Кислоты фосфора с разными степенями окисления

9 заданий

Строение и основность

Кислоты фосфора различаются числом атомов водорода, которые могут замещаться катионами металлов при образовании солей. Это число называют основностью кислоты. Чтобы определить его, нужно рассмотреть строение кислоты: кислотными являются атомы водорода в группах P–OH, тогда как атомы водорода, связанные непосредственно с фосфором, в воде не отщепляются. Связь P–H почти неполярна.

Во всех рассматриваемых кислотах атом фосфора находится в тетраэдрическом окружении. В фосфорноватой кислоте два таких тетраэдра соединены связью P–P. Строение кислот, степени окисления фосфора и состав солей сопоставлены в таблице.

Кислота	Строение	Степень окисления P	Основность	Соли
Фосфорноватистая кислота \(\ce{H3PO2}\)	\(\ce{H2P(O)OH}\)	+1	Одноосновная.	Образуются гипофосфиты, например \(\ce{NaH2PO2}\).
Фосфористая кислота \(\ce{H3PO3}\)	\(\ce{HP(O)(OH)2}\)	+3	Двухосновная.	Образуются фосфиты, например \(\ce{Na2HPO3}\).
Фосфорноватая кислота \(\ce{H4P2O6}\)	\(\ce{(HO)2P(O)-P(O)(OH)2}\)	+4	Четырёхосновная.	Образуются гипофосфаты.
Ортофосфорная кислота \(\ce{H3PO4}\)	\(\ce{P(O)(OH)3}\)	+5	Трёхосновная.	Образуются фосфаты.

boltКак проверить формулу соли

Соль состава \(\ce{Na3PO3}\) не существует: у фосфористой кислоты только два кислотных атома водорода. Её средняя соль — \(\ce{Na2HPO3}\); оставшийся водород связан с фосфором. По той же причине \(\ce{NaH2PO2}\) является средней солью одноосновной фосфорноватистой кислоты, хотя в формуле соли сохраняются два атома водорода.

Различие в основности проявляется в реакциях со щёлочью. Получить фосфористую и фосфорноватистую кислоты можно также из соединений, указанных в следующих уравнениях.

scienceКислоты фосфора в реакциях

\(\ce{H3PO3 + 2NaOH -> Na2HPO3 + 2H2O}\) — при взаимодействии фосфористой кислоты с двумя эквивалентами щёлочи образуется её средняя соль; большего количества щёлочи кислота не нейтрализует.
\(\ce{H3PO2 + NaOH -> NaH2PO2 + H2O}\) — при нейтрализации фосфорноватистой кислоты образуется гипофосфит натрия.
\(\ce{PCl3 + 3H2O -> H3PO3 + 3HCl}\) — при взаимодействии хлорида фосфора(III) с водой образуется фосфористая кислота.
\(\ce{Ba(H2PO2)2 + H2SO4 -> BaSO4 v + 2H3PO2}\) — при взаимодействии гипофосфита бария с серной кислотой образуется фосфорноватистая кислота и выпадает осадок сульфата бария.

Восстановительные свойства

Строение кислот помогает понять и их окислительно-восстановительные свойства. Фосфорноватистая и фосфористая кислоты содержат связи P–H, а фосфор в них имеет низкие степени окисления. Поэтому обе кислоты являются восстановителями; особенно сильные восстановительные свойства проявляет фосфорноватистая кислота. В следующих реакциях фосфор окисляется, а ионы металлов восстанавливаются.

scienceВосстановление металлов

\(\ce{H3PO3 + 2AgNO3 + H2O -> H3PO4 + 2Ag v + 2HNO3}\) — фосфористая кислота восстанавливает серебро из нитрата серебра до металла и окисляется до фосфорной кислоты.
\(\ce{H3PO3 + 2HgCl2 + H2O -> H3PO4 + Hg2Cl2 v + 2HCl}\) — фосфористая кислота восстанавливает хлорид ртути до белого осадка каломели; при избытке кислоты восстановление продолжается с образованием чёрной мелкодисперсной ртути.
\(\ce{NaH2PO2 + 2NiCl2 + 2H2O -> NaH2PO4 + 2Ni v + 4HCl}\) — в упрощённой схеме гипофосфит натрия восстанавливает никель из его соли без электрического тока; эту реакцию используют при химическом никелировании пластмасс и металлов.
\(\ce{H3PO2 + 2CuSO4 + 2H2O -> H3PO4 + 2Cu + 2H2SO4}\) — фосфорноватистая кислота восстанавливает медь из сульфата меди до металла.

auto_awesomeХимическое никелирование

В растворе соли никеля и гипофосфита натрия на подготовленной поверхности осаждается ровный слой сплава никеля с фосфором. Покрытие можно получить и на пластике, если предварительно активировать его поверхность палладием. Слой имеет одинаковую толщину на выступах и во впадинах, поэтому таким способом покрывают детали сложной формы, жёсткие диски компьютеров и пресс-формы.

boltСколько электронов

При превращении \(\ce{H3PO2 -> H3PO4}\) степень окисления фосфора меняется с +1 до +5: атом фосфора отдаёт 4 электрона. При превращении \(\ce{H3PO3 -> H3PO4}\) она меняется с +3 до +5, поэтому атом фосфора отдаёт 2 электрона. Следовательно, при окислении до фосфорной кислоты один моль гипофосфита может восстановить вдвое больше серебра, чем один моль фосфита.

Диспропорционирование при нагревании

При нагревании кислоты фосфора с низкими степенями окисления могут одновременно выступать восстановителем и окислителем. В результате часть атомов фосфора окисляется до степени окисления +5, а другая часть восстанавливается до фосфина, в котором фосфор имеет степень окисления (\(-3\)). Такие реакции называют диспропорционированием. При нагревании гипофосфита также выделяется фосфин.

scienceДиспропорционирование

\(\ce{4H3PO3 ->[200 °C] 3H3PO4 + PH3 ^}\) — при нагревании фосфористая кислота превращается в фосфорную кислоту и фосфин.
\(\ce{2H3PO2 ->[t] H3PO4 + PH3 ^}\) — при нагревании фосфорноватистая кислота превращается в фосфорную кислоту и фосфин.
\(\ce{2NaH2PO2 ->[t] Na2HPO4 + PH3 ^}\) — при нагревании гипофосфита натрия выделяется опасный фосфин.
\(\ce{P4O6 + 6H2O ->[t] 3H3PO4 + PH3}\) — при взаимодействии оксида фосфора(III) с горячей водой образуются фосфорная кислота и фосфин.

boltПроверка диспропорционирования электронами

В уравнении с \(\ce{4H3PO3}\) три атома фосфора переходят из степени окисления \(+3 \to +5\) и отдают \(3\cdot2 = 6\) e. Четвёртый атом фосфора переходит из степени окисления \(+3 \to -3\) и принимает 6 e. Число отданных электронов равно числу принятых, поэтому электронный баланс соблюдён.

auto_awesomeФосфористая кислота на поле

Фосфиты, то есть соли фосфористой кислоты, продают как «фосфорные удобрения», хотя растения почти не используют фосфор(+3). При этом фосфиты являются эффективными фунгицидами и подавляют фитофтору. Поэтому фосфиты важно отличать от фосфатов: степень окисления фосфора влияет на их применение.

push_pinГлавное

Основность кислот фосфора определяется числом групп P–OH: \(\ce{H3PO2}\) = \(\ce{H2PO(OH)}\) (P +1) является одноосновной кислотой, \(\ce{H3PO3}\) = \(\ce{HPO(OH)2}\) (P +3) — двухосновной, \(\ce{H3PO4}\) (P +5) — трёхосновной, а \(\ce{H4P2O6}\) (P +4, связь P–P) — четырёхосновной. Кислоты \(\ce{H3PO2}\) и \(\ce{H3PO3}\) содержат связи P–H и проявляют восстановительные свойства: в рассмотренных реакциях из солей выделяются серебро, ртуть, медь и никель. При нагревании обе кислоты диспропорционируют с образованием фосфина: \(\ce{4H3PO3 -> 3H3PO4 + PH3}\), \(\ce{2H3PO2 -> H3PO4 + PH3}\).

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