Фосфор и фосфиды — Неорганическая химия для олимпиад

Фосфор и фосфиды

9 заданий

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.

СвойствоБелый фосфорКрасный фосфорЧёрный фосфор
СтроениеСостоит из молекул \(\ce{P4}\).Состоит из полимерных цепей.Состоит из гофрированных слоёв.
Температура воспламенения≈ 40 °C≈ 260 °CТрудно воспламеняется.
ЯдовитостьСильно ядовит: ≈ 0,1 г может вызвать смертельное отравление.Малоядовит.Малоядовит.
СвечениеСветится при окислении паров.Не светится.Не светится.
ХранениеХранят 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:

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

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

  1. \(\ce{P4 + 5O2 -> P4O10}\) — при горении фосфора в избытке кислорода образуется густой белый дым.
  2. \(\ce{P4 + 3O2 -> P4O6}\) — при недостатке кислорода образуется другой оксид фосфора.
  3. \(\ce{2P + 3Cl2 -> 2PCl3}\); \(\ce{2P + 5Cl2 -> 2PCl5}\) — в зависимости от количества хлора образуются разные хлориды фосфора.
  4. \(\ce{P4 + 3NaOH + 3H2O -> PH3 ^ + 3NaH2PO2}\) — при реакции фосфора со щёлочью выделяется фосфин и образуется гипофосфит натрия.
  5. \(\ce{P + 5HNO3 (конц) -> H3PO4 + 5NO2 + H2O}\) — 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 %.

Неорганическая химия для олимпиад · репетитор-кузьмин.рф
© 2026. Программа — авторская, по официальным комплектам ВсОШ, «Высшей пробы», «Ломоносова» и программе IChO; последовательность уроков и критерии перехода — методика курса.