Fosfor i njegovi spojevi: oksidacijska stanja, formule

Fosfor i njegovi spojevi široko su rasprostranjeni u kori i morskoj vodi. Kao kemijski element pripada skupini pnictida, što znači da pripada 15. skupini Periodnog sustava. Aktivnost elementa je vrlo visoka, ona čini gotovo 200 prirodnih minerala, sadržana je u životinjskim tkivima, dio je proteina, masti, molekula koje razmjenjuju energiju i čuvaju nasljedne informacije u tijelu.

Alotropni oblici

Fosfor (P) je nemetalni, postoji u 11 alotropnih modifikacija, koje se razlikuju u boji, gustoći, kemijskim svojstvima. Glavne su 4:

• zelenkastobijela (žuta);
• crvena;
• crna;
• metala.

Preostali oblici još nisu u potpunosti shvaćeni, ali se vjeruje da su oni mješavina četiriju glavnih. Velike izmjene mogu ići jedna u drugu, jer su nestabilne. Na primjer, bijeli fosfor pod djelovanjem svjetla pretvara se u crvenu boju, koja se zatim pretvara u crnu, a zatim u metalik. Potonji oblik je stabilan, ali se sa svakom transformacijom smanjuje kemijska aktivnost tvari.

Bijeli fosfor

Ova alotropna modifikacija je predstavljena s P4 molekulama. Metastabilan je, omekšava se do sobnog voska na sobnoj temperaturi, postaje hladan na hladnom. Topljenje i ključanje odvijaju se bez raspadanja, zrak oksidira tvar i čini je sjajnom. Može se destilirati s parom, slabo zagrijavanje dovodi do isparavanja, a prisutnost kisika istovremeno osigurava paljenje čak i pod vodom.

Bijeli oblik otopiti u organskim spojevima: ugljikov disulfid, kloridi i bromidi trovalentnog fosfora, amonijak, kiseli plin, dithiodichloride. Teško je otopiti u tetrakloridu, nije osjetljiv na djelovanje vode, dobro je očuvan pod slojem.

Tvar se može dobiti reakcijom kalcijevog ortofosfata s koksom i koksom silicij oksid na 1000 stupnjeva Celzija. Druga metoda je razgradnja fosfornog trijodida na temperaturi od 100-120 stupnjeva Celzija.

Aktivnost bijelog fosfora je vrlo visoka: vraća plemenite metale iz njihovih soli, oksidira se kiselinama, vodikovim peroksidom, permanganatom, halogenima i halkogenima. Obnovljeno vodikom i metalima. Interakcija s alkalijama dovodi do reakcije nesrazmjernosti. Tvari za koje je bijeli fosfor inertan su ugljik i dušik.

Visoka kemijska aktivnost čini opasnost modifikacije. Spontano se pali pri dodiru s kožom, što rezultira ozbiljnim opeklinama. Osim toga, trovanje bijelim fosforom dovodi do poraza kostiju, sve do njihove smrti, a akumulacija u tijelu od 50-150 mg dovodi do smrti.

Žuti fosfor

Neliječeni bijeli fosfor naziva se žuti. Boja varira od svijetlo do tamno smeđe. Tvar se može skladištiti i transportirati samo pod slojem vode ili otopinom kalcijevog klorida, budući da je zapaljiva i otrovna, oksidirana zrakom iz kisika, što uzrokuje njegovo zapaljenje, praćeno paljenjem svijetlozelenog plamena i oslobađanjem debelog bijelog dima.

Za gašenje požara, potrebna vam je vrlo velika količina ledene vode, ali je bolje koristiti otopinu bakrenog sulfata. Kako bi se izbjeglo ponovno paljenje, ognjište koje se već gasi treba dodatno napuniti vlažnim pijeskom.

Crveni fosfor

Takva se modifikacija sastoji od polimernih molekula Pn različitih veličina. Metastabilan je i rendgenski amorfan, sublimira se pri zagrijavanju. Njegova kemijska aktivnost je slaba. Poput bijelog fosfora, ovaj oblik se oksidira u zraku, ali proces je mnogo sporiji i auto-paljenje se ne promatra dok temperatura ne dosegne 240 stupnjeva, ili se tvar ne podvrgne trenju. U prisutnosti vlage, crveni se oblik pretvara u oksid, a zatim u fosforna kiselina. Zbog toga se skladišti u hermetički zatvorenom spremniku, ali ako dođe do konverzije, ispere se vodom iz ostataka kemijskih spojeva fosfora i osuši.

Disulfid ugljika, kao i voda, ne može otopiti crvenu modifikaciju, ali to može učiniti fosfor tribromid i talina bizmuta ili olova, iz kojih se kristalizira P ₈ ljubičasti oblik.

Crveni fosfor se dobiva zagrijavanjem bijele boje u atmosferi ugljičnog monoksida na temperaturi od 500 stupnjeva Celzija. Ovisno o stupnju drobljenja može doći do varijacija boje od ljubičasto-crvene do tamno-ljubičaste s metalnim sjajem. Proces može ići u suprotnom smjeru: ako prevedete crvenu modifikaciju u paru, a zatim se ohladite, pretvorit će se u bijelu.

Upotreba crvenog fosfora i njegovih spojeva je široka. Prije svega, to je zbog činjenice da su oni znatno manje toksični od onih bijelog oblika. Koriste se u izradi šibica, jer se zapaljuju od trenja.

Crni i metalni fosfor

Ova modifikacija može se zamijeniti s grafitom, budući da ima izgled crnih sjajnih kristala s metalnim sjajem i slojevitom strukturom. Na dodir su debele. Crni fosfor se sastoji od kontinuiranih lanaca P _n . Kemijski je pasivan, stabilan na zraku i ne otapa se u vodi ili organskim spojevima. Spali se može zagrijati samo u atmosferi čistog kisika. U tom slučaju on provodi električnu struju. Ispada bijeli crni fosfor kada se zagrijava iznad 200 stupnjeva i pod tlakom od 13-20 tisuća atmosfera. U metalu se pretvara u 820 tisuća atmosfera.

apatit

Fosfor i njegovi spojevi čine gotovo dvjesto minerala. Najpoznatiji od njih je apatit. U prirodi može izgledati drugačije. Često je sličan berilu, diopsidu ili turmalinu. Zbog toga su mu dali ime koje se s grčkog prevodi kao "obmana". Možete razlikovati apatit od manje tvrdoće u odnosu na druge minerale i prizmatični izgled kristala.

Postoji nekoliko naslaga ovog resursa, najveće je u Rusiji, ostatak je raspršen u Brazilu, Meksiku, Americi, Čileu i drugim zemljama. Primjena je u industriji i poljoprivredi. Djeluje kao sastavni dio gnojiva, keramike, stakla.

Zbog krhkosti zlatara ovaj kamen rijetko koristi, a obično ga zanima samo sakupljača. Najveći apatit dobre kvalitete imao je masu od 147 karata, ali obično ti minerali ne prelaze 5-20 karata.

Apatit se također nalazi u živim organizmima, gdje čini dio kostiju i zuba i može se taložiti u bubrežnim kamencima.

Stupanj oksidacije fosfora

U spojevima, element pokazuje pozitivan ili negativan oksidacijsko stanje a za jednostavnu supstancu P4 ona je nula.

Negativni oksidacijski broj -3 očituje se u fosfinu i fosfidima. Fosfor pokazuje pozitivno oksidacijsko stanje u spojevima:

• hipofosforna kiselina i njezine soli fosfiniraju (+1);
• fosforna kiselina i fosfiti (+3);
• fosforni anhidrid, određeni broj halogenida, ortofosforna kiselina (+5).

Ovo su samo primjeri tvari koje sadrže fosfor. Zapravo, formule fosfornih spojeva su mnogo veće, a element može imati različite oksidacijske brojeve u njima, na primjer, postoje halogenidi u kojima je njegovo oksidacijsko stanje 3. Svaka od tih tvari ima svoje jedinstvene osobine koje određuju njihovu upotrebu kod ljudi.

fosfina

PH ₃ je plinoviti vodikov spoj fosfora, koji se naziva fosfin ili monofosfan. Slabo je topiv u vodi, ne reagira s alkalijama i amonijakom. To je snažno redukcijsko sredstvo, u interakciji s koncentriranim kiselinama, jodom, kisikom, vodikovim peroksidom, natrijevim hipokloritom. U ovom spoju stupanj oksidacije fosfora je -3.

U svom čistom obliku, supstanca je otrovna, inhibira živčani sustav i ometa metabolizam. Istovremeno je bezbojan i bez mirisa. Tehnički uzorci emitiraju miris pokvarene ribe. Možete ih dobiti iz različitih spojeva, na primjer:

• iz trikalcijeva difosfida kada reagira s vodom (potrebni su katalizatori u obliku vodika i difosfina), ili razrijeđeni s klorovodičnom ili nekoncentriranom ortofosfornom kiselinom;
• od bijelog fosfora u njegovoj reakciji s koncentriranom lužinom i vodom (reakcija se odvija brže pri kuhanju), ili s vodikom pod tlakom i na temperaturi od 300 - 360 stupnjeva Celzija, ili s klorovodičnom kiselinom pri 300 stupnjeva;
• iz fosfonijevog jodida kada se razgrađuje pod utjecajem temperature od 80 stupnjeva (obrnuta reakcija se događa kada se ohladi na minus 20 stupnjeva), ili kada djeluje s vodom ili razrijeđenom lužinom;
• iz fosfonske kiseline kada se razgradi u vakuumu na temperaturi od 100 stupnjeva, a zatim zagrije na 200 stupnjeva u prisutnosti difosfina, ili reakcijom s atomskim vodikom dobivenim interakcijom cinka s razrijeđenom sumpornom kiselinom.

Prirodni fosfin se spontano pali u zraku, što daje efekt "lutajućih svjetala" u obliku lopte ili plamena svijeće. Ovaj rijetki fenomen ponekad se može vidjeti u močvarama, poljima ili grobljima.

Hlorovodična kiselina

Fosforni spoj formule H (PH202) također se naziva fosfin ili hipofosforna kiselina. Prethodno je označen kao H3P02, ali se ispostavilo da je takvo pisanje netočno, jer je kiselina monobazična. To je spoj u kojem je stupanj oksidacije fosfora 1.

Tvar ima bijelu boju, slabo se topi i raspada se čak i kod niskog zagrijavanja. Ostala svojstva su dobra topljivost u vodi, neutralizacija alkalijama i amonijak hidrat, te sposobnost djelovanja kao jako redukcijsko sredstvo kada se zagrijava u koncentriranoj otopini ili slabom oksidacijskom sredstvu.

Možete ga dobiti na sljedeće načine:

• reakcijom bijelog fosfora s koncentriranim barijevim hidroksidom i vodom pri zagrijavanju do 70 stupnjeva Celzija, nakon čega slijedi dodavanje razrijeđene hladne sumporne kiseline u dobivenu sol;
• interakcija fosfina s vodom i jodom;
• dodavanjem kationske vode natrijevom fosfinatu.

Rezultirajuća tvar omogućuje stvaranje trajnih metalnih premaza za staklo, keramiku ili plastiku, a njegove soli se koriste u farmaceutskoj industriji.

Fosforna kiselina

Drugi naziv za fosforni spoj sastava H2 (PHO3) je fosfonska kiselina. Kao iu prethodnom slučaju, nekada se prakticiralo netočno pisanje H3P03, ali je napušteno, jer je u vodenim otopinama kiselina dibazična.

Stupanj oksidacije fosfora u spoju je 3. Tvar ima bijelu boju, raspada se pri zagrijavanju, polako oksidira u zraku, otapa se u vodi. Kiselina je slaba i lako se neutralizira alkalijama, može djelovati kao slabo oksidacijsko sredstvo ili slabo jako redukcijsko sredstvo. Većina reakcija zahtijeva grijanje.

Postoji mnogo načina za proizvodnju kiseline, na primjer:

• reakcija fosfora s koncentriranom sumpornom ili selenskom kiselinom (u potonjem slučaju potrebna je voda);
• oksidacija vlažnog fosfora s kisikom (za ubrzanje reakcije potrebno je zagrijavanje na 30-40 stupnjeva);
• interakcija fosfina s koncentriranim sumporna kiselina ;
• dodavanje vode ili plinovite klorovodične kiseline u tetrafosforni heksaoksid (reakcija će ići brže ako je voda vruća);
• interakcija fosfor-triklorida s vodom na sobnoj temperaturi (reakcija se može izvesti na 0 stupnjeva, ali u ovom slučaju je potreban tekući ugljikov tetraklorid);
• reakcija fosfornog trijodida s vodom u atmosferi dušika.

U nastavku se koriste redukcijska svojstva spoja.

Tetraphosphorus decaoxide

P4O10 se naziva fosforni anhidrid. Može biti u amorfnom, staklastom ili kristalnom stanju, a njegova je boja uvijek bijela. Kristalna supstanca se sublimira kada se zagrijava, tako da počinje taliti, potrebno je stvoriti nadtlak, a zatim će se anhidrid pretvoriti u visoko pokretnu tekućinu.

Ako se temperaturna obrada nastavi, doći će do procesa polimerizacije, što će rezultirati time da se kristalni dekaoksid nakon hlađenja pretvori u staklast proizvod (P205) _n . Stupanj oksidacije fosfora u spoju p2o5, kao u P ₄ O _10, jednak je 5.

Ostale moguće kemijske reakcije ovog spoja:

• interakcija s vodom i lužinama, koja karakterizira njegova kiselinska svojstva;
• halogeniziranje, odnosno zamjena atoma kisika s fluorom, klorom, bromom ili jodom;
• oporavak fosfora;
• stvaranje perokso-spojeva.

Međutim, najvažnije svojstvo tvari je njezina sposobnost razdvajanja vode od molekula organskih spojeva (dehidracija). Zbog toga se fosforni anhidrid naširoko koristi kao desikant za plinove i tekućine. Osim toga, koristi se u organskoj sintezi i predstavlja međuprodukt u toplinskoj proizvodnji fosforne kiseline.

Tvar se može dobiti na sljedeće načine:

• spaljivanje bijelog fosfora u zraku na temperaturi od 34-60 stupnjeva Celzija (možete uzeti crvenu verziju, ali u ovom slučaju treba 240-400 stupnjeva);
• interakciju bijelog fosfora s kloritom i razrijeđenim natrijevim hidroksidom na temperaturi od 10-15 stupnjeva;
• reakcijom crvenog fosfora s kalijevim kloratom na temperaturi od 50 stupnjeva;
• oksidacijom tetrafosfor-heksaoksida s kisikom pri temperaturi od 50 do 120 stupnjeva.

Za industrijsku proizvodnju najčešće se koristi prva metoda. Tehnološki proces odvija se u posebnoj komori sa suhim zrakom. Dobiveni decaooksid se pročisti sublimacijom.

Fosfor pentafluorid

PF5 je bezbojni plin. U spoju fosfor pokazuje oksidacijsko stanje 5, koje je najkarakterističnije za element. Tvar se kuha bez raspadanja, ali proces može započeti daljnjim zagrijavanjem. Hidrolizira se s vodom, reagira s alkalijama, fluorovodikom i silicijevim dioksidom. Formira fluorokompleks.

Metode za njegovu pripremu su sljedeće:

• brzo raspadanje crvenog fosfora pri temperaturi od minus 60 stupnjeva s fluorom u suvišku argona kao katalizatora;
• interakcija fosfornog pentaklorida s kalcijevim fluoridom pri 300-400 stupnjeva ili s tekućim arsen fluoridom na sobnoj temperaturi.

Dobiveni spoj se koristi u proizvodnji fluorofosfata, kao i inhibitora korozije metala.

Dakle, fosfor i njegovi spojevi su od velike važnosti u industriji i koriste se u različitim industrijama.