Фосфор: фізичні та хімічні властивості

Статтю написано Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Познавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою

Зміст:

Історія відкриття

Фізичні властивості

Як і азот, фосфор здатний утворювати двоатомні молекули Р2. Однак подібні молекули фосфору можуть бути стійкими лише при дуже високій температурі - близько 1000 С. У звичайних умовах атоми фосфору з'єднуються в молекули інших складів. Наприклад, білий фосфор складається із чотирихатомних молекул Р4. Між собою атоми білого фосфору з'єднані як найпростішого багатогранника тетраедра. Так схематично виглядає будова молекули білого фосфору, що з чотирьох атомів. Сам білий фосфор є практично безбарвною твердокристалічною речовиною, що моментально окислюється киснем повітря, при цьому під час окислення фосфору йде дим, а в повітрі з'являється явний часниковий запах. Своїм зовнішнім виглядом білий фосфор схожий на віск, такий же м'який і легкоплавкий, при цьому світиться в темряві і є надзвичайно небезпечним, тому що дуже отруйний та вогнебезпечний. Крім білого фосфору фізики також розрізняють червоний фосфор, чорний фосфор, жовтий і металевий фосфор, кожен з них має свої особливі фізичні властивості. Так якщо білий фосфор нагрівати до температури 300 С без доступу повітря і в присутності каталізаторів (ними може бути йод або натрій), він перетвориться на червоний фосфор.На відміну від білого фосфору його червоний побратим не світиться в темряві і не є отруйним і небезпечним, саме його використовують при виробництві сірників. Червоний фосфор - це аморфна речовина, що складається з полімерних молекул Px, він нерозчинний у воді та інших органічних розчинниках, а при нагріванні без доступу повітря не займається. Якщо білий фосфор помістити під дуже великий тиск (в сотні атмосфер), то з нього вийде чорний фосфор, який своїми властивостями нагадує метал: він блищить і проводить електричний струм. Якщо ще більше збільшити тиск, то чорний фосфор перетвориться на металевий, його кристалічні грати будуть такими ж щільними як у металів. Металевий фосфор добре проводить електричний струм. Так виглядають різні види фосфору. Хоча фосфор і є одним із найпоширеніших хімічних елементів на нашій планеті, у чистому вигляді в природних умовах його не буває, добути чистий фосфор можна лише в хімічній лабораторії. Однак фосфор входить до складу багатьох важливих хімічних та біологічних сполук: фосфоліпідів, фосфідів (сполуки фосфору та металів), фосфінів (сполук водню з фосфором), фосфорної кислоти тощо.

Хімічні властивості

Як ми писали вище, фосфор займає 15 місце в періодичній таблиці Менделєєва і входить до однієї групи з азотом, миш'яком та сурмою. Хоча на валентному рівні він і має цілих 5 електронів, проте 5 зв'язків утворюються досить рідко. Фосфор дуже хімічно активний елемент, особливо білий фосфор.Як наслідок він може вступати в найрізноманітніші хімічні реакції, виступаючи як окислювачем (з елементами, розташованими нижче і лівіше в таблиці Менделєєва), так і відновника (з елементами, розташованими вище і правіше в таблиці Менделєєва). При взаємодії із киснем повітря утворюються оксиди – ангідриди відповідних кислот: 4P +3O₂ > 2P₂O₃ 4P + 5O₂ > 2P₂O₅ При взаємодії фосфору з галогенами утворюються галогеніди із загальною формулою PHal₃ та PHal₅: 2P + 3Cl₂ > 2PCl₃ 2P + 5Cl₂ > 2PCl₅ При взаємодії фосфору із сіркою утворюються сульфіди: 2P + 3S > P₂S₃ 2P + 5S > P₂S₅ При взаємодії із металами фосфор виявляє властивості окислювача, продукти реакції називають фосфідами. Наприклад, кальцій та магній реагують з фосфором з утворенням фосфідів кальцію та магнію: 2P + 3Ca > Ca₃P₂ 2P + 3Mg > Mg₃P₂

Застосування

Навчившись добувати фосфор у чистому вигляді людина знайшла йому найрізноманітніше застосування, причому як творче, а часом і дуже руйнівне. Так ще під час першої світової війни німецькими хіміками був використаний жовтий фосфор як начинка запальних боєприпасів та отруйних газів. Згодом застосування таких газів на полі бою було заборонено Женевською конвенцією. На жаль, така наша дурна людська природа – використовувати наукові відкриття у руйнівних цілях, як утім, і відкриття енергії розщеплення атома було застосовано до створення атомної бомби, і лише потім атомної енергетики. Але повернемося до фосфору, з мирною метою цей хімічний елемент активно використовується в сільському господарстві для створення ефективних добрив для рослин.Фосфор входить до складу деяких лікарських препаратів, наприклад, в антибіотик фосфоміцин, до складу миючих засобів з безпечного червоного фосфору роблять сірники. Фосфор має своє застосування і в металургії, як надміцні та антикорозійні покриття (чорний і металевий фосфор). А багато фосфідів (з'єднання фосфору і металів) мають відмінні напівпровідникові властивості і активно задіяні в мікроелектроніці.

Отримання

Дія фосфору, його функції та роль в організмі людини

Тепер відповімо на запитання, яка роль фосфору в організмі людини. А вона дуже велика, оскільки фосфор бере участь у всіх обмінних процесах, що відбуваються у нашому організмі. Основна маса фосфору знаходиться в кістках та зубах. Спільно з кальцієм фосфор формує правильну структуру кісткової тканини, і якщо пропорція вмісту кальцію та фосфору буде порушена, то кістки можуть стати крихкими, збільшиться ризик переломів. Крім кісток і зубів фосфор має вплив і на найголовніше - розумову діяльність людини, адже вона міститься в нашій мозковій тканині та нервах. Від фосфору залежить робота нервової системи, з його допомогою здійснюється метаболізм ліпідів та протеїнів, біосинтез усіх необхідних органічних речовин. Нарешті фосфор входить до складу ДНК і РНК, бере участь у ферментних процесах, що підтримують кислотно-лужний баланс в організмі.

Фосфор для дитини

Особливо необхідний фосфор для дитячого організму, що росте, адже у дитини йде активне формування кісток скелета, розвиваються клітини головного мозку. Тому дуже важливо, щоб малюк отримував фосфор у необхідних кількостях і при цьому регулярно, адже значна його частина вимивається з організму із сечею.Тому важливо знати, які продукти містять фосфор.

Продукти, що містять фосфор

Добова норма

Добова норма фосфору для дорослої людини становить 1200–1600 мг. Також варто врахувати, що для людей, які займаються інтенсивними фізичними навантаженнями, а також для вагітних і матерів-годувальниць добова норма фосфору вище і становить приблизно 3000-3800 мг. Дітям потрібно від 300 до 1800 мг фосфору щодня, залежно від віку.

Недолік (дефіцит) фосфору в організмі

• прийомом деяких ліків, які знижують кислотність,
• дієтами зі зниженим вмістом білків,
• алкогольними чи наркотичними залежностями,
• ендокринними захворюваннями,
• захворюваннями нирок.

Симптомами нестачі фосфору є загальне нездужання, слабкість, апатичність, депресія, фізичне та розумове виснаження. Якщо у вас проявляються ці симптоми, то краще, ніж швидше, звернеться до лікаря, щоб він прописав вам правильне лікування.

Надлишок фосфору в організмі та симптоми отруєння їм

Надлишок фосфору в організмі людини може бути настільки ж шкідливим, як і його недолік. Зазвичай причиною надлишку фосфору є зловживання людиною м'ясною їжею. Коли фосфору стає занадто багато, порушується його пропорція вмісту кальцію. Кальція стає меншою, ніж потрібно, його витісняє фосфор, від чого кістки людини стають більш крихкими, може виникнути остеопороз (зниження щільності кісток, підвищення їх крихкості).

Також надлишок фосфору може призвести до виникнення проблем із зубами, порушення роботи нервової системи, нирок та щитовидних залоз.Щоб запобігти все це важливо вести здоровий спосіб життя, правильно харчуватися (не лише хлібом і м'ясом, а обов'язково фруктами, овочами), уникати шкідливих звичок.

Автор: Павло Чайка, головний редактор журналу «Познавайка»

При написанні статті намагався зробити її максимально цікавою, корисною та якісною. Буду вдячний за будь-який зворотний зв'язок та конструктивну критику у вигляді коментарів до статті. Також Ваше побажання/запитання/пропозицію можете написати на мою пошту [email protected] або до Фейсбуку, з повагою автор.

Урок 14. Азот та фосфор

Азот - елемент п'ятої групи другого періоду Періодичної системи Менделєєва.

Завдання 14.1. Напишіть будову атома цього елемента.

Маючи на зовнішньому енергетичному рівні п'ять електронів, азот є типовим неметалом, тобто здатний приймати і віддавати електрони:

Завдання 14.2. Складіть формули найпростіших сполук азоту з вищою (+5) та нижчою (–3) ступенями окислення (у разі труднощів див. урок 3).

Завдання 14.3. Визначте ступеня окиснення азоту в сполуках:

У своїх сполуках атом азоту може виявляти будь-які ступені окислення від –3 до +5. Властивості деяких цих сполук будуть розглянуті нижче.

Проста речовина - азот N₂ - Складає 4/5 Земної атмосфери. Азот у вигляді сполук (білків) входить до складу всіх живих істот. Неорганічних сполук азоту у земній корі дуже мало: 0,002 % за масою.

Запитання. Який тип хімічного зв'язку з'єднує атоми азоту у його молекулі N₂?

Оскільки в цій молекулі поєднуються однакові атоми - зв'язок ковалентний неполярна:

Крім того, це - потрійний зв'язок, на розрив якої потрібно витратити дуже багато енергії. Тому за нормальних умов азот не реагує з жодною речовиною, крім літію. За певних умов (нагрівання, присутність каталізатора) азот реагує з деякими металами та неметалами:

Завдання 14.4. Розставте коефіцієнти. Визначте, які властивості (окислювача чи відновника) виявляє азот у цих реакціях.

Оскільки атом азоту в молекулі азоту N₂ має проміжний ступінь окислення 0, у хімічних реакціях він може бути і окислювачем і відновником:

Оскільки азот насилу входить у хімічні реакції, він належить до інертним газам і використовується там, де потрібно ізолювати щось від окисної дії кисню: усередині балона лампочки розжарювання, атмосфера нафтосховища і т.д.

Дуже низька температура кипіння рідкого азоту (-195,8 ° C) дозволяє швидко заморожувати харчові продукти і зберігати їх у такому вигляді тривалий час.

Найважливішими органічними сполуками азоту є білки, що входять до складу будь-якого живого організму. Але більшість живих істот не можуть одержувати білки з атмосферного азоту (зв'язувати азот). Для цього потрібні його з'єднання. Найважливішими неорганічними сполуками азоту є аміак, азотна кислота та його солі.

Аміак та солі амонію

Аміак NH₃ - Безбарвний газ з різким запахом, отруйний.

Завдання 14.5. Складіть електронну та графічну формули аміаку та визначте тип хімічного зв'язку у цій молекулі.

Оскільки зв'язок N-Н сильно полярна, аміак дуже добре розчиняється в полярному розчиннику (воді) та реагує з нею:

Запитання. Яку реакцію середовища має одержаний розчин?

Внаслідок цієї реакції в розчині з'являється надлишок іонів ВІН - тому розчин аміаку у воді (аміачна вода, нашатирний спирт) має лужне середовище та виявляє властивості слабкої основи. Називається ця основа «гідроксід амонію», і йому приписують формулу NH₄OH. Оскільки це луг (розчинна основа), що отримується з леткої речовини (газу), її називають «летючою лугом».

Запитання. Чи буде аміак, а також його водний розчин реагувати з кислотами? лугами?

Виявляючи основні властивості, аміак реагує тільки з кислотами і не реагує з лугами:

В результаті таких реакцій утворюються солі амонію, в яких замість катіону металу є одновалентний катіон амонію. NH₄ + . Солі амонію мають низку особливостей:

1. Солі амонію, як солі слабкого основи, що реагують з лугами:

Завдання 14.6. Складіть рівняння цієї реакції в іонномолекулярному вигляді. Не забудьте, що гідроксид амонію слабке основу.

Якщо така реакція йде при нагріванні, виходить аміак у вигляді газу. Це лабораторний спосіб одержання аміаку:

Крім того, з'являється характерний запах. якісний ознака присутності солей амонію у суміші. Цю реакцію використовують для одержання аміаку у лабораторії.

Запитання. Чи будуть солі амонію зазнавати гідролізу?

2. Солі амонію, як солі слабкого основи, що піддаються гідролізу:

Запитання. Яка реакція середовища виходить у результаті цього процесу?

Завдання 14.7. Складіть рівняння реакції гідролізу нітрату амонію. Який колір має лакмус у цьому розчині?

3. Солі амонію, як солі летючого основи, що розкладаються при нагріванні. При цьому може виділятися аміак:

Але якщо сіль утворена кислотою, аніон якої є сильним окислювачем, аміак не виділяється:

Чому в цьому випадку не виділяється аміак? Можливо, що спочатку процес йде як завжди:

Але оскільки азотна кислота - окислювач, а аміак - відновник, вони відразу реагують один з одним. При розкладанні нітрату амонію можливі інші продукти реакції:

Завдання 14.8. Складіть електронний баланс для реакцій (1) та (2), вкажіть окислювач та відновник.

Запитання. Чому атом азоту в аміаку виявляє відновлювальні властивості? Чи може цей атом приймати електрони?

Атом азоту в молекулі аміаку має нижчу ступінь окислення –3 і тому здатний лише віддавати електрони та виявляти відновлювальні властивості. Тому аміак легко реагує з окислювачами, наприклад, з киснем, і горить:

Реакція (3) практичного сенсу не має: навіщо повертати в атмосферу азот, який щойно з такою працею був перетворений на аміак? Проте реакція (4) каталітичного окислення аміаку використовується при отриманні азотної кислоти. Крім того, аміак та його солі застосовуються як азотні добрива, а нітрат амонію входить до складу вибухових сумішей.

Азотна кислота та її солі

Азотну кислоту одержують у три стадії. Перша - каталітичне окиснення аміаку. Отриманий безбарвний газ NO окислюють у бурий газ NO₂:

Ця реакція йде навіть за нормальних умов. Отриманий бурий газ NO₂ дуже отруйниймає різкий запах. Розчиненням його у воді в присутності кисню одержують азотну кислоту:

Азотна кислота - дуже сильний електроліт, в розчині повністю дисоціює на іони:

Запитання. Які властивості виявляє атом азоту азотної кислоти в окисно-відновних реакціях?

Оскільки атом азоту в азотній кислоті перебуває у вищому ступені окислення +5, азотна кислота - сильний окисник. Вона окислює і прості та складні речовини:

Органічні речовини, що входять до складу паперу, бавовни, скипидару, можуть спалахнути при зіткненні з концентрованою азотною кислотою. Тому не дивно, що при взаємодії металів з азотною кислотою не вдається отримати водень як продукт реакції:

Справді, водень - Відновник, а азотна кислота - Окислювач, і вони легко реагують один з одним у момент виділення водню. В результаті таких реакцій утворюються оксиди азоту або аміак, який утворює з азотною кислотою сіль амонію:

Зверніть увагу.

1. Концентрована азотна кислота не реагує з алюмінієм, хромом і залізом, тому що утворює на їх поверхні міцну оксидну плівку, яка оберігає метал від подальшого окислення (пасивує його).
2. Азотна кислота реагує навіть з тими металами, які стоять у ряді напружень після водню (водень і тут НЕ виділяється!).
3. Продукт реакції залежить і від активності металу і від розведення кислоти: чим активніший метал і чим розбавленіша кислота, тим сильніше відновлюється кислота, т.е. е. сильніше змінюється ступінь окислення атома азоту (до –3).

Завдання 14.9. Розставте коефіцієнти цих рівняннях реакцій, користуючись методом електронного балансу.

У будь-якій із цих реакцій утворюється сіль азотної кислоти - нітрат. Нітрати - це добре розчинні солі, що застосовуються часто як добрива (KNO₃, NH₄NO₃). З'єднання азоту використовуються як добрива, оскільки рослини, як і людина, не здатні засвоювати азот повітря, т.е. е. не здатні перетворювати N₂ в органічні сполуки азоту. А без цих з'єднань амінокислот, білків, нуклеїнових кислот - Життя в принципі неможливе.

При використанні таких добрив слід пам'ятати, що надлишок нітратів у ґрунті та рослинах небезпечний для життя, оскільки нітрати отруйні!

Нітрати легко розкладаються під час нагрівання, причому продукти розкладання залежить від активності металу. Так, нітрати дуже активних металів - селітри - розкладаються за схемою:

Завдання 14.10. Складіть рівняння реакції розкладання нітрату натрію.

Селітри входять до складу вибухових речовин. Так, нітрат калію входить до складу чорного пороху. Дія на сухі нітрати концентрованою сірчаною кислотою можна отримати азотну кислоту.

Будова атома та властивості фосфору

Фосфор був отриманий та названий алхіміком Брандом*, який намагався знайти філософський камінь.

* БРАНД Хеннінг (бл. 1630-після 1710) - німецький алхімік без спеціальної освіти, професійний військовий.

Цей камінь, на переконання алхіміків, міг перетворювати метали на золото, мав магічні властивості. У 1669 році Бранд із залишків прозової сечі виділив речовину, яка світилася у темряві. Безумовно, такими властивостями міг мати тільки філософський камінь! На жаль, ніякими чудодійними властивостями ця речовина не мала, але здатність свічення в темряві подарувала речовині та хімічному елементу ім'я: її назвали фосфор, що означає «несуче світло».

Завдання 14.11. Складіть електронну схему будови атома фосфору, вкажіть розподіл валентних електронів, можливі ступені окислення.

Розподіл валентних електронів атома фосфору:

Тому фосфор виявляє у сполуках ступеня окислення –3, +3 та +5.

Завдання 14.12. Складіть формули водневих сполук, оксидів та гідроксидів фосфору, які відповідають цим ступеням окиснення.

Нижче розглянемо властивості цих сполук, але спочатку слід описати властивості простої речовини.

Як і для вуглецю, для фосфору характерно кілька аллотропних модифікацій. білий фосфор. Р₄. Це неполярна речовина, що легко випаровується (виганяється), причому пари білого фосфору окислюються на повітрі.

Отриманий оксид виявляє яскраво виражені кислотні властивості, тому що фосфор - активний неметал, а ступінь окислення атома фосфору - вища. фосфор - жовтувата м'яка речовина, розчинна в неполярних розчинниках.

На противагу йому - червоний фосфор досить інертна речовина, нешкідлива для людини, але за умови, що вона абсолютно чиста. Домішки білого фосфору, які досить часто зустрічаються, роблять його отруйним. фосфору - є неорганічними полімерами. І чим вищий ступінь полімеризації, тим інертніше речовина, тим темніший колір. чорного фосфору описані властивості жовтого, червоного, фіолетового, коричневого і навіть склоподібного.

Найчастіше зустрічаються та використовуються білий, червоний та чорний фосфор. червоного фосфору.

Червоний фосфор - це червоно-бурий аморфний порошок практично нерозчинний у воді та неполярних розчинниках, оскільки це полімер. Ступінь полімеризації встановити неможливо, тому хімічна формула Р. Залежно від того, чи відбувається горіння в надлишку або нестачі кисню, утворюються різні оксиди:

Крім того, фосфор реагує з активними металами та неметалами:

Завдання 14.13. Скласти рівняння реакції фосфору із кальцієм. Назвати одержану речовину.

Фосфіди, Як і нітриди, силіциди, розкладаються водою та кислотами. В результаті утворюється фосфін — отруйний газ із неприємним часниковим запахом. Він здатний самозайматися на повітрі:

Саме вогники-спалахи цього газу лякають перехожих на цвинтарях, оскільки фосфін утворюється при гниття білкових тіл. А це означає, що фосфор, як і азот, є біогенним елементом. Біологічні властивості сполук фосфору будуть розглянуті нижче.

Перераховані вище реакції підтверджують раніше встановлене правило: атоми з проміжним ступенем окислення виявляють властивості і окислювача, і відновника. Відновлювальні властивості фосфору виявляються при взаємодії з бертолетовою сіллю KClO₃:

Ця реакція починається при легкому нагріванні, терті, інколи ж і без причин. В результаті може статися сильний спалах. Ми її спостерігаємо щоразу, як тільки цвіркаємо сірником об сірникову коробку. До складу сірникової головки входить бертолетова сіль KClO₃ і сірка, а до складу намазки - червоний фосфор і товче скло.

Властивості та значення сполук фосфору

Як було показано вище, фосфор утворює два види оксидів Р₂Про₃ та Р₂Про₅. Це кислотні оксиди, що утворюють із водою фосфористу кислоту Н₃РВ₃ та кілька фосфорних кислот.Склад фосфорних кислот відбиває формула х Р₂Про₅ · у Н₂В:

Метафосфорна кислота нестійка і, приєднуючи воду, перетворюється на більш стійку кислоту:

Або в сумарному вигляді:

Ортофосфорна кислота дисоціює у три стадії:

Тому вона утворює три види солей: КН₂РВ₄ - Дигідрофосфат, До₂НРО₄ - Гідрофосфат, До₃РВ₄ - Фосфат. Ці солі, їх розчини мають різні властивості. Так, якщо більшість фосфатів нерозчинні у воді, кислі фосфати мають більшу розчинність.

Оскільки фосфор хімічно активний, у природі зустрічаються лише нерозчинні сполуки фосфору, переважно фосфати. Вони становлять основу таких мінералів, як апатити і фосфорити. Основу фосфоритів становить фосфат кальцію, а склад апатитів крім нього входять хлориди і фториди кальцію.

Аналогічний склад мають наші кістки (фосфорити) та зуби (фторапатити). У тілі дорослої людини до 1,5 кг цього хімічного елемента. Таким чином, фосфор – біогенний елемент. Атоми фосфору входять до складу ДНК та РНК (нуклеїнових кислот), які зберігають та відтворюють генетичну інформацію. Крім того, атоми фосфору входять до складу АТФ (аденозинтрифосфорний кислоти), при гідролізі якої виділяється акумульована у цій молекулі енергія.

Фосфор у чистому вигляді одержують при нагріванні подрібнених фосфоритів з піском і коксом:

Отриманий фосфор використовується при виготовленні сірників та піротехнічних складів, отрутохімікатів, СМС (синтетичних миючих засобів) та багато іншого.

Висновки

Азот - це елемент життя, оскільки він входить до складу будь-якого живого організму у вигляді білків, нуклеїнових кислот. З іншого боку, газ азот має інертні властивості, насилу вступає в хімічні реакції, становить основу атмосфери Землі. Фосфор разом із азотом входить до складу ДНК, РНК, АТФ. Численні сполуки фосфору незамінні у побуті.