce{SiO2}\) действует как кислотный оксид: согласно правилу из урока 100, нелетучий оксид вытесняет летучий. Углерод C служит восстановителем, а электропечь обеспечивает необходимую температуру. Без кремнезёма реакция шла бы при гораздо более высокой температуре.
Полученный фосфор применяли, в частности, при изготовлении спичек. История их производства показывает, почему свойства аллотропных модификаций имеют практическое значение.
auto_awesomeФосфор и спички
Первые спички (1830-е) содержали белый фосфор и зажигались при трении о любую поверхность. Однако работницы спичечных фабрик массово болели «фосфорным некрозом» челюсти. В шведских «безопасных» спичках (1855) красный фосфор перенесли на коробок (урок 109). Применение белого фосфора в спичках запретила Бернская конвенция 1906 года — одно из первых международных соглашений об охране труда.
Химические свойства фосфора проявляются в реакциях с кислородом, хлором, щёлочью и концентрированной азотной кислотой. Состав продукта горения зависит от количества кислорода, а состав хлорида — от количества хлора. В реакции со щёлочью фосфор одновременно окисляется и восстанавливается; такую реакцию называют диспропорционированием.
scienceФосфор в реакциях
- \(\ce{P4 + 5O2 -> P4O10}\) — при горении фосфора в избытке кислорода образуется густой белый дым.
- \(\ce{P4 + 3O2 -> P4O6}\) — при недостатке кислорода образуется другой оксид фосфора.
- \(\ce{2P + 3Cl2 -> 2PCl3}\); \(\ce{2P + 5Cl2 -> 2PCl5}\) — в зависимости от количества хлора образуются разные хлориды фосфора.
- \(\ce{P4 + 3NaOH + 3H2O -> PH3 ^ + 3NaH2PO2}\) — при реакции фосфора со щёлочью выделяется фосфин и образуется гипофосфит натрия.
- \(\ce{P + 5HNO3 (конц) -> H3PO4 + 5NO2 + H2O}\) — концентрированная азотная кислота окисляет фосфор до фосфорной кислоты.
Фосфиды
В реакциях с активными металлами фосфор образует фосфиды: \(\ce{3Ca + 2P ->[t] Ca3P2}\), \(\ce{3Zn + 2P ->[t] Zn3P2}\). Некоторые фосфиды при взаимодействии с водой или кислотами выделяют фосфин. Ионные фосфиды разлагаются водой и кислотами с выделением фосфина: \(\ce{Ca3P2 + 6H2O -> 3Ca(OH)2 + 2PH3 ^}\); \(\ce{Zn3P2 + 6HCl -> 3ZnCl2 + 2PH3 ^}\).
Не все фосфиды реагируют с водой подобным образом. Фосфиды переходных металлов (\(\ce{Fe2P}\), \(\ce{Ni2P}\)) металлоподобны и стойки к воде. Фосфиды галлия и индия (\(\ce{GaP}\), \(\ce{InP}\)) являются полупроводниками, которые используют для светодиодов и лазеров.
errorФосфид цинка
\(\ce{Zn3P2}\) применяют как родентицид: в желудке грызуна кислота вызывает выделение фосфина. По той же причине фосфиды алюминия и магния используют для фумигации зерна. Отравления людей фосфином, выделившимся из фосфидов, к сожалению, случаются.
boltГаз из фосфида
Если при реакции фосфида образуется фосфин, каждому атому фосфора в исходном фосфиде соответствует одна молекула \(\ce{PH3}\). Аналогично каждый атом азота нитрида даёт одну молекулу \(\ce{NH3}\) (урок 125).
push_pinГлавное
Белый фосфор состоит из молекул \(\ce{P4}\): напряжённые связи в тетраэдре с углами 60° объясняют его высокую реакционную способность. Он ядовит, светится в темноте, самовоспламеняется около 40 °C и хранится под водой. Красный фосфор имеет полимерное строение, более устойчив, малоядовит и применяется в спичках. Чёрный фосфор обладает слоистым строением, подобным строению графита, и является полупроводником. Фосфор получают, прокаливая в электропечи фосфорит с углём и кремнезёмом. При реакции с кислородом образуются \(\ce{P4O6}\) или \(\ce{P4O10}\), с хлором — \(\ce{PCl3}\) или \(\ce{PCl5}\), а с металлами — фосфиды, из которых при взаимодействии с водой или кислотами может выделяться \(\ce{PH3}\). В щёлочи фосфор диспропорционирует.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.