Фосфор и неговите съединения: окислителни състояния, формули

Фосфорът и неговите съединения са широко разпространени в земната кора и морската вода. Като химичен елемент, той принадлежи към групата на pnictides, което означава, че принадлежи към 15-та група на Периодичната система. Дейността на елемента е много висока, образува почти 200 естествени минерала, съдържа се в животинските тъкани, е част от протеините, мазнините, молекулите, които обменят енергия и съхраняват наследствена информация в тялото.

Алотропни форми

Фосфорът (P) е неметален, съществува в 11 алотропни модификации, които се различават по цвят, плътност, химични свойства. Основните са 4:

• зеленикаво бяло (жълто);
• червен;
• черно;
• метал.

Останалите форми все още не са напълно разбрани, но се смята, че те са смес от четирите основни. Големите модификации могат да влязат един в друг, тъй като те са нестабилни. Например, бял фосфор под действието на светлината се превръща в червено, което от своя страна се превръща в черно, а след това в метално. Последната форма е стабилна, но с всяка трансформация химичната активност на веществото намалява.

Бял фосфор

Тази алотропна модификация е представена от P4 молекули. Той е метастабилен, омекотява до стаен восък при стайна температура, става крехък на студа. Топенето и кипенето се извършват без разлагане, въздухът окислява веществото и го прави да свети. Тя може да се дестилира с пара, слабото нагряване води до изпаряване и наличието на кислород в същото време осигурява запалване дори под вода.

Бялата форма се разтваря в органични съединения: въглероден дисулфид, хлориди и бромиди на тривалентен фосфор, амоняк, кисел газ, dithiodichloride. Трудно е да се разтвори в тетрахлорид, не е чувствителен към въздействието на водата, добре е запазен под слоя си.

Веществото може да се получи чрез взаимодействие на калциев ортофосфат с кокс и. T силициев оксид при 1000 градуса по Целзий. Друг метод е разлагането на фосфорен трииодид при температура от 100-120 градуса по Целзий.

Активността на белия фосфор е много висока: възстановява благородните метали от техните соли, окислява се от киселини, водороден пероксид, перманганат, халогени и халкогени. Възстановени от водород и метали. Взаимодействието с алкали води до реакция на диспропорциониране. Веществата, в които белият фосфор е инертен, са въглерод и азот.

Високата химическа активност прави модификацията опасна. Спонтанно се запалва при контакт с кожата, което води до тежки изгаряния. В допълнение, отравяне с бял фосфор води до поражение на костите, до смъртта им, и натрупването в организма на 50-150 мг води до смърт.

Жълт фосфор

Необработеният бял фосфор се нарича жълт. Цветът му варира от светло до тъмно кафяво. Веществото може да се съхранява и транспортира само под слой вода или разтвор на калциев хлорид, тъй като е запалимо и токсично, окислено от кислород във въздуха, което го кара да се запали, придружено от изгаряне на ярко зелен пламък и освобождаване на гъст бял дим.

За гасене на пожара, имате нужда от много голямо количество ледена вода, но е по-добре да се използва разтвор на меден сулфат. За да се избегне повторното запалване, вече погасеното огнище трябва допълнително да се напълни с мокър пясък.

Червен фосфор

Такава модификация се състои от полимерни молекули Р _{п от} различни размери. Той е метастабилен и рентгеноаморфен, сублимира при нагряване. Неговата химическа активност е слаба. Подобно на белия фосфор, тази форма се окислява във въздуха, но процесът е много по-бавен, а авто-запалването не се наблюдава, докато температурата достигне 240 градуса, или веществото не се подлага на триене. В присъствието на влага, червената форма се превръща в оксид, а след това в фосфорна киселина. Поради това, той се съхранява в херметически затворен контейнер, но ако се получи конверсия, той се измива с вода от остатъчните химични съединения на фосфора и се изсушава.

Въглеродният дисулфид, подобно на водата, не може да разтвори червената модификация, но фосфорният трибромид и стопилката бисмут или олово, от които впоследствие кристализира P ₈ виолетовата форма, могат да направят това.

Червеният фосфор се получава чрез загряване на бялото в атмосфера на въглероден оксид при температура от 500 градуса по Целзий. В зависимост от степента на смачкване може да има вариации на цвета от пурпурно-червено до тъмно-виолетово с метален блясък. Процесът може да върви в обратна посока: ако преведете червената модификация в пара, а след това се охладите, тя ще се превърне в бяла.

Употребата на червен фосфор и неговите съединения е широк. На първо място, това се дължи на факта, че те са значително по-малко токсични от тези на бялата форма. Те се използват при производството на кибрит, тъй като се възпламеняват от триене.

Черен и метален фосфор

Тази модификация може да бъде объркана с графит, тъй като има външен вид на черни лъскави кристали с метален блясък и слоеста структура. На допир са дебели. Черният фосфор се състои от непрекъснати вериги P _n . Той е химически пасивен, стабилен във въздуха и не се разтваря във вода или в органични съединения. Горят може само да се нагрява в атмосфера на чист кислород. В този случай той провежда електрически ток. Оказва се черен фосфор от бяло при загряване над 200 градуса и под налягане от 13-20 хиляди атмосфери. В метала се превръща в 820 хиляди атмосфери.

апатит

Фосфорът и неговите съединения образуват почти двеста минерали. Най-известният от тях е апатит. В природата тя може да изглежда различно. Често е подобно на берил, диопсид или турмалин. Поради това му дадоха името, което се превежда от гръцки като „измама“. Можете да различите апатита при по-ниска твърдост в сравнение с други минерали и призматичен вид на кристалите.

Има малко находища на този ресурс, най-големият е разположен в Русия, а останалите са разпръснати в Бразилия, Мексико, Америка, Чили и други страни. Приложението е в промишлеността и в селското стопанство. Действа като компонент на тор, керамика, стъкло.

Поради нестабилността на бижутерите използват този камък рядко и обикновено е от интерес само за колекционери. Най-големият апатит с добро качество има маса от 147 карата, но обикновено тези минерали не надхвърлят 5-20 карата.

Апатитът се среща и в живите организми, където образува част от костите и зъбите и може да се отлага в камъните в бъбреците.

Степента на окисление на фосфора

При съединенията елементът показва положително или отрицателно окислително състояние и за просто вещество P _4, то е нула.

Отрицателното окислително число -3 се проявява във фосфин и фосфиди. Фосфорът показва положително окислително състояние в съединенията:

• хипофосфориста киселина и нейните соли фосфинати (+1);
• фосфорна киселина и фосфити (+3);
• фосфорен анхидрид, редица халогениди, ортофосфорна киселина (+5).

Това са само примери за вещества, които съдържат фосфор. Всъщност, формулите на фосфорните съединения са много по-големи и един елемент може да показва различни окислителни числа в тях, например, има халиди, в които неговото окислително състояние е 3. Всяко от тези вещества има свои уникални свойства, които определят тяхното използване от хората.

фосфин

РН ₃ е газообразно водородно съединение на фосфора, наречено фосфин или монофосфан. Тя е слабо разтворима във вода, не реагира с алкали и амонячен хидрат. Той е силно редуциращо средство, взаимодейства с концентрирани киселини, йод, кислород, водороден пероксид, натриев хипохлорит. Именно в това съединение степента на окисление на фосфора е -3.

В чистата си форма веществото е отровно, инхибира нервната система и нарушава метаболизма. В същото време той е безцветен и без мирис. Техническите проби излъчват миризмата на гнила риба. Можете да ги получите от различни съединения, например:

• от трикалциев дифосфид, когато реагира с вода (се изискват катализатори под формата на водород и дифосфин), или разредени със солна или неконцентрирана ортофосфорна киселина;
• от бял фосфор в неговата реакция с концентрирана алкална и вода (реакцията протича по-бързо при кипене), или с водород под налягане и при температура от 300 - 360 градуса по Целзий, или със солна киселина при 300 градуса;
• от фосфониев йодид, когато се разлага под въздействието на температура от 80 градуса (обратната реакция се извършва при охлаждане до минус 20 градуса) или когато тя взаимодейства с вода или разреден алкал;
• от фосфонова киселина, когато се разлага във вакуум при температура 100 градуса и след това се загрява до 200 градуса в присъствието на дифосфин, или чрез реакция с атомен водород, получен чрез взаимодействие на цинк с разредена сярна киселина.

Естественият фосфин се запалва спонтанно във въздуха, което дава ефект на "скитащи светлини" под формата на топка или пламък на свещ. Това рядко явление понякога може да се види в блата, ниви или гробища.

Хипохлорна киселина

Фосфорното съединение с формула Н (РН2О2) се нарича още фосфинова или хипофосфорна киселина. Преди това се обозначаваше като Н ₃ РО ₂ , но се оказа, че такова изписване е неправилно, тъй като киселината е едноосновна. Това е съединението, в което степента на окисление на фосфора е 1.

Веществото има бял цвят, слабо се топи и се разлага дори при ниско нагряване. Другите му свойства са добра разтворимост във вода, неутрализация с алкали и амонячен хидрат, и способност да действа като силно редуциращо средство при нагряване в концентриран разтвор или в слаб окислител.

Можете да го получите по следните начини:

• чрез взаимодействие на бял фосфор с концентриран бариев хидроксид и вода при нагряване до 70 градуса по Целзий, последвано от добавяне на разредена студена сярна киселина към получената сол;
• взаимодействието на фосфин с вода и йод;
• добавяне на катионна вода към натриев фосфинат.

Получената субстанция ви позволява да създавате трайни метални покрития за стъкло, керамика или пластмаси, а солите му се използват във фармацевтичната индустрия.

Фосфорна киселина

Друго име за фосфорното съединение на състава Н2 (РНО) е фосфонова киселина. Както и в предишния случай, се използваше неправилно изписване на Н ₃ РО ₃ , но то бе изоставено, защото във водни разтвори киселината е двуосновна.

Степента на окисление на фосфора в съединението е 3. Веществото има бял цвят, разлага се при нагряване, бавно се окислява във въздуха, разтваря се във вода. Киселината е слаба и лесно се неутрализира от алкали, може да действа като слабо окислително средство или не много силно редуциращо средство. Повечето реакции изискват загряване.

Има много начини за производство на киселина, например:

• реакцията на фосфор с концентрирана сярна или селенова киселина (в последния случай се изисква вода);
• окисляване на мокър фосфор с кислород (за ускоряване на реакцията се изисква загряване до 30-40 градуса);
• взаимодействие на фосфин с концентриран сярна киселина ;
• добавяне на вода или газообразна солна киселина към тетрафосфорен хексаоксид (реакцията ще върви по-бързо, ако водата е гореща);
• взаимодействието на фосфорен трихлорид с вода при стайна температура (реакцията може да се извърши при 0 градуса, но в този случай се изисква течен въглероден тетрахлорид);
• реакцията на фосфорен трииодид с вода в азотна атмосфера.

По-нататък се използват редуциращите свойства на съединението.

Tetraphosphorus decaoxide

P4O10 се нарича фосфорен анхидрид. Може да бъде в аморфно, стъкловидно или кристално състояние, а цветът му винаги е бял. Кристалното вещество се сублимира при нагряване, така че да започне да се топи, необходимо е да се създаде свръхналягане и след това анхидридът да се превърне във високо подвижна течност.

Ако продължителността на температурата продължи, ще настъпи процес на полимеризация, в резултат на което кристален декаоксид ще се превърне в стъклен продукт (Р2О5) _n след охлаждане. Степента на окисление на фосфора в съединението р2о5, както при P 4O _10, е равно на 5.

Други възможни химични реакции на това съединение:

• взаимодействие с вода и алкали, което характеризира неговите киселинни свойства;
• халогенизация, а именно заместване на кислородните атоми с флуор, хлор, бром или йод;
• възстановяване на фосфора;
• образуването на пероксисъединения.

Въпреки това, най-важното свойство на веществото е способността му да разделя вода от молекули на органични съединения (дехидратация). Поради това, фосфорният анхидрид се използва широко като десикант за газове и течности. Освен това, той се използва в органичния синтез и е междинно съединение в термичното производство на фосфорна киселина.

Веществото може да бъде получено по следните начини:

• изгаряне на бял фосфор във въздуха при температура от 34-60 градуса по Целзий (можете да вземете червената версия, но в този случай изисква 240-400 градуса);
• взаимодействието на бял фосфор с хлорит и разреден натриев хидроксид при температура от 10-15 градуса;
• чрез реакция на червен фосфор с калиев хлорат при температура 50 градуса;
• чрез окисляване на тетрафосфорен хексаоксид с кислород при температура от 50 до 120 градуса.

За промишленото производство най-често се използва първият метод. Технологичният процес се осъществява в специална камера със сух въздух. Полученият декаоксид се пречиства чрез сублимация.

Фосфорен пентафлуорид

PF5 е безцветен газ. В съединението фосфорът проявява окислително състояние 5, което е най-характерното за елемента. Веществото кипи без разлагане, но процесът може да започне с по-нататъшно нагряване. Хидролизира с вода, реагира с алкали, водороден флуорид и силициев диоксид. Образува флуорокомплекси.

Методите за неговото изготвяне са както следва:

• бързото разлагане на червения фосфор при температура от минус 60 градуса с излишък на флуор от аргон като катализатор;
• взаимодействието на фосфорен пентахлорид с калциев флуорид при 300-400 градуса или с течен арсенов флуорид при стайна температура.

Полученото съединение се използва в производството на флуорофосфати, както и в метален корозионен инхибитор.

По този начин фосфорът и неговите съединения са от голямо значение в промишлеността и се използват в различни индустрии.