Фосфор и фосфиды

9 заданий

Аллотропия фосфора

history_eduФосфор из мочи

В 1669 году гамбургский алхимик Хенниг Бранд, искавший философский камень, выпарил десятки литров мочи и прокалил остаток. Получилось вещество, светившееся в темноте, — «холодный огонь», phosphorus («несущий свет»). Это первый элемент, открытие которого связано с известным человеком и датой. Около ста лет фосфор получали только из мочи, пока Шееле не извлёк его из костей (1769).

	Белый	Красный	Чёрный
строение	молекулы \(\ce{P4}\)	полимерные цепи	гофрированные слои
т. воспламенения	≈ 40 °C	≈ 260 °C	не горит легко
ядовитость	сильно ядовит (≈ 0,1 г)	малоядовит	малоядовит
свечение	светится (окисление паров)	нет	нет
хранение	под водой	на воздухе	на воздухе

Молекула \(\ce{P4}\) — тетраэдр с углами 60° вместо «естественных» ~100°: связи напряжены и легко рвутся. При нагревании без воздуха (250–300 °C) белый фосфор превращается в красный; под давлением 12 000 атм — в чёрный.

auto_awesomeХемилюминесценция

Свечение белого фосфора — не радиоактивность и не фосфоресценция, а хемилюминесценция: пары \(\ce{P4}\) медленно окисляются, и часть энергии выделяется светом. Словом «фосфоресценция» называют совсем другое явление, по иронии — не связанное с фосфором.

infoФосфорен

Отдельный слой чёрного фосфора — фосфорен (2014) — двумерный полупроводник, аналог графена с запрещённой зоной, перспективный для электроники.

Получение фосфора

Фосфор получают в электропечах при 1400–1500 °C:

\[\ce{Ca3(PO4)2 + 3SiO2 + 5C ->[t] 3CaSiO3 + 2P + 5CO}\]

Кремнезём — кислотный нелетучий оксид — связывает кальций в шлак и вытесняет фосфорный ангидрид; уголь восстанавливает фосфор(+5). Пары фосфора (\(\ce{P4}\)) конденсируют под водой. Процесс энергоёмок: около 13 МВт·ч на тонну фосфора.

boltРоль каждого компонента

\(\ce{SiO2}\) — «кислота» при высокой температуре (урок 100: нелетучий оксид вытесняет летучий), C — восстановитель, электропечь — высокая температура. Без кремнезёма реакция шла бы при гораздо более высокой температуре.

auto_awesomeФосфор и спички

Первые спички (1830-е) с белым фосфором зажигались о любую поверхность, но работницы спичечных фабрик массово болели «фосфорным некрозом» челюсти. Шведские «безопасные» спички (1855) перенесли красный фосфор на коробок (урок 109). Белый фосфор в спичках запрещён Бернской конвенцией 1906 года — одним из первых международных соглашений об охране труда.

scienceФосфор в реакциях

\(\ce{P4 + 5O2 -> P4O10}\) — горение в избытке кислорода (густой белый дым).
\(\ce{P4 + 3O2 -> P4O6}\) — при недостатке кислорода.
\(\ce{2P + 3Cl2 -> 2PCl3}\); \(\ce{2P + 5Cl2 -> 2PCl5}\).
\(\ce{P4 + 3NaOH + 3H2O -> PH3 ^ + 3NaH2PO2}\) — диспропорционирование в щёлочи.
\(\ce{P + 5HNO3 (конц) -> H3PO4 + 5NO2 + H2O}\).

Фосфиды

С активными металлами фосфор образует фосфиды: \(\ce{3Ca + 2P ->[t] Ca3P2}\), \(\ce{3Zn + 2P ->[t] Zn3P2}\). Ионные фосфиды гидролизуются водой и кислотами с выделением фосфина: \(\ce{Ca3P2 + 6H2O -> 3Ca(OH)2 + 2PH3 ^}\); \(\ce{Zn3P2 + 6HCl -> 3ZnCl2 + 2PH3 ^}\).

Фосфиды переходных металлов (\(\ce{Fe2P}\), \(\ce{Ni2P}\)) — металлоподобные, стойкие к воде; фосфиды галлия и индия (\(\ce{GaP}\), \(\ce{InP}\)) — полупроводники для светодиодов и лазеров.

errorФосфид цинка

\(\ce{Zn3P2}\) — родентицид: в желудке грызуна кислота выделяет фосфин. По той же причине фосфиды алюминия и магния применяют для фумигации зерна. Отравления людей фосфином из фосфидов, к сожалению, случаются.

boltГаз из фосфида

Каждый атом фосфора фосфида даёт одну молекулу \(\ce{PH3}\) — так же, как каждый атом азота нитрида даёт \(\ce{NH3}\) (урок 125).

push_pinГлавное

Белый фосфор — молекулы \(\ce{P4}\) (тетраэдр, углы 60°, напряжённые связи): ядовит, светится в темноте, самовоспламеняется около 40 °C, хранится под водой. Красный — полимер, устойчив, неядовит (спички). Чёрный — слоистый, как графит, полупроводник. Фосфор получают восстановлением фосфорита углём с кремнезёмом в электропечи. С кислородом — \(\ce{P4O6}\) или \(\ce{P4O10}\), с хлором — \(\ce{PCl3}\) или \(\ce{PCl5}\), с металлами — фосфиды (гидролиз даёт \(\ce{PH3}\)), в щёлочи диспропорционирует.

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.