Часть II. НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Раздел 10. ПОДГРУППА АЗОТА

§ 10.10. Фосфор

Фосфор - аналог азота, поскольку электронная конфигурация его валентных электронов, как и у азота, s²p³. Однако по сравнению с атомом азота атом фосфора имеет меньшую энергию ионизации и больший радиус (см. п. С и п. 6, табл. 10.1). Это означает, что неметаллические признаки у фосфора выражены слабее, чем в нитрогена. Поэтому для фосфора реже бывает степень окисления-С и чаще +5. Мало характерны и другие степени окисления (см. п. 5, табл. 10.1).

Распространение в природе. Общее содержание фосфора в земной коре составляет 0,08 %. В природе фосфор встречается только в виде соединений; важнейшая из них - фосфат кальция - минерал апатит. Известно много разновидностей апатита, из которых наиболее распространен фторапатит Оса₃(РO₄)₂ ∙ CaF₂. Из разновидностей апатита состоят осадочные горные породы - фосфориты. Фосфор входит также в состав белковых веществ в виде различных соединений. Содержание фосфора в тканях мозга составляет 0,38 %, в мышцах - 0,27 %.

Богатейшие в мире залежи апатитов расположены вблизи г. Кировска на Кольском полуострове. Фосфориты широко распространены на Урале, в Поволжье, в Сибири, Казахстане, Эстонии, Белоруссии и др. Большие месторождения фосфоритов имеются в Северной Африке, Сирии и США.

Фосфор необходим для жизни растений. Поэтому в почве всегда должно быть достаточное количество соединений фосфора.

Физические свойства. Уменьшение неметалічності элемента фосфора по сравнению с азотом сказывается на свойствах его простых веществ. Так, фосфор в отличие от азота имеет несколько аллотропическая модификаций: белый, красный, черный и т.д.

Белый фосфор - бесцветное и очень ядовитое вещество. Добывают конденсацией паров фосфора. Не растворяется в воде, но хорошо растворяется в сероуглероде. За длительного слабого нагрева белый фосфор переходит в красный.

Красный фосфор - порошок красно-бурого цвета, не ядовит. Не растворяется в воде и сероуглероде. Установлено, что красный фосфор представляет собой смесь нескольких аллотропическая модификаций, которые отличаются друг от друга по цвету (от красного до фиолетового) и некоторыми другими свойствами. Свойства красного фосфора много в чем зависят от условий его добывания.

Черный фосфор по внешнему виду похож на графит, жирный на ощупь, обладает свойствами полупроводников. Добывают длительным нагреванием белого фосфора под большим давлением (200 °С и 1 200 МПа).

Красный и черный фосфор при сильном нагревании сублимируются.

Природный фосфор состоит из одного стабильного изотопа ³¹₁₅ Г. Широко применяется искусственный радиоактивный изотоп ³²₁₅Г (период полураспада 14,3 суток).

Свойства модификаций аллотропическая - фосфора объясняются их строением. Детально изучено строение белого фосфора. Он имеет молекулярную кристаллическую решетку. Его молекулы чотириатомні (Р₄ - тетрафосфор) и имеют форму правильной трехгранной пирамиды

Каждый атом фосфора находится в одной из вершин пирамиды и связан тремя о-связями с тремя другими атомами. Как все вещества с молекулярной решеткой, белый фосфор легко плавится и летуч. Он хорошо растворяется в органических растворителях.

В отличие от белого фосфора красный и черный фосфори имеют атомную кристаллическую решетку. Поэтому они нерастворимые почти во всех растворителях, но летучие и, как уже отмечалось, не ядовитые.

Химические свойства. В химическом отношении белый фосфор очень отличается от красного. Так, белый фосфор легко окисляется и самовоспламеняется на воздухе, поэтому его хранят под водой. Красный фосфор не воспламеняется на воздухе, но воспламеняется при нагревании свыше 240 °С. При окислении белый фосфор светится в темноте происходит непосредственное превращение химической энергии в световую.

В жидком и растворенном состоянии, а также в паре при температуре ниже 800 °С фосфор состоит из молекул Р₄. При нагревании свыше 800 °С молекулы диссоциируют: Г₄ ⇆ 2Р₂. Последние при температуре свыше 2 000°С разлагаются на атомы: Р₂ ⇆ 2Р. Атомы фосфора могут объединяться в молекулы Р₂, Р₄ и в полимерные вещества. Очевидно, молекула Р₄, где атомы соединены между собой тремя σ-связями, крепче молекулу Р₂, в которой атомы соединены одной σ - и двух п - связями. Уже при обычной температуре молекула Р₂ неустойчивая (устойчивость же N₂ по этих условий следует объяснить очень малыми размерами атома, см. п. 6, табл. 10.1).

Фосфор соединяется со многими простыми веществами - кислородом, галогенами, серой и некоторыми металлами, проявляя окислительные и восстановительные свойства. Например:

2Р + 3S = P₂S₃; 2Р + Оса = С₃Г₂;

Реакции с белым фосфором происходят легче, чем с красным.

Соединения фосфора с металлами называются фосфідами. Они легко разлагаются водой с образованием фосфина РН₃

- очень ядовитого газа с запахом чеснока:

Са₃Р₂ + 6Н₂О = Оса(ОН)₂ + 2РН₃ ↑.

По аналогии с NH3 фосфин способен к реакции присоединения:

РН₃ + Нl = РН₄l.

Добывания и применения. Фосфор добывают из апатитов или фосфоритов. Последние смешивают с углем (коксом) и песком и прокаливают в электрической печи при 1 500 °С:

         +5 0 0 +2

2Са₃(РO₄)₂ + 10С + 6SiO₂ = бСаSио₃ + Р₄ + 10СО;

Во время реакции пару фосфора сгущают и улавливают в приемнике с водой.

Красный фосфор применяют в производстве спичек. Из красного фосфора, сульфида стиба(III), железного сурика (природного оксида железа(III) с примесью кварца) и клея изготавливают смесь, которую наносят на боковые поверхности спичечной коробки. Головки спичек состоят главным образом из бертолетовой соли, молотого стекла, серы и клея. Во время трения головки по намазці спичечной коробки красный фосфор занимается, поджигает состав головки, а от него загорается дерево.

Белый фосфор широкого применения не имеет. Обычно его используют для образования дымовых завес. Черный фосфор применяется очень редко.