Какое число молекул содержится в 10 г ортофосфорной кислоты

Продолжение. Cм. в № 22/2005;
1, 2, 3, 5, 6, 8, 9, 11, 13, 15, 16, 18, 22/2006;
3, 4, 7, 10, 11, 21/2007;
2, 7, 11, 18, 19, 21/2008;
1, 3, 10, 11/2009

ЗАНЯТИЕ 30

10-й класс (первый год обучения)

Фосфор и его соединения

П л а н

1.
Положение в таблице Д.И.Менделеева, строение
атома.

2. Краткая история открытия и происхождение
названия.

3. Физические свойства.

4. Химические свойства.

5. Нахождение в природе.

6. Основные методы получения

7. Важнейшие соединения фосфора.

Фосфор находится в главной подгруппе V группы
периодической системы Д.И.Менделеева. Его
электронная формула 1s22s2p63s2p3,
это р-элемент. 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:

Фосфор получил свое название благодаря
свойству белого фосфора светиться в темноте.
Греческое слово переводится как «несущий свет». Этим
названием фосфор обязан своему первооткрывателю
– алхимику Бранду, который, завороженный
свечением белого фосфора, пришел к выводу, что
получил философский камень.

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

Молекула белого фосфора (наиболее
активного аллотропа) имеет молекулярную
кристаллическую решетку, в узлах которой
находятся четырехатомные молекулы Р4
тетраэдрического строения.

Белый фосфор мягкий, как воск, плавится и кипит
без разложения, обладает чесночным запахом. На
воздухе белый фосфор быстро окисляется (светится
зеленоватым цветом), возможно самовоспламенение
мелкодисперсного белого фосфора. В воде
нерастворим (хранят под слоем воды), но хорошо
растворяется в органических растворителях.
Ядовит (даже в малых дозах, ПДК = 0,03 мг/м3).
Обладает очень высокой химической активностью.
При нагревании без доступа воздуха до 250–300 °С
превращается в красный фосфор.

Красный фосфор – это неорганический
полимер; макромолекулы Рn могут иметь
как циклическое, так и ациклическое строение. 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 °С под давлением превращается в черный
фосфор.

Черный фосфор по виду похож на графит.
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.

Х и м и ч е с к и е  с в о й с т в а

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:

Н2 (+):

О2 (+):

4Р + 3О2 2Р2О3,

4Р + 5О2 2Р2О5.

Металлы (+/–)*:

3Ca + 2P Ca3P2,

3Na + P Na3P,

Cu + P реакция не
идет.

Неметаллы (+):

но

2Р + 3I 2PI3,

6P + 5N2 2P2N5.

Н2О (+):

Основные оксиды (–).

Кислотные оксиды (–).

Щелочи (+):

Кислоты (не окислители) (–).

Кислоты-окислители (+):

3P (кр.) + 5HNO3 (разб.) + 2H2O =  3H3PO4
+ 5NO,

P (кр.) + 5HNO3 (конц.) H3PO4 + 5NO2 + H2O,

2P (кр.) + H2SO4 (конц.) 2H3PO4 + 5SO2 + 2H2O.

Соли (–)**.

В п р и р о д е фосфор встречается в виде
соединений (солей), важнейшими из которых
являются фосфорит (Ca3(PO4)2),
хлорапатит (Ca3(PO4)2•CaCl2) и
фторапатит (Ca3(PO4)2•CaF2).
Фосфат кальция содержится в костях всех
позвоночных животных, обусловливая их прочность.

Фосфор п о л у ч а ю т в электропечах, сплавляя
без доступа воздуха фосфат кальция, песок и
уголь:

Сa3(PO4)2 + 3SiO2 + 5C 2P + 5CO + 3CaSiO3.

К важнейшим соединениям фосфора относятся:
фосфин, оксид фосфора(III), оксид фосфора(V),
фосфорные кислоты.

Ф о с ф и н

Это водородное соединение фосфора, бесцветный
газ с чесночно-рыбным запахом, очень ядовит.
Плохо растворим в воде, но хорошо растворим в
органических растворителях. Гораздо менее
устойчив, чем аммиак, но является более сильным
восстановителем. Практического значения не
имеет.

Для п о л у ч е н и я фосфина обычно не используют
реакцию прямого синтеза из простых веществ;
наиболее распространенный способ получения
фосфина – гидролиз фосфидов:

Сa3P2 + 6HOH = 3Ca(OH)2 + 2PH3.

Кроме того, фосфин можно получить реакцией
диспропорционирования между фосфором и
растворами щелочей:

4P + 3KOH + 3H2O
PH3 + KPO2H2,

или из солей фосфония:

PH4I PH3 + HI,

PH4I + NaOH PH3 + NaI + H2O.

Химические свойства фосфина целесообразно
рассматривать с двух сторон.

Кислотно-основные свойства. Фосфин
образует с водой неустойчивый гидрат,
проявляющий очень слабые основные свойства:

PH3 + H2O PH3•H2O (PH4OH),

PH3 + HCl PH4Cl,

2PH3 +H2SO4 (PН4)2SO4.

Окислительно-восстановительные свойства.
Фосфин – сильный восстановитель:

2PH3 + 4O2 P2O5 + 3H2O,

PH3 + 8AgNO3 + 4H2O = H3PO4
+ 8Ag + 8HNO3.

О к с и д  ф о с ф о р а(III)

Оксид Р2О3 (истинная формула – Р4О6)
– белое кристаллическое вещество, типичный
кислотный оксид. При взаимодействии с водой на
холоде образует фосфористую кислоту (средней
силы):

P2O3 + 3H2O = 2H3PO3

Поскольку фосфористая кислота является
двухосновной, при взаимодействии триоксида
фосфора со щелочами образуется два типа
солей – гидрофосфиты и дигидрофосфиты.

Например:

P2O3 + 4NaOH = 2Na2HPO3 + H2O,

P2O3 + 2NaOH + H2O = 2NaH2PO3.

Диоксид фосфора Р2О3 окисляется
кислородом воздуха до пентаоксида:

P2O3 + O2 P2O5.

Триоксид фосфора и фосфористая кислота
являются достаточно сильными восстановителями.
Получают оксид фосфора(III) медленным окислением
фосфора в недостатке кислорода:

4P + 3O2 2P2O3.

О к с и д  ф о с ф о р а(V) и  ф о с ф о р
н ы е  к и с л о т ы

Пентаоксид фосфора Р2О5
(истинная формула – Р4О10) – белое
гигроскопичное кристаллическое вещество. В
твердом и газообразном состояниях молекула
существует в виде димера, при высоких
температурах мономеризуется. Типичный кислотный
оксид. Очень хорошо растворяется в воде, образуя
ряд фосфорных кислот:

метафосфорную:

P2O5 + H2O= 2HPO3

пирофосфорную (дифосфорную):

P2O5 + 2H2O= H4P2O7

ортофосфорную (фосфорную):

P2O5 + 3H2O= 2H3PO4

Пентаоксид фосфора проявляет все свойства,
характерные для кислотных оксидов, например:

P2O5 + 3H2O= 2H3PO4,

P2O5 + 3CaO 2Ca3(PO4)2;

может образовывать три типа солей:

Окислительные свойства для него не характерны,
т.к. степень окисления +5 является для фосфора
очень устойчивой. Получают пентаоксид фосфора
при горении фосфора в достаточном количестве
кислорода:

4P + 5O2 2P2O5.

Ортофосфорная кислота Н3РО4 –
бесцветное кристаллическое вещество, очень
хорошо растворимое в воде, гигроскопична. Это
трехосновная кислота средней силы; не обладает
выраженными окислительными свойствами.
Проявляет все химические свойства, характерные
для кислот, образует три типа солей (фосфаты,
гидрофосфаты и дигидрофосфаты):

2H3PO4 + 3Ca = Ca3(PO4)2
+ 3H2,

H3PO4 + Cu  ,

2H3PO4 + 3CaO = Ca3(PO4)2
+ 3H2O,

2H3PO4 + K2CO3 = 2KH2PO4
+ CO2 + H2O.

В промышленности фосфорную кислоту п о л у ч а ю
т экстракционным:

Ca3(PO4)2 + 3H2SO4
= 2H3PO4 + 3CaSO4,

а также термическим методом:

Ca3(PO4)2 + 3SiO2 + 5C 3СaSiO3 + 2P + 5CO,

4P + 5O2 2P2O5,

P2O5 + 3H2O = 2H3PO4.

К лабораторным методам получения
ортофосфорной кислоты относят действие
разбавленной азотной кислоты на фосфор:

3Р (кр.) + 5HNO3 (разб.) + 2Н2О = 3H3PO4
+ 5NO,

взаимодействие метафосфорной кислоты с водой
при нагревании:

HPO3 + H2O H3PO4.

В организме человека ортофосфорная кислота
образуется при гидролизе аденозинотрифосфорной
кислоты (АТФ):

АТФ АДФ + H3PO4.

Качественной реакцией на фосфат-ион
является реакция с катионом серебра; образуется
осадок желтого цвета, не растворимый в
слабокислых средах:

3Ag+ + = Ag3PO4,

3AgNO3 + K3PO4 = Ag3PO4 + 3KNO3.

Кроме вышеперечисленных фосфорных кислот
(содержащих фосфор в степени окисления +5), для
фосфора известно много других
кислородсодержащих кислот. Приведем некоторые
из важнейших представителей.

Фосфорноватистая (НРО2Н2) –
одноосновная кислота средней силы. Второе ее
название – фосфиновая:

Соли этой кислоты называют гипофосфитами, или
фосфитами, например KРО2Н2.

Фосфористая (Н3РО3) –
двухосновная кислота средней силы, немного
слабее фосфорноватистой. Также имеет второе
название – фосфоновая:

Ее соли называются фосфиты, или фосфонаты,
например K2РО3Н.

Дифосфорная (пирофосфорная) (Н4Р2О7)
– четырехосновная кислота средней силы, чуть
сильнее ортофосфорной:

Соли – дифосфаты, например K4P2O7.

Тест по теме «Фосфор и его
соединения»

1.
Исключите «лишний» элемент из перечисленных по
принципу возможности образования аллотропных
модификаций:

а) кислород; б) азот;

в) фосфор; г) сера.

2. При взаимодействии 42,6 г фосфорного
ангидрида и 400 г 15%-го раствора гидроксида натрия
образуется:

а) фосфат натрия;

б) гидрофосфат натрия;

в) смесь фосфата и гидрофосфата натрия;

г) смесь гидро- и дигидрофосфата натрия.

3. Сумма коэффициентов в уравнении
электролитической диссоциации фосфата калия
равна:

а) 5; б) 3; в) 4; г) 8.

4. Число электронов на внешнем уровне атома
фосфора:

а) 2; б) 3; в) 5; г) 15.

5. Фосфор, полученный из 33 г технического
фосфата кальция, сожгли в кислороде.
Образовавшийся оксид фосфора(V) прореагировал с
200 мл 10%-го раствора гидроксида натрия
(плотность – 1,2 г/мл) с образованием средней
соли. Масса примесей в техническом образце
фосфата кальция (в г) составляет:

а) 3,5; б) 1,5; в) 2; г) 4,8.

6. Число -связей
в молекуле пирофосфорной кислоты:

а) 2; б) 12; в) 14; г) 10.

7. Число атомов водорода, содержащихся в
4,48 л (н.у.) фосфина равно:

а) 1,2•1023; б) 0,6•1023;

в) 6,02•1023; г) 3,6•1023.

8. При температуре 30 °С некая реакция
протекает за 15 с, а при 0 °С – за 2 мин.
Коэффициент Вант-Гоффа для данной реакции:

а) 2,4; б) 2; в) 1,8; г) 3.

9. Ортофосфорная кислота может реагировать
со следующими веществами:

а) оксид меди(II); б)гидроксид калия;

в) азотная кислота; г) цинк.

10. Сумма коэффициентов в реакции между
фосфором и бертолетовой солью равна:

а) 9; б) 6; в) 19; г) такая реакция невозможна.

Ключ к тесту

Задачи и упражнения на фосфор и его
соединения

Ц е п
о ч к и  п р е в р а щ е н и й:

1. Фосфор —> пентаоксид фосфора —>
ортофосфорная кислота —> фосфат кальция ®
фосфорная кислота.

2. Фосфат кальция —> фосфор —> фосфид
кальция —> фосфин —> пентаоксид фосфора —>
фосфорная кислота —> дигидрофосфат кальция.

3. Фосфат кальция —> А —> В —> С —> Д
—> Е —> фосфат кальция. Все вещества содержат
фосфор, в схеме три ОВР подряд.

4. Фосфор —> пентаоксид фосфора —> фосфат
кальция —> фосфор —> фосфин —> фосфорная
кислота —> дигидрофосфат кальция.

5. Фосфид кальция (+ р-р соляной кислоты) —>
А (+ кислород) —> В (+ гидроксид натрия,
недостаток) —> С (+ гидроксид натрия, избыток)
—> Д (+ гидроксид кальция) —> Е.

1. При полном сгорании 6,8 г вещества
получили 14,2 г пентаоксида фосфора и 5,4 г воды.
К полученным продуктам реакции добавили 37 мл
32%-го раствора едкого натра (плотность 1,35 г/мл).
Установите формулу исходного вещества и
определите концентрацию полученного раствора.

Решение

Уравнение реакции:

(P2O5) =
0,1 моль, (H2O) =
0,3 моль.

(P) = 0,2 моль, (H) = 0,6 моль.

m(P) = 6,2 г, m(H) = 0,6 г.

m = 6,8 г.

(P) : (Н) = 0,2 : 0,6 = 1 : 3.

Следовательно, формула исходного вещества –
PH3, а уравнение реакции:

тогда фосфорной кислоты образуется:

(H3PO4)
= 2(P2O5) =
0,2 моль.

Со щелочью фосфорная кислота может реагировать
следующим образом:

Определим по условию задачи количество
вещества NaOH:

(Н3PO4)
: (NaOН) = 0,2 : 0,4 = 1 : 2,

следовательно, идет реакция 2.

(Na2HPO4)
= (Н3PO4)
= 0,2 моль;

m(Na2HPO4) = M(Na2HPO4)•(Na2HPO4) =
142•0,2 = 28,4 г;

m(р-ра) = m(Р2О5) + m(Н2О)
+ m(р-ра NaOH) =14,2 + 5,4 + 37•1,35 = 69,55 г.

(Na2HPO4)
= m(Na2HPO4)/m(р-ра) = 28,4/69,55 = 0,4083, или
40,83 %.

Ответ. PH3; (Na2HPO4) = 40,83 %.

2. При полном электролизе 1 кг раствора
сульфата железа(II) на катоде выделилось 56 г
металла. Какая масса фосфора может вступить в
реакцию с веществом, выделившимся на аноде, и
каков будет состав соли, если полученный продукт
реакции растворить в 87,24 мл 28%-го раствора
гидроксида натрия (плотность раствора 1,31 г/мл)?

Ответ. 12,4 г фосфора; гидрофосфат
натрия.

3. 20 г смеси, состоящей из сульфата бария,
фосфата кальция, карбоната кальция и фосфата
натрия, растворили в воде. Масса
нерастворившейся части составила 18 г. При
действии на нее соляной кислоты выделилось 2,24 л
газа (н.у.) и масса нерастворимого остатка
составила 3 г. Определите состав исходной смеси
солей по массе.

Ответ. Na3PO4 – 2 г; BaCO3
– 3 г;
CaCO3 – 10 г; Ca3(PO4)3 – 5 г.

4. Сколько кг фосфора может быть получено из
1 т фосфорита, содержащего 40 % примесей? Какой
объем при н.у. займет фосфин, полученный из этого
фосфора?

Ответ. 120 кг P; 86,7 м3 PH3.

5. 40 г минерала, содержащего 77,5 % фосфата
кальция, смешали с избытком песка и угля и
нагрели без доступа воздуха в электрической
печи. Полученное простое вещество растворили в
140 г 90%-й азотной кислоты. Определите массу
гидроксида натрия, который потребуется для
полной нейтрализации продукта окисления
простого вещества.

Ответ. 24 г NaOH.

1. Для полной нейтрализации
раствора, полученного при гидролизе 1,23 г
некоторого галогенида фосфора, потребовалось 35
мл 2М раствора гидроксида калия. Определите
формулу галогенида.

Ответ. Трифторид фосфора.

2. Пробу безводного этанола, содержащего в
качестве примеси 0,5 % оксида фосфора(V), сожгли в
достаточном количестве кислорода.
Образовавшиеся газы отделили, а полученный
раствор нагрели до прекращения выделения газа,
после чего к нему добавили равный по массе 0,5%-й
раствор гидроксида калия. Определите массовые
доли веществ в полученном растворе.

Ответ. K2HPO4 – 0,261 %;
KH2PO4 – 0,204 %.

3. К 2 г смеси гидрофосфата и дигидрофосфата
калия, в которой массовая доля фосфора равна
20 %, добавили 20 г 2%-го раствора фосфорной
кислоты. Вычислите массовые доли веществ в
полученном растворе.

Ответ. KH2PO4 – 9,03 %;
K2HPO4 (ост.) – 1,87 %.

4. При обработке водой смеси гидрида и
фосфида щелочного металла с равными массовыми
долями образовалась газовая смесь с плотностью
по азоту 0,2926. Установите, какой металл входил в
состав соединений.

Ответ. Натрий.

5. 50 г смеси фосфата кальция и карбонатов
кальция и аммония прокалили, в результате
получили 25,2 г твердого остатка, к которому
добавили воду, а затем пропустили избыток
углекислого газа. Масса нерастворившегося
остатка составила 14 г. Определите массу
карбоната аммония в исходной смеси.

Решение

При прокаливании смеси идут следующие
процессы:

1) Ca3(PO4)2;

2) 

3) (NH4)2CO3
2NH3 + СO2 + H2O.

В твердом остатке – Са3(PO4)2 и
CaO.

После добавления воды:

4) Ca3(PO4)2 + H2O;

5) СаО + H2O = Ca(OH)2.

После пропускания углекислого газа:

6) Са(ОН)2 + H2O + CO2 = Ca(HСО3)2.

Нерастворившийся остаток – Ca3(PO4)2,
следовательно, m(Ca3(PO4)2) = 14 г.

Находим массу CaO:

m(CaO) = 25,2 – 14 = 11,2 г.

(CaO) = 11,2/56
= 0,2 моль,

(CaCO3)
= (CaO) = 0,2 моль,

тогда

m(CaCO3) = 0,2•100 = 20 г.

m(NH4)2CO3 = m(смеси)
– m(Ca3(PO4)2) – m(CaCO3) =
50 – 14 – 20 = 16 г.

Ответ. m(NH4)2CO3 =
16 г.

К а ч е с т в е н н ы е  з а д а ч и

1. Твердое, белое, хорошо растворимое в воде
соединение А представляет собой кислоту. При
добавлении к водному раствору А оксида В
образуется белое нерастворимое в воде
соединение С. В результате прокаливания при
высокой температуре вещества С в присутствии
песка и угля образуется простое вещество,
входящее в состав А. Идентифицируйте вещества,
напишите уравнения реакций.

Ответ. Вещества: А – H2PO4,
В – CaO,
C – Ca3(PO4)2.

2. Смесь двух твердых веществ красного цвета
(А) и белого цвета (В) воспламеняется при слабом
трении. В результате реакции образуются два
твердых вещества белого цвета, одно из которых (С)
растворяется в воде с образованием кислого
раствора. Если к веществу С добавить оксид
кальция, образуется белое нерастворимое в воде
соединение. Идентифицируйте вещества, напишите
уравнения реакций.

Ответ. Вещества: А – P (кр.), В – KClO3,
C – P2O5.

3. Нерастворимое в воде соединение А белого
цвета в результате прокаливания при высокой
температуре с углем и песком в отсутствии
кислорода образует простое вещество В,
существующее в нескольких аллотропных
модификациях. При сгорании вещества В образуется
соединение С, растворяющееся в воде с
образованием кислоты Е, способной образовывать
три типа солей. Идентифицируйте вещества,
напишите уравнения реакций.

Ответ. Вещества: А – Ca3(PO4)2,
В – P,
C – P2O5, Е – H3PO4.

* Знак +/– означает,
что данная реакция протекает не со всеми
реагентами или в специфических условиях.

** Интересной
является окислительно-восстановительная
реакция (ОВР), протекающая при зажигании спичек:

Продолжение следует