Какие свойства окислительные или восстановительные проявляет фосфор

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2020

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение
(в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов
без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования,
обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Фосфор – элемент главной подгруппе V группы периодической системы Д.И. Менделеева.

Электронная конфигурация атома фосфора $1s^22s^2p^63s^2 3p^3,hspace{0.4cm}$ это р-элемент. В возбужденном состоянии валентные электроны 3s-подуровня распариваются и переходят на свободный 3d-подуровень:  $1s^22s^2p^63s^1 3p^3 3d^1$

В возбужденном состоянии фосфор проявляет валентность V, в основном – III. Характерные степени окисления фосфора в соединениях –3, +3, +5; наиболее устойчивой является степень окисления +5. В соединениях фосфор может входить как в состав катионов, так и в состав анионов, например: $Ca_3P^{-3}_2, H_3P^{+5}O_4$

АЛЛОТРОПНЫЕ МОДИФИКАЦИИ ФОСФОРА

Фосфор может существовать в виде нескольких аллотропных модификаций, наиболее устойчивыми из которых являются белый, красный и черный фосфор.

БЕЛЫЙ ФОСФОР

Молекула белого фосфора (наиболее активного аллотропа) имеет молекулярную кристаллическую решетку, в узлах которой находятся четырехатомные молекулы $P_4 $тетраэдрического строения.

Белый фосфор мягкий, как воск, плавится и кипит без разложения, обладает чесночным запахом. На воздухе белый фосфор быстро окисляется (светится зеленоватым цветом). Он нерастворим в воде, но хорошо растворяется в сероуглероде ($CS_2$). Воспламеняется при 35$^circ C$ или от трения, поэтому его хранят и режут под слоем воды. Обладает очень высокой химической активностью. При нагревании без доступа воздуха до 250–300 $^circ C$ превращается в красный фосфор.

Ядовит (даже в малых дозах, ПДК = 0,03 мг/м3, смертельная доза – 0,15 г ). Противоядием служит сильно разбавленный раствор сульфата меди (II). Он обезвреживает фосфор, переводя его в фосфид меди.

КРАСНЫЙ ФОСФОР

Красный фосфор – это неорганический полимер; макромолекулы $P_n$ могут иметь как циклическое, так и ациклическое строение.Красный фосфор – твёрдое порошкообразное вещество тёмно-красного цвета, нерастворимое в воде и сероуглероде По свойствам резко отличается от белого фосфора: не ядовит, не светится в темноте, не растворяется в сероуглероде и других органических растворителях, не обладает высокой химической активностью. При комнатной температуре медленно переходит в белый фосфор; при нагревании до 200 $^circ C$ под давлением превращается в черный фосфор.

ЧЕРНЫЙ ФОСФОР

Черный фосфор по виду похож на графит: имеет металлический блеск. По структуре – это неорганический полимер, молекулы которого имеют слоистую структуру.

Полупроводник. Не ядовит. Химическая активность значительно ниже, чем у белого фосфора. На воздухе устойчив. При нагревании переходит в красный фосфор.

Известны также и другие модификации – фиолетовый и коричневый фосфор. Эти разновидности элемента пока ещё не находят широкого практического применения

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФОСФОРА

Наиболее активным в химическом отношении является белый фосфор (но на практике предпочитают работать с красным фосфором). Он может проявлять в реакциях свойства как окислителя, так и восстановителя, например: 

1) При взаимодействии с водой фосфор диспропорционирует (является и окислителем и восстановителем одновременно) с образованием фосфина и фосфорноватистой кислоты:

$4P^0 + 6H_2O rightarrow P^{-3}H_3 + 3H_3P^{+1}O_2$

$P^0 +3bar{e} rightarrow  P^{-3}hspace{1 cm}textrm{окислитель (процесс восстановление)}$

$P^0 -bar{e} rightarrow  P^{+1}hspace{1 cm}textrm{восстановитель (процесс окисление)}$

2) С растворами щелочей фосфор образует фосфин и гипофосфиты:

$4P^0 + 3KOH + 3H2O rightarrow  P^{-3}H_3 + 3KH_2P^{+1}O_2$

$P^0 +3bar{e} rightarrow  P^{-3}hspace{1 cm}textrm{окислитель (процесс восстановление)}$

$P^0 -bar{e} rightarrow  P^{+1}hspace{1 cm}textrm{восстановитель (процесс окисление)}$

3) Фосфор не реагирует с большинством кислот, однако сильные кислоты-окислители (азотная, серная, хлорная) превращают фосфор в (орто)фосфорную кислоту:

$3P^0 + 5HN^{+5}O_3textrm{(разб.)} + 2H_2O rightarrow 3H_3P^{+ 5}O_4 + 5N^{+2}O$

$P^0 -5bar{e} rightarrow  P^{+5}hspace{1 cm}textrm{восстановитель (процесс окисление)}$

$N^{+5} +3bar{e} rightarrow  N^{+2}hspace{1 cm}textrm{окислитель (процесс восстановление)}$

$P^0_{textrm{(кр.)}} + 5HN^{+5}O_{3textrm{(конц.)}} rightarrow H_3P^{+5}O_4 + 5N^{+4}O_2 + H_2O$

$P^0 -5bar{e} rightarrow  P^{+5}hspace{1 cm}textrm{восстановитель (процесс окисление)}$

$N^{+5} +1bar{e} rightarrow  N^{+4}hspace{1 cm}textrm{окислитель (процесс восстановление)}$

$2P^0 + 5H_2S^{+6}O_{4textrm{(конц.)}}  rightarrow  2H_3P^{+5}O_4 + 5S^{+4}O_2 + 2H_2O$

$P^0 -5bar{e} rightarrow  P^{+5}hspace{1 cm}textrm{восстановитель (процесс окисление)}$

$S^{+6} +2bar{e} rightarrow  S^{+4}hspace{1 cm}textrm{окислитель (процесс восстановление)}$

4) Реакция окисления также происходит при поджигании спичек, в качестве окислителя выступает бертолетова соль:

$6P + 5KClO_3 rightarrow 5KCl + 3P_2O_5$

$P^0 -5bar{e} rightarrow  P^{+5}hspace{1 cm}textrm{восстановитель (процесс окисление)}$

$Cl^{+5} +6bar{e} rightarrow  Cl^{-1}hspace{1 cm}textrm{окислитель (процесс восстановление)}$

ПРИМЕНЕНИЕ ФОСФОРА

Белый фосфор используют:

• для изготовления зажигательных снарядов, светящихся в темноте составом и для создания так называемых «дымовых завес», т.к. при горении фосфора образуется густой дым ($P_2O_5$);

• для получения препаратов, которые используют для уничтожения насекомых-вредителей;

• для производства фосфорной кислоты;

• природные соединения фосфора: апатиты и фосфориты используются в производстве минеральных удобрений.

Красный фосфор используют в производстве спичек: входит в состав массы, наносимой на боковую сторону спичечной коробки.

Черный фосфор применяют очень редко.

Получение фосфора

Фосфор в промышленности получают из фосфата кальция $Ca_3(PO_4)_2,hspace{0.5 cm}$ который выделяют из фосфоритов и фторапатитов. Метод получения основан на реакции восстановления $Ca_3(PO_4)_2hspace{0.5 cm}$ до фосфора:

$Ca_3(PO_4)_2 + 3SiO_2 + 5C rightarrow 2P + 5CO + 3CaSiO_3$

В качестве восстановителя соединений фосфора используют кокс (углерод). Для связывания соединений кальция в реакционную систему добавляют кварцевый песок $SiO_2$. Процесс проводят в электропечах (производство относят к электротермическим), без доступа воздуха. Из-за наличия примесей технический фосфор имеет желтый цвет, поэтому в промышленности его называют желтым фосфором.

НАХОЖДЕНИЕ В ПРИРОДЕ

В природе фосфор встречается в виде соединений (солей), важнейшими из которых являются:

• фосфорит ($Ca_3(PO_4)_2$),

• хлорапатит ($Ca_3(PO_4)_2 cdot CaCl_2$),

• фторапатит ($Ca_3(PO_4)_2 cdot CaF_2$). 

БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ФОСФОРА

Фосфор известен как элемент жизни. Это не случайно: он играет важную роль в процессах накопления и освобождения энергии в клетках, задействован в передаче нервных импульсов.  

Он входит в состав нуклеиновых кислот, участвующих в процессах роста и деления клеток, хранения и использования генетической информации (ДНК и РНК).

В составе костей скелета содержится примерно 85% от всего фосфора, находящегося в организме. Фосфор обеспечивает нормальную и здоровую структуру десен и зубов.