Фосфор в химии: подготовка к ЕГЭ (формула, химические свойства, описание, получение и применение)

История открытия

В 1669 году гамбургский купец и по совместительству алхимик Хенниг Брандт в очередной раз попытался осуществить мечту всех средневековых алхимиков: найти легендарный философский камень, якобы превращающий все металлы в золото и дарующий бессмертие. К сожалению, и на этот раз философский камень не был найден, зато Хеннигу посчастливилось сделать еще одно не менее важное открытие в области химии. На этот раз в качестве эксперимента немецкий алхимик решил выпарить воду из… человеческой мочи. В результате ряда сложных химических манипуляций с собственной мочой в реторте у алхимика образовалось неизвестное ранее светящееся вещество — фосфор.

Кстати, само слово «фосфор» переводится с древнегреческого как «несущий свет». Такое название он получил за невероятную способность светиться в темноте. Первооткрыватель фосфора алхимик Хенниг Брандт быстро осознал пользу этого открытия и показывал светящийся фосфор разным знатным и богатым господам за большие деньги, скопив при этом большое состояние (в то время в Европе не было столько развлечений , поэтому научно-популярные изображения предприимчивого алхимика пользовались повышенным спросом).

Однако Хенинг Брандт не был первым, кто извлек фосфор эмпирическим путем. Еще до него, в 12 веке, это удалось сделать арабскому алхимику Альхид Бехилю, еще благодаря химическим манипуляциям с мочой и глиной, но его открытие было утеряно, и именно повторное открытие фосфора немецким алхимиком принесло большую известность к этому химическому элементу.

Первое время после открытия фосфор вызывал лишь любопытство своим блеском, и только в конце 19 века ученые поняли, что фосфор является еще и чрезвычайно важным полезным микроэлементом для жизнедеятельности человеческого организма.

Строение атомов фосфора

Атом фосфора имеет 15 электронов, которые находятся на трех электронных оболочках:

На внешней электронной оболочке атомы фосфора, как и атомы азота, имеют по 5 электронов. В соединениях с металлами и водородом фосфор имеет степень окисления -3, например, в фосфиде кальция
Максимальная положительная степень окисления атомов фосфора в соединениях равна +5, например, в фосфорной кислоте
Атомы фосфора также имеют степень окисления +3, например, во фториде фосфора

Строение и физические свойства простых веществ

Фосфор образует несколько аллотропных модификаций, которые называются белым, красным и черным фосфором.

Белый фосфор состоит из молекул
который имеет форму тетраэдра. В таких молекулах каждый из четырех атомов фосфора ковалентно связан с тремя другими . Как молекулярное соединение белый фосфор легкоплавок и летуч. Белый фосфор — высокотоксичное вещество, воспламеняющееся на воздухе и светящееся в темноте. Храните его под водой.

Белый фосфор впервые был получен из мочи алхимиком Хоннигом Брандтом в 1669 году в виде светящейся в темноте массы. Отсюда и название этого элемента (фосфор в переводе с греческого означает «носитель света»).

На свету и при нагревании до 300°С без доступа воздуха белый фосфор превращается в порошок, цвет которого может варьироваться от красновато-коричневого до красно-фиолетового (красный фосфор). Красный фосфор нелетуч, нерастворим в воде и нетоксичен.

Красный и черный фосфор, о которых вы узнаете больше из курса химии в 11 классе, имеют сложную структуру.

Химические свойства фосфора

Химически фосфор достаточно активен — он соединяется непосредственно со многими простыми веществами с выделением большого количества тепла. При этом фосфор проявляет как окислительные, так и восстановительные свойства.

Окислительные свойства фосфора проявляются при взаимодействии его с наиболее активными металлами. При этом образуются фосфиды:

Восстановительные свойства фосфора проявляются при его взаимодействии с кислородом. Но разные модификации фосфора обладают разной химической активностью. Например, белый фосфор при комнатной температуре легко окисляется на воздухе с образованием оксида фосфора (III):

Окисление белого фосфора сопровождается свечением. Белый и красный фосфор при поджигании воспламеняются и горят ослепительно ярким пламенем с образованием белого дыма из оксида фосфора (V):

Применение фосфора

Фосфор используется в производстве фосфорной кислоты и фосфорных удобрений, полупроводниковых материалов в качестве компонента покрытий стальных изделий и др. (рис. 81). Белый фосфор используется для изготовления трассирующих боеприпасов как дымообразующее и зажигательное средство, красный фосфор является основным компонентом смеси для спичечных коробков.

Современные спички, которые зажигаются при трении их о специальную поверхность, были изобретены в Швеции в 1855 году. На боковые поверхности смесью измельченного стекла наносится масса, состоящая из соединений красного фосфора, оксида железа (III) Fe2O3, сурьмы и марганца и клей из спичечного коробка. В состав спичечной головки входят хлорат калия KClO3, сера, наполнители и клей. При трении головки спички о слои люминофора происходит воспламенение:

• Фосфор образует несколько аллотропных модификаций: белый, красный и черный фосфор.
• Белый фосфор очень токсичен.
• Фосфор проявляет восстановительные свойства в реакции с кислородом и окислительные свойства в реакциях с активными металлами.

Получения

Для получения чистого белого фосфора химики просверливают природные фосфаты вместе с коксом и песком в электропечи. Однако вместо фосфатов можно использовать другие неорганические соединения фосфора, такие как метафосфорная кислота. Красный и черный фосфор получают уже из белого фосфора различными манипуляциями с последним (нагревание, повышение давления).

Действие фосфора, его функции и роль в организме человека

Теперь давайте ответим на вопрос, какова роль фосфора в организме человека? А она очень большая, так как фосфор участвует во всех обменных процессах, происходящих в нашем организме. Большая часть фосфора содержится в костях и зубах. Вместе с кальцием фосфор формирует правильную структуру костной ткани, а при нарушении соотношения кальция и фосфора кости могут стать хрупкими и возрастет риск переломов.

Помимо костей и зубов, фосфор оказывает влияние и на самое главное – умственную деятельность человека, ведь он содержится в наших мозговых тканях и нервах. От фосфора зависит работа нервной системы, с его помощью осуществляется обмен липидов и белков, биосинтез всех необходимых органических веществ. Наконец, фосфор входит в состав ДНК и РНК, участвует в ферментативных процессах, поддерживающих кислотно-щелочное равновесие в организме.

Электронная схема фосфора

В: 1с2 2с2 2п6 3с2 3п3
Короткая запись:
В: Ne3s2 3p3

Атом фосфора и -1Si, +1S, +2Cl имеют одинаковую электронную конфигурацию

Порядок заполнения оболочек атома фосфора (P) электронами: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s → 5f → 6д → 7р.

На подуровне «s» может находиться до 2 электронов, на «s» до 6, на «d» до 10 и на «f» до 14 электронов

Фосфор имеет 15 электронов, заполняют электронные оболочки в порядке, описанном выше:

2 электрона на 1s подуровень

2 электрона на 2s-подуровень

6 электронов на подуровень 2p

2 электрона на 3s подуровень

3 электрона на подуровне 3p

Степень окисления фосфора

Атомы фосфора в соединениях имеют степени окисления 5, 4, 3, 2, 1, 0, -1, -2, -3.

Степень окисления – это условный заряд атома в соединении: связь в молекуле между атомами основана на обмене электронами, поэтому, если заряд атома виртуально увеличивается, то степень окисления отрицательная (электроны переносят отрицательный заряд), если заряд уменьшается, то степень окисления положительная.

Ионы фосфора

5+П 4+П 3+П 2+П 1+ПП 01-П 2-П 3-П

Валентность P

Атомы фосфора в соединениях имеют валентность V, IV, III, II, I.

Валентность фосфора характеризует способность атома Р к образованию химических связей. Валентность обусловлена ​​строением электронной оболочки атома, электроны, участвующие в образовании химических соединений, называются валентными электронами. Более широкое определение валентности:

Количество химических связей, посредством которых данный атом соединяется с другими атомами

Валентность не имеет знака.

Квантовые числа P

Квантовые числа определяются последним электроном в конфигурации, для атома P эти числа имеют значение N = 3, L = 1, Ml = 1, Ms = ½

Таблица валентности химических элементов.

Что не указано в таблице валентности, так это то, что валентность элемента может быть постоянной и переменной.

Знание валентности элементов необходимо для правильного составления химических формул соединений.

Таблица характерных значений валентностей некоторых атомов химических соединений.

Белый фосфор

Получение этой аллотропной модификации фосфора можно назвать «фантастической случайностью». В конце XVII века немецкий алхимик Хеннинг Бранд работал над получением философского камня. Согласно легендам того времени, он обладал удивительными свойствами: превращал черные металлы в золото, даровал вечную жизнь и свободу. Выпаривая мочу, ученый получил сухой остаток. Поскольку это вещество светилось в темноте, Бранд решил, что это философский камень. Это был белый фосфор.

Рассмотрим свойства и строение этой аллотропной модификации фосфора. Это бесцветное или желтоватое кристаллическое вещество. Его твердость невелика: под водой белый фосфор можно резать ножом. Нерастворим в воде, плавится при 44 градусах Цельсия.

Эта аллотропная модификация фосфора отличается от всех других своей важной химической активностью. Уже при 40 градусах он вступает в реакцию с кислородом и воспламеняется. Эта форма самая ядовитая.

Желтый фосфор

Это вещество относится к группе высокотоксичных. Желтый фосфор называют сырым белым. Он легко воспламеняется на воздухе. При этом образуется ярко-зеленое пламя и выделяется большое количество едкого белого дыма. Поскольку желтый фосфор способен к самовозгоранию, его хранят и транспортируют только под слоем воды.

Красный фосфор

Аллотропные модификации фосфора могут переходить друг в друга. Для этого нужны определенные условия. Так, при длительном нагревании в условиях высокого давления и в присутствии углекислого газа белый фосфор становится красным. Эта реакция впервые была проведена в конце 19 века австрийским химиком Риттером Шреттером.

Красный фосфор химически менее активен. Это вещество растворяется только в расплавленных свинце и висмуте. Процесс воспламенения не происходит при повышении температуры. Красный фосфор превращается в пар, который затем становится белым. Но чтобы возник пожар, необходимо взбить или растереть это вещество.

Эта модификация менее ядовита, чем белая. Поэтому он широко используется в производстве спичек как основа вещества поверхности сетки коробки.

Черный фосфор

Только в 20 веке стало известно, что фосфор образует аллотропные модификации, являющиеся его наиболее устойчивой и наименее активной формой. Это черный фосфор. На этот раз открытие принадлежало американскому физику Перси Бриджмену, лауреату Нобелевской премии. Но высокую награду он получил не за получение черного фосфора, а за создание устройства, способного создавать высокое атмосферное давление. Это было одним из условий, при которых красный фосфор становится черным.

Визуально эта модификация напоминает графит. Они представляют собой кристаллы черного цвета с металлическим блеском, жирные на ощупь, нерастворимые в воде и органических веществах. Это вещество плавится только при температуре 1000 градусов.