Какие свойства относятся к белому фосфору?

Светится в темноте на воздухе

Состоит из молекул P₄

Хранится под слоем воды

В какой реакции фосфор — окислитель?

P + 5HNO₃ → H₃PO₄ + 5NO₂ + H₂O

Каким реактивом обнаруживают фосфат-ион?

Соляной кислотой

Фосфор и его соединения — 9 класс, химия: объяснение и примеры

Что нужно знать до

Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.

Элементы VA-группы. Азот

Коротко о главном

Фосфор — неметалл VA-группы, сосед азота снизу. У него пять внешних электронов, степени окисления от −3 до +5. Главная цепочка превращений: фосфор → оксид фосфора(V) → фосфорная кислота → фосфаты.

\mathrm{4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5}, \qquad \mathrm{P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4}

Подробное объяснение

Чиркните спичкой о коробок — и вы уже провели реакцию с фосфором. На боковой полоске коробка нанесён красный фосфор, а в головке спички — окислитель. Трение, вспышка — и спичка горит. А в каждой клетке вашего тела работают соединения фосфора: из фосфата кальция построены кости, а молекула АТФ снабжает клетку энергией. Поэтому академик А. Е. Ферсман называл фосфор «элементом жизни и мысли».

Строение атома

Фосфор — элемент № 15 в 3-м периоде. Его 15 электронов расположены на трёх уровнях: $2e,\ 8e,\ 5e$ . До устойчивой восьмёрки не хватает трёх электронов, поэтому с металлами и водородом фосфор принимает их и получает степень окисления −3. С кислородом и хлором он, наоборот, отдаёт электроны — до всех пяти, степень окисления +5.

Внешние электроны фосфора дальше от ядра, чем у азота, и держатся слабее. Поэтому неметаллические свойства у фосфора выражены слабее, чем у азота.

В природе

Свободного фосфора в природе нет — он слишком активен. Главные минералы — апатиты и фосфориты, основа их состава — фосфат кальция $\mathrm{Ca_3(PO_4)_2}$ . Из них делают удобрения и фосфорную кислоту.

Белый и красный фосфор

Фосфор образует несколько аллотропных модификаций, важнейшие — белая и красная.

Белый фосфор $\mathrm{P_4}$ — мягкое воскообразное вещество из молекул-тетраэдров, плавится уже при 44 °C. Очень активен: на воздухе медленно окисляется и светится в темноте (это свечение называют хемилюминесценцией), может самовоспламениться. Сильно ядовит. Хранят под водой.
Красный фосфор — красно-бурый порошок, получается из белого при нагревании без воздуха. Нетоксичен, на воздухе устойчив, не светится, но при поджигании горит ярким пламенем с белым дымом.

Химические свойства

С металлами фосфор — окислитель, образует фосфиды:

\mathrm{3Ca + 2P \xrightarrow{t} Ca_3P_2}

Фосфиды разлагаются водой, выделяется фосфин

\mathrm{PH_3}

— ядовитый газ с запахом тухлой рыбы, на воздухе самовозгорается:

\mathrm{Ca_3P_2 + 6H_2O \rightarrow 3Ca(OH)_2 + 2PH_3\uparrow}

С кислородом, хлором и сильными окислителями фосфор — восстановитель:

\mathrm{2P + 5Cl_2 \rightarrow 2PCl_5}, \qquad \mathrm{P + 5HNO_3 \rightarrow H_3PO_4 + 5NO_2\uparrow + H_2O}

Шкала степеней окисления фосфора −3, 0, +3, +5 с примерами веществ под каждой. Стрелка вправо — окисление кислородом, хлором, азотной кислотой; стрелка влево — восстановление металлами. — С металлами фосфор — окислитель (до −3), с кислородом, хлором и азотной кислотой — восстановитель (до +5).

Оксиды и фосфорная кислота

Фосфор даёт два кислотных оксида: $\mathrm{P_2O_3}$ и $\mathrm{P_2O_5}$ . Оксид фосфора(V) — белый порошок, жадно поглощает воду, поэтому им осушают газы. С горячей водой он даёт фосфорную кислоту $\mathrm{H_3PO_4}$ .

Фосфорная кислота — твёрдое вещество, кислота средней силы, трёхосновная. Окислительных свойств, как у азотной, у неё нет, и она малотоксична: её добавляют в газировку (пищевая добавка E338). Кислота реагирует с основными оксидами, щелочами и солями более слабых кислот:

\mathrm{H_3PO_4 + 3KOH \rightarrow K_3PO_4 + 3H_2O}

В средствах от ржавчины она превращает оксиды железа в нерастворимый фосфат

\mathrm{FePO_4}

, который защищает металл плёнкой.

Фосфаты и качественная реакция

Соли фосфорной кислоты — фосфаты. Почти все они нерастворимы в воде, растворимы только фосфаты натрия, калия (и аммония). Фосфат-ион узнают по жёлтому осадку с нитратом серебра:

\mathrm{3Ag^+ + PO_4^{3-} \rightarrow Ag_3PO_4\downarrow}

Как решать задачи

Определите степени окисления фосфора до и после реакции. Изменились — это ОВР, составьте электронный баланс.
Уравняйте сначала фосфор, затем остальные металлы и неметаллы, водород и кислород — в последнюю очередь.
В ионных уравнениях фосфорную кислоту пишите молекулой, нерастворимые фосфаты — тоже.
В расчётах переходите к количеству вещества $$n = m/M$$ , сравнивайте по коэффициентам. $M(\mathrm{P}) = 31$ , $M(\mathrm{P_2O_5}) = 142$ , $M(\mathrm{H_3PO_4}) = 98$ г/моль.
Если дан раствор или вещество с примесями, сначала найдите массу чистого вещества.

Разобранные примеры

База

Цепочка от фосфида к фосфату

Условие

Запишите уравнения превращений: $\mathrm{Mg_3P_2 \rightarrow PH_3 \rightarrow P_2O_5 \rightarrow Na_3PO_4}$ .

Решение

Фосфид магния разлагается водой:

\mathrm{Mg_3P_2 + 6H_2O \rightarrow 3Mg(OH)_2 + 2PH_3\uparrow}

Фосфин сгорает до высшего оксида:

\mathrm{2PH_3 + 4O_2 \rightarrow P_2O_5 + 3H_2O}

Кислотный оксид реагирует со щёлочью:

\mathrm{P_2O_5 + 6NaOH \rightarrow 2Na_3PO_4 + 3H_2O}

Ответ: Mg₃P₂ + 6H₂O → 3Mg(OH)₂ + 2PH₃↑; 2PH₃ + 4O₂ → P₂O₅ + 3H₂O; P₂O₅ + 6NaOH → 2Na₃PO₄ + 3H₂O

Средний

Электронный баланс для горения фосфора

Условие

Составьте электронный баланс реакции фосфора с кислородом, укажите окислитель и восстановитель.

Решение

Фосфор: $0 \rightarrow +5$ , кислород: $0 \rightarrow -2$ .

\mathrm{\overset{0}{P}} - 5e^- \rightarrow \mathrm{\overset{+5}{P}} \quad \times 4

\mathrm{\overset{0}{O_2}} + 4e^- \rightarrow 2\mathrm{\overset{-2}{O}} \quad \times 5

Наименьшее общее кратное 20: четыре атома фосфора отдают 20 электронов, пять молекул кислорода их принимают.

\mathrm{4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5}

Ответ: 4P + 5O₂ → 2P₂O₅; P — восстановитель, O₂ — окислитель

Сложный

Кислота из фосфорита

Условие

Какую массу фосфорной кислоты можно получить из 62 кг фосфорита, содержащего 75 % фосфата кальция, при обработке серной кислотой?

Дано

$m(\text{фосфорита}) = 62$ кг
$w(\mathrm{Ca_3(PO_4)_2}) = 75\,\%$

Найти

$m(\mathrm{H_3PO_4})$ . $\mathrm{Ca_3(PO_4)_2 + 3H_2SO_4 \rightarrow 3CaSO_4 + 2H_3PO_4}$ Масса фосфата: $62 \cdot 0{,}75 = 46{,}5$ кг. $M(\mathrm{Ca_3(PO_4)_2}) = 3 \cdot 40 + 2 \cdot 95 = 310$ г/моль
$n = \dfrac{46\,500}{310} = 150$ моль

Решение

Кислоты вдвое больше: $n(\mathrm{H_3PO_4}) = 300$ моль, $m = 300 \cdot 98 = 29\,400$ г $$= 29{,}4$$ кг.

Ответ: 29,4 кг

Типичные ошибки

Пишут белый фосфор формулой P, а не P₄, и путают аллотропы

Почему неверно

Белый фосфор состоит из молекул $\mathrm{P_4}$ , его свойства (ядовитость, свечение, самовоспламенение) нельзя приписывать красному фосфору — он безопасен и устойчив на воздухе.

Как правильно

В уравнениях реакций обычно пишут просто P — так проще уравнивать, и это допустимо. Но в вопросах о строении и свойствах белый фосфор — $\mathrm{P_4}$ , молекулярная решётка, а красный — полимер.

Записывают фосфорную кислоту в ионных уравнениях ионами 3H⁺ + PO₄³⁻

Почему неверно

Фосфорная кислота — электролит средней силы и диссоциирует ступенчато, ионов $\mathrm{PO_4^{3-}}$ в её растворе очень мало.

Как правильно

Пишите её молекулой: $\mathrm{H_3PO_4 + 3OH^- \rightarrow PO_4^{3-} + 3H_2O}$ . Ионами записывают растворимые фосфаты натрия и калия.

Путают фосфиды и фосфаты

Почему неверно

Названия похожи, а вещества разные. В фосфиде ( $\mathrm{Ca_3P_2}$ ) фосфор −3 и кислорода нет; в фосфате ( $\mathrm{Ca_3(PO_4)_2}$ ) фосфор +5 в составе кислотного остатка $\mathrm{PO_4^{3-}}$ .

Как правильно

«-ид» — бинарное соединение с фосфором в низшей степени окисления (как хлорид, сульфид). «-ат» — соль кислородсодержащей кислоты в высшей степени окисления (как сульфат, нитрат).

Проверь себя

Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.

Проверь себя по всему разделу

Задачи для тренировки

От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.

База Задача 1

Расставьте степени окисления фосфора в соединениях $\mathrm{PH_3}$ , $\mathrm{P_2O_3}$ , $\mathrm{Na_3PO_4}$ , $\mathrm{Mg_3P_2}$ , $\mathrm{PCl_5}$ .

Подсказка

Водород в фосфине +1, кислород −2, натрий +1, магний +2, хлор в хлориде −1.

Решение

Сумма степеней окисления в молекуле равна нулю. Обозначим степень окисления фосфора $$x$$ .

В $\mathrm{PH_3}$ получаем $x + 3 \cdot (+1) = 0$ , откуда $$x = -3$$ .
В $\mathrm{P_2O_3}$ получаем $2x + 3 \cdot (-2) = 0$ , откуда $$x = +3$$ .
В $\mathrm{Na_3PO_4}$ получаем $3 \cdot (+1) + x + 4 \cdot (-2) = 0$ , откуда $$x = +5$$ .
В $\mathrm{Mg_3P_2}$ получаем $3 \cdot (+2) + 2x = 0$ , откуда $$x = -3$$ .
В $\mathrm{PCl_5}$ получаем $x + 5 \cdot (-1) = 0$ , откуда $$x = +5$$ .

Ответ

PH₃ −3; P₂O₃ +3; Na₃PO₄ +5; Mg₃P₂ −3; PCl₅ +5

База Задача 2

Почему белый фосфор хранят под водой, а красный — в обычной банке?

Решение

Белый фосфор на воздухе медленно окисляется кислородом и может самовоспламениться. В воде он практически не растворяется, и слой воды закрывает ему доступ к воздуху. Красный фосфор на воздухе устойчив и загорается только при поджигании, поэтому особых мер не требует.

Ответ

Белый фосфор окисляется и самовоспламеняется на воздухе, вода его изолирует; красный на воздухе устойчив

Средний Задача 3

Сколько граммов оксида фосфора(V) образуется при сжигании 6,2 г красного фосфора?

Подсказка

Запишите уравнение горения и сравните количества фосфора и оксида.

Решение

Дано

$m(\mathrm{P}) = 6{,}2$ г

Найти

$m(\mathrm{P_2O_5})$ . $\mathrm{4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5}$ $n(\mathrm{P}) = \dfrac{6{,}2}{31} = 0{,}2$ моль. Оксида вдвое меньше: $n(\mathrm{P_2O_5}) = 0{,}1$ моль

$M(\mathrm{P_2O_5}) = 2 \cdot 31 + 5 \cdot 16 = 142$ г/моль, $m = 0{,}1 \cdot 142 = 14{,}2$ г.

Ответ

14,2 г

Средний Задача 4

В трёх пробирках — растворы фосфата натрия, хлорида натрия и нитрата натрия. Как с помощью одного реактива распознать фосфат? Запишите сокращённое ионное уравнение.

Решение

Добавить в каждую пробирку раствор нитрата серебра $\mathrm{AgNO_3}$ . С фосфатом выпадает жёлтый осадок фосфата серебра:

\mathrm{3Ag^+ + PO_4^{3-} \rightarrow Ag_3PO_4\downarrow}

С хлоридом выпадает белый творожистый осадок

\mathrm{AgCl}

, с нитратом изменений нет. Так одним реактивом различаются все три раствора.

Ответ

Нитратом серебра — жёлтый осадок Ag₃PO₄; 3Ag⁺ + PO₄³⁻ → Ag₃PO₄↓

Сложный Задача 5

Какой объём фосфина (н. у.) выделится при действии избытка воды на 36,4 г фосфида кальция?

Подсказка

$\mathrm{Ca_3P_2 + 6H_2O \rightarrow 3Ca(OH)_2 + 2PH_3}$

Решение

Дано

$m(\mathrm{Ca_3P_2}) = 36{,}4$ г

Найти

$V(\mathrm{PH_3})$ . $\mathrm{Ca_3P_2 + 6H_2O \rightarrow 3Ca(OH)_2 + 2PH_3\uparrow}$ $M(\mathrm{Ca_3P_2}) = 3 \cdot 40 + 2 \cdot 31 = 182$ г/моль
$n = \dfrac{36{,}4}{182} = 0{,}2$ моль

По уравнению фосфина вдвое больше: $n(\mathrm{PH_3}) = 0{,}4$ моль, $V = 0{,}4 \cdot 22{,}4 = 8{,}96$ л.

Ответ

8,96 л

Сложный Задача 6

Оксид фосфора(V) массой 28,4 г растворили в горячей воде и полученную кислоту полностью нейтрализовали гидроксидом калия. Какая масса $\mathrm{KOH}$ потребовалась?

Подсказка

Сначала найдите количество фосфорной кислоты, затем учтите, что она трёхосновная.

Решение

Дано

$m(\mathrm{P_2O_5}) = 28{,}4$ г

Найти

$m(\mathrm{KOH})$ . $\mathrm{P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4}$ $\mathrm{H_3PO_4 + 3KOH \rightarrow K_3PO_4 + 3H_2O}$ $n(\mathrm{P_2O_5}) = \dfrac{28{,}4}{142} = 0{,}2$ моль
$n(\mathrm{H_3PO_4}) = 0{,}4$ моль
$n(\mathrm{KOH}) = 3 \cdot 0{,}4 = 1{,}2$ моль

$M(\mathrm{KOH}) = 56$ г/моль, $m = 1{,}2 \cdot 56 = 67{,}2$ г.

Ответ

67,2 г

Для родителя

Как объяснить за 5 минут. Возьмите коробок спичек: тёмная полоска сбоку — это красный фосфор с клеем и стеклянным порошком, а в головке спички — окислитель. При трении частички фосфора попадают на головку и вспыхивают. Белый дым при горении — оксид фосфора(V); если он попадает в воду, получается фосфорная кислота — та самая, что придаёт кислинку газировке «кола». А в почве фосфаты — пища для растений, поэтому из апатитов делают удобрения.

Вопросы для проверки понимания: 1) Чем белый фосфор опасен и как его хранят? 2) Какая степень окисления у фосфора в фосфине и в фосфорной кислоте? 3) Как узнать, что в растворе есть фосфат-ион?

На что обратить внимание. Ребёнок должен уравнивать реакции фосфора через электронный баланс, отличать фосфиды от фосфатов и писать фосфорную кислоту в ионных уравнениях молекулой.

Где в учебниках

Учебник	Параграф	Упражнения
Химия. 9 класс (Габриелян, Остроумов, Сладков)	§ 19	1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8