Аллотропные модификации фосфора

↑

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 4Следующая ⇒

Задачи

1. Сделать общий обзор элемента фосфор.

2. Привести основные химические свойства фосфора.

3. Привести основные способы получения органических производных трехвалентного фосфора.

4. Сделать обзор областей применения фосфора

Основные сведения

Фосфор – пятнадцатый элемент Периодической таблицы Менделеева. Фосфор относится к третьему периоду таблицы, занимая в ней клетку между кремнием и серой. Таким образом, фосфор – типичный неметалл. В главной подгруппе пятой группы кроме фосфора располагаются азот, мышьяк, сурьма и висмут. В ней он располагается между азотом и мышьяком: с последним фосфор очень похож по свойствам. Электронная формула атома фосфора 1s²2s²2p⁶3s²3p³. Сродство к электрону 0.6 эВ, атомный радиус 13.4 Å. Характерные степени окисления: -3 (соответствует фосфиду), -1 (фосфиноксиду), 0 (элементному фосфору), +1 (гипофосфиту), +3 (фосфиту) и +5 (фосфату).

Нахождение в природе

Содержание фосфора в земной коре составляет 0.08%, по распространенности он занимает тринадцатое место. Но живые организмы интенсивно накапливают фосфор, поэтому, например, в человеческом организме его содержание составляет уже 1.16%. Концентрация в морской воде 0.07 мг/л. В условиях современной Земли (богатая кислородом атмосфера) фосфор не встречается в виде простого вещества. Основные минералы фосфора – различные виды апатитов и фосфориты, представляющие собой фосфат кальция с примесями. Крупнейшие месторождения фосфорных минералов расположены в Бразилии, Казахстане и Монголии, на севере Скандинавии и на Кольском полуострове. Меньшие запасы разведаны в Подмосковье.

В настоящее время мировое производство технического белого (желтого) фосфора составляет около 1 миллиона тонн в год. Желтый фосфор является «краеугольным камнем» всей фосфорной химии из-за высокой химической активности и многообразия превращений.

История открытия

В XII веке арабский алхимик Алхид Бехир прокаливал без доступа воздуха выпаренную досуха мочу. Прокаленный остаток, остыв, покрылся воскообразной массой, светящейся в темноте. Автор открытия назвал его «драгоценный карбункул».

Во второй (и окончательный) раз фосфор был открыт гамбургским купцом, авантюристом и алхимииком Хённигом Брандом (1630-1710 гг) в 1669 году также с помощью опытов с человеческой мочой, которая отстаивалась в течение нескольких дней, а затем кипятилась до клейкого состояния. После нескольких часов интенсивных кипячений получались крупицы белого воскоподобного вещества, которое очень ярко горело и к тому же мерцало в темноте. Алхимик дал ему звучное название «фосфор», что в переводе с модного в тот век древнегреческого языка означает «несущий свет».

В 1680 году Роберт Бойль получил фосфор независимо от Бранда («фосфор Бойля»). В 1715 году фосфор был выделен из мозговой ткани. В 1769 году шведские химики Юхан Ган и Карл Шееле обнаружили фосфор в костях, и создали метод его получения, в общих чертах сохранившийся до сих пор – пиролизом смеси костной муки, песка и угля. Наконец, в 70-е годы XVIII Антуан Лоран Лавуазье определил, что фосфор – простое вещество.

Получение фосфора

Фосфор получают из апатитов или фосфоритов в результате взаимодействия с коксом и кремнезёмом при температуре около 1600 °С:

{\displaystyle {\mathsf {2Ca_{3}(PO_{4})_{2}+10C+6SiO_{2}\rightarrow P_{4}+10CO+6CaSiO_Образующиеся пары фосфора конденсируются в приёмнике под слоем воды в аллотропическую модификацию в виде белого фосфора. Вместо фосфоритов для получения элементарного фосфора можно восстанавливать углём и другие неорганические соединения фосфора, например, в том числе, метафосфорную кислоту:

{\displaystyle {\mathsf {4HPO_{3}+10C\rightarrow P_{4}+2H_{2}O+10CO}}}

Элементарный фосфор при нормальных условиях существует в виде нескольких устойчивых аллотропических модификаций.

Явление аллотропных модификаций у фосфора вызвано образованием различных кристаллических форм. Белый фосфор (Р₄)имеет молекулярную кристаллическую решетку, красный и черный – атомную. Различие в строении кристаллической решетки обуславливает и различие в их физических и химических свойствах.

Белый фосфор –сильный яд, даже в малых дозах действует смертельно. В твердом состоянии получается при быстром охлаждении паров фосфора. В чистом виде совершенно бесцветен, прозрачен, по внешнему виду похож на воск: на холоде хрупок, при температуре выше 15 °C – мягкий, легко режется ножом; в воде нерастворим, но хорошо растворяется в сероуглероде – СS₂ и в органических растворителях; легко плавится, летуч. Прочность связи в молекуле невелика, чем обусловлена высокая химическая активность. Белый фосфор быстро окисляется на воздухе, при этом светится в темноте – превращение химической энергии в световую; самовоспламеняется на воздухе, при слабом нагревании, незначительном трении. С кислородом реагирует без поджигания, даже под водой, образуя сначала Р₂О₃, затем P₂O₅.

Красный фосфор –порошок красно-бурого цвета, неядовит, нелетуч, нерастворим в воде и во многих органических растворителях и сероуглероде; не воспламеняется на воздухе и не светится в темноте. Только при нагревании до 260 °C воспламеняется. При сильном нагревании, без доступа воздуха, не плавясь (минуя жидкое состояние) испаряется – сублимируется. При охлаждении превращается в белый фосфор.

Чёрный фосфор представляет собой чёрное вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь и весьма похожее на графит, и с полностью отсутствующей растворимостью в воде или органических растворителях.

При 8,3·10¹⁰ Па чёрный фосфор переходит в новую, ещё более плотную и инертную металлическую фазу с плотностью 3,56 г/см³, а при дальнейшем повышении давления до 1,25·10¹¹ Па — ещё более уплотняется и приобретает кубическую кристаллическую решётку.

Познавательные статьи:



Организация работы процедурного кабинета

Статус республик в составе РФ

Понятие финансов, их функции и особенности

Сущность демографической политии