Оксид фосфора: получение и взаимодействие

Оксид фосфора и кислоты, возникающие при его растворении в воде, — ценное сырье для химической промышленности. Простое вещество горит в кислороде с образованием белого дыма — так получают оксид в лаборатории. Продукт реакции используется в современных отраслях производственной деятельности как сырье для получения термическим методом различных фосфорных кислот. Затем эти вещества используются при выпуске комплексных и сложных минеральных удобрений (туков).

Элемент № 15

Фосфор — элемент 15-й группы длинного варианта периодической таблицы. Прежняя классификация отводила ему место в главной подгруппе пятой группы. Химический знак — Р — это первая буква латинского названия Phosphorus. Другие важные характеристики:

• относительная атомная масса — 31;
• заряд ядра — +15;
• электронов — 15;
• валентных электронов — 5;
• неметаллический элемент.

Фосфору требуется 3 электрона для завершения внешней электронной оболочки, ее октета. В химических реакциях с металлами элемент принимает электроны и достраивает свой валентный слой. В этом случае он восстанавливается, является окислителем. При взаимодействии с более сильными неметаллами фосфор отдает несколько или все валентные электроны, тоже получая завершенное строение внешнего уровня. Эти изменения связаны с активными восстановительно-окислительными свойствами элемента. Например, атомы в составе простого вещества окисляются при горении на воздухе или в кислороде. Могут получиться два рода соединений — оксид фосфора трех- или пятивалентного. Какой продукт будет преобладать, зависит от условий проведения реакции. Типичная валентность, проявляемая фосфором в его соединениях, составляет III(-), III(+), V(+).

«Элемент жизни и мысли»

Выдающийся российский геохимик Е. Ферсман одним из первых обратил внимание на богатое содержание в организме человека атомов фосфора. Они входят в состав важнейших органов, клеточных структур и веществ: костной системы, зубов, нервной ткани, белков и аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Признанием «заслуг» в живой природе стала знаменитая фраза академика Ферсмана, что Phosphorus — «элемент жизни и мысли».

Фосфор также широко распространен в составе земной коры. В свободном виде атомы Р не встречаются, ведь они легко окисляются — вступают во взаимодействие с кислородом, в результате чего получается оксид фосфора (Р₂О₅). Существует несколько аллотропных видоизменений элемента, которые объединяются в три группы — белый, красный и черный. Кристаллическая решетка белого фосфора образована молекулами Р₄. Лабораторные опыты в образовательных учреждениях обычно проводят с красной модификацией. Она неядовитая, в отличие от белой разновидности.

Получение и свойства трехвалентного оксида фосфора

Если сжигание простого вещества производится при недостатке воздуха, то получается фосфористый ангидрид (Р₂О₃ — его формула). Оксид фосфора (III) — так звучит современное название вещества. Это белый кристаллический порошок, который плавится уже при 24 °С, то есть является неустойчивым при нагревании. При низких температурах составу трехвалентного оксида соответствует формула Р₄О₆. Соединение медленно растворяется в воде с образованием фосфористой кислоты Н₃РО₃. Она тоже является менее стойкой, чем соединения пятивалентного фосфора.

Название «ангидрид фосфористой кислоты» отражает химическое свойство — способность оксида при гидратации давать начало молекулам кислоты. Теряя электроны, атомы Р в составе трехвалентных соединений окисляются до устойчивого пятивалентного состояния. Фосфористый ангидрид и соответствующая ему кислота являются сильными восстановителями (отдают валентные электроны).

Оксид фосфора (V). Лабораторный способ получения

Образование фосфорного ангидрида происходит при сгорании (окислении) красного или белого фосфора. Реакцию можно проводить в чистом кислороде либо сжигать реагент в воздухе. После прекращения процесса горения, проходящего с выделением белого дыма, в осадке получаем рыхлую белую массу. Это оксид фосфора. Получение его следует проводить под вытяжкой, потому что частички раздражают слизистые покровы органов дыхания.

Можно набрать красный фосфор в ложечку для сжигания веществ, закрепленную в резиновой пробке с отверстием. Вещество следует зажечь, а когда начнется горение — опустить в стекляную термостойкую колбу. Емкость, закрытая пробкой, наполнится клубами дыма, состоящими из молекул димера фосфорного ангидрида (Р₄О₁₀ — его формула). Оксид фосфора (V) — название этого вещества. Когда весь кислород в емкости израсходуется, горение прекратится, и белый дым осядет.

Взаимодействие оксида фосфора с водой. Получение фосфорных кислот

Обычно состав пентаоксида фосфора записывают в таком виде: Р₂О₅. Можно при его получении налить в колбу немного воды и взболтать. Белый дым растворится с образованием кислоты. Для того чтобы доказать ее присутствие, надо опустить в раствор бумажную полоску универсального индикатора, ее цвет изменится с желтого на красный, что характерно для кислых жидкостей. В колбе взаимодействуют вода и оксид фосфора. Реакции получения кислот сопровождаются их диссоциацией в водном растворе на кислотные остатки, а также ионы водорода, точнее, гидроксония.

• При сгорании фосфора идет реакция соединения: 4Р + 5О₂ = Р₄О_10.
• Растворение полученного ангидрида в холодной воде происходит с образованием метафосфорной кислоты: Р₂О₅ + Н₂О = 2НРО_3.
• Кипячение раствора приводит к появлению в нем ортофосфорной кислоты: НРО₃ + Н₂О = Н₃РО₄.

Диссоциация кислоты идет в водном растворе ступенчато: легче всего отрывается один протон, и возникает дегидрофосфат-анион Н₂РО_4^–. Фосфорному ангидриду соответствует не одна только ортофосфорная кислота. Оксид фосфора (V) при растворении в воде дает смесь кислот.

Реакции с оксидами металлов

С веществом Р₂О₅ вступает в реакцию оксид натрия. Оксид фосфора также взаимодействует с аналогичными соединениями при нагревании (сплавлении). Состав получаемых фосфатов зависит от реагентов и условий протекания реакции.
3Na₂O + Р₂О₅ = 2Na₃PO₄ — ортофосфат натрия (средняя соль). Взаимодействие исследуемого вещества со щелочами идет с образованием соли и воды.

Промышленный способ получения фосфорного ангидрида

Производят Р₂О₅ при сжигании технического фосфора. Это гигроскопичное вещество, поэтому предварительно его осушают. В специальной камере при высокой температуре происходит реакция окисления фосфора до разных форм Р₄О₁₀. Эту белую парообразную массу очищают и применяют как водоотнимающее вещество для осушения различных промышленных газов. Из фосфорного ангидрида получают ортофосфорную кислоту. Метод заключается в восстановлении природного сырья до молекулярного фосфора, его сжигании и растворении в воде продукта горения.

Фосфорные удобрения

«Элемент жизни» играет важную роль в образовании АТФ и белков в клетках, энергетическом обмене в организме растений. Но ежегодно с урожаем из почвы выносится значительная часть элементов питания. Для их восполнения вносят минеральные и органические удобрения. Фосфор — один из трех макроэлементов, кроме него к этой группе относятся азот и калий.

Фосфорные удобрения — суперфосфаты — получают из горных пород и минералов при обработке их кислотами. В последние годы основные усилия туковой отрасли направлены на выпуск сложных и комплексных удобрений. Они содержат несколько элементов питания, что делает их применение экономически более выгодным.