Fosfor in njegove spojine: oksidacijska stanja, formule

Fosfor in njegove spojine so zelo razširjene v skorji in morski vodi. Kot kemijski element spada v skupino pnictidov, kar pomeni, da spada v 15. skupino periodičnega sistema. Dejavnost elementa je zelo visoka, tvori skoraj 200 naravnih mineralov, je vsebovana v živalskih tkivih, je del beljakovin, maščob, molekul, ki izmenjujejo energijo in shranjujejo dedne informacije v telo.

Allotropne oblike

Fosfor (P) je nekovinski, obstaja v 11 alotropnih modifikacijah, ki se razlikujejo po barvi, gostoti, kemijskih lastnostih. Glavni so 4:

• zelenkastobela (rumena);
• rdeča;
• črna;
• kovine.

Preostale oblike še niso povsem razumljive, vendar se verjame, da so mešanica štirih glavnih. Večje spremembe lahko pridejo tudi druga v drugo, saj so nestabilne. Na primer, beli fosfor pod delovanjem svetlobe se spremeni v rdečo, ki se nato spremeni v črno in nato v kovinsko. Slednja oblika je stabilna, vendar se z vsako spremembo zmanjša kemijska aktivnost snovi.

Bel fosfor

Ta alotropna modifikacija je predstavljena s P4 molekulami. Je metastabilen, mehča v sobni vosek pri sobni temperaturi, na mrazu postane krhek. Taljenje in vrenje poteka brez razkroja, zrak oksidira snov in jo sija. Lahko se destilira s paro, šibko segrevanje vodi do izhlapevanja, hkrati pa prisotnost kisika zagotavlja vžig tudi pod vodo.

Belo obliko raztopimo v organskih spojinah: ogljikov disulfid, kloride in bromide trivalentnega fosforja, amoniak, kisli plin, ditiodiklorida. Težko se raztopi v tetrakloridu, ni občutljiv na vplive vode, dobro je ohranjen pod plastjo.

Snov se lahko dobi z reakcijo kalcijevega ortofosfata s koksom in. T silicijev oksid pri 1000 stopinjah Celzija. Druga metoda je razgradnja fosforjevega triiodida pri temperaturi 100-120 stopinj Celzija.

Dejavnost belega fosforja je zelo visoka: obnavlja plemenite kovine iz njihovih soli, oksidira jih kisline, vodikov peroksid, permanganat, halogeni in halkogeni. Obnovljeno z vodikom in kovinami. Medsebojno delovanje z alkalijami vodi v nesorazmerno reakcijo. Snovi, za katere je beli fosfor inerten, so ogljik in dušik.

Zaradi visoke kemijske aktivnosti je sprememba nevarna. Spontano se vname ob stiku s kožo in povzroči hude opekline. Poleg tega zastrupitev z belim fosforjem povzroči poraz kosti, vse do njihove smrti, in kopičenje v telesu 50-150 mg vodi v smrt.

Rumeni fosfor

Neobdelan beli fosfor se imenuje rumeni. Barva se spreminja od svetlo do temno rjave. Snov se lahko shrani in prevaža samo pod plastjo vode ali raztopine kalcijevega klorida, ker je vnetljiva in strupena, oksidira zrak v zraku, zaradi česar se vname in spremlja gorenje svetlo zelenega plamena in sproščanje gostega belega dima.

Za gašenje požara potrebujete zelo veliko količino ledene vode, vendar je bolje uporabiti raztopino bakrovega sulfata. Da bi se izognili ponovnemu vžigu, je treba že ugasnjeni kurišče napolniti z mokrim peskom.

Rdeči fosfor

Taka sprememba je sestavljena iz polimernih molekul P _n različnih velikosti. Je metastabilen in rentgenski amorfen, sublimira se pri segrevanju. Njegova kemična aktivnost je šibka. Tako kot beli fosfor tudi ta oblika oksidira v zraku, vendar je postopek veliko počasnejši, samovžig pa ni opazen, dokler temperatura ne doseže 240 stopinj, ali pa je snov izpostavljena trenju. V prisotnosti vlage se rdeča oblika spremeni v oksid, nato pa v fosforna kislina. Zaradi tega se shranjuje v nepredušni posodi, če pa pride do konverzije, se opere z vodo iz ostankov kemičnih spojin fosforja in posuši.

Disulfid ogljika, tako kot voda, ne more raztopiti rdeče modifikacije, toda fosforjev tribromid in talina bizmuta ali svinca, iz katerih naknadno kristalizira P ₈ vijolična oblika.

Rdeči fosfor se pridobiva s segrevanjem bele barve v atmosferi ogljikovega monoksida pri temperaturi 500 stopinj Celzija. Odvisno od stopnje drobljenja se lahko pojavijo razlike v barvi od vijolično-rdeče do temno-vijolične s kovinskim leskom. Proces lahko gre v nasprotno smer: če prevedete rdečo modifikacijo v paro in se nato ohladite, se bo spremenil v belo.

Uporaba rdečega fosforja in njegovih spojin je široka. Prvič, to je posledica dejstva, da so bistveno manj toksični kot beli. Uporabljajo se pri izdelavi šibic, saj se vžgejo pred trenjem.

Črni in kovinski fosfor

To modifikacijo lahko zamenjamo z grafitom, saj ima videz črnih bleščečih kristalov s kovinskim sijajem in večplastno strukturo. Na dotik so maščobe. Črni fosfor je sestavljen iz neprekinjenih verig P _n . Kemično je pasivna, stabilna na zraku in se ne raztopi v vodi ali organskih spojinah. Sežemo ga lahko samo v ozračju čistega kisika. V tem primeru vodi električni tok. Izkazalo se je, da je beli črni fosfor pri segrevanju nad 200 stopinj in pod tlakom 13-20 tisoč atmosfer. V kovinskem zavoju pri 820 tisoč atmosferah.

Apatit

Fosfor in njegove spojine tvorijo skoraj dvesto mineralov. Najbolj znana med njimi je apatit. V naravi lahko izgleda drugače. Pogosto je podoben berilu, diopsidu ali turmalinu. Zaradi tega so mu dali ime, ki se iz grščine prevaja kot »prevare«. Apatit lahko ločite po nižji trdoti v primerjavi z drugimi minerali in prizmatično podobo kristalov.

Obstaja malo depozitov tega vira, največji je v Rusiji, ostali so razpršeni v Braziliji, Mehiki, Ameriki, Čilu in drugih državah. Uporaba je v industriji in kmetijstvu. Deluje kot sestavina gnojila, keramike, stekla.

Zaradi krhkosti draguljarjev ta kamen redko uporablja, običajno pa ga zanimajo le zbiralci. Največji apatit dobre kakovosti je imel 147 karatov, običajno pa ti minerali ne presegajo 5-20 karatov.

Apatit najdemo tudi v živih organizmih, kjer je del kosti in zob in se lahko odlaga v ledvične kamne.

Stopnja oksidacije fosforja

Pri spojinah ima element pozitiven ali negativen oksidacijsko stanje in za preprosto snov P4 je nič.

Negativno oksidativno število -3 se kaže v fosfinu in fosfidih. Fosfor ima pozitivno oksidacijsko stanje v spojinah:

• hipofosforjeva kislina in njene soli fosfinati (+1);
• fosforjeva kislina in fosfiti (+3);
• fosforjev anhidrid, število halogenidov, ortofosforna kislina (+5).

To so le primeri snovi, ki vsebujejo fosfor. V bistvu so formule fosforjevih spojin veliko večje in element lahko v njih kaže različne oksidacijske številke, na primer halidi, v katerih je njegovo oksidacijsko stanje 3. Vsaka od teh snovi ima svoje edinstvene lastnosti, ki določajo njihovo uporabo pri ljudeh.

Fosfin

PH ₃ je plinasta vodikova spojina fosforja, imenovana fosfin ali monofosfan. Slabo topen v vodi, ne reagira z alkalijami in amonijevim hidratom. Je močno redukcijsko sredstvo, v interakciji s koncentriranimi kislinami, jodom, kisikom, vodikovim peroksidom, natrijevim hipokloritom. V tej spojini je stopnja oksidacije fosforja -3.

V čisti obliki je snov strupena, zavira živčni sistem in moti metabolizem. Hkrati je brezbarven in brez vonja. Tehnični vzorci oddajajo vonj gnile ribe. Lahko jih dobite iz različnih spojin, na primer:

• iz trikalcijevega difosfida, ko reagira z vodo (potrebni so katalizatorji v obliki vodika in difosfina), bodisi razredčeni s klorovodikovo ali nekoncentrirano ortofosforno kislino;
• iz belega fosforja v njegovi reakciji s koncentrirano alkalijo in vodo (reakcija poteka hitreje pri vretju) ali z vodikom pod tlakom in pri temperaturi 300 - 360 stopinj Celzija ali s klorovodikovo kislino pri 300 stopinj;
• iz fosfonijevega jodida, ko se razgradi pod vplivom temperature 80 stopinj (obratna reakcija se pojavi, ko se ohladi na minus 20 stopinj), ali kadar deluje z vodo ali razredčeno alkalijo;
• iz fosfonske kisline, ko se razgradi v vakuumu pri temperaturi 100 stopinj in nato segreje na 200 stopinj v prisotnosti difosfina, ali z njegovo reakcijo z atomskim vodikom, dobljenim z medsebojnim delovanjem cinka z razredčeno žveplovo kislino.

Naravni fosfin se spontano vžge v zraku, kar daje učinek "potujočih luči" v obliki kroglice ali plamena sveče. Ta redki pojav je včasih mogoče videti v močvirjih, poljih ali pokopališčih.

Hlorovodikova kislina

Fosforjeva spojina s formulo H (PH202) se imenuje tudi fosfinska ali hipofosforjeva kislina. Prej je bil označen kot H ₃ PO ₂ , vendar se je izkazalo, da je takšno črkovanje napačno, saj je kislina monobazična. To je spojina, v kateri je stopnja oksidacije fosforja 1.

Snov ima belo barvo, ima nizko stopnjo taljenja in razpade tudi pri nizkem segrevanju. Njegove druge lastnosti so dobra topnost v vodi, nevtralizacija z alkalijami in amonijevim hidratom ter sposobnost delovanja kot močno redukcijsko sredstvo pri segrevanju v koncentrirani raztopini ali v šibkem oksidacijskem sredstvu.

Dobite ga lahko na naslednje načine:

• z reakcijo belega fosforja s koncentriranim barijevim hidroksidom in vodo, ko se segreje na 70 stopinj Celzija, čemur sledi dodajanje razredčene hladne žveplove kisline dobljeni soli;
• interakcija fosfina z vodo in jodom;
• dodajanje kationske vode natrijevemu fosfinatu.

Nastala snov vam omogoča, da ustvarite trajne kovinske prevleke za steklo, keramiko ali plastiko, in njene soli se uporabljajo v farmacevtski industriji.

Fosforna kislina

Drugo ime za fosforjevo spojino v sestavi H2 (PHO3) je fosfonska kislina. Kot v prejšnjem primeru se je uporabljalo napačno črkovanje H ₃ PO ₃ , vendar je bilo opuščeno, ker je kislina v vodnih raztopinah dibazična.

Stopnja oksidacije fosforja v spojini je 3. Snov ima belo barvo, razgradi se pri segrevanju, počasi oksidira v zraku, raztopi v vodi. Kislina je šibka in z lahkoto nevtralizirana z alkalijami, lahko deluje kot šibko oksidacijsko sredstvo ali ne zelo močno redukcijsko sredstvo. Večina reakcij zahteva ogrevanje.

Obstaja veliko načinov za proizvodnjo kisline, na primer:

• reakcija fosforja s koncentrirano žveplovo ali seleno kislino (v slednjem primeru je potrebna voda);
• oksidacija vlažnega fosforja s kisikom (za pospešitev reakcije je potrebno segrevanje na 30-40 stopinj);
• fosfina s koncentriranim žveplove kisline ;
• dodajanje vode ali plinaste klorovodikove kisline v tetrafosforjev heksaoksid (reakcija bo hitrejša, če je voda vroča);
• interakcija fosforjevega triklorida z vodo pri sobni temperaturi (reakcija se lahko izvede pri 0 stopinj, toda v tem primeru je potreben tekoči ogljikov tetraklorid);
• reakcija fosforjevega triiodida z vodo v dušikovi atmosferi.

V nadaljevanju uporabimo redukcijske lastnosti spojine.

Tetraphosphorus decaoxide

P ₄ O ₁₀ se imenuje fosforjev anhidrid. Lahko je v amorfnem, steklastem ali kristalnem stanju, njegova barva je vedno bela. Kristalinična snov se pri segrevanju sublimira, tako da se začne taliti, potrebno je ustvariti nadtlak, nato pa se anhidrid spremeni v zelo mobilno tekočino.

Če se temperaturna obdelava nadaljuje, pride do polimerizacijskega postopka, zaradi česar se bo kristalinični decaoksid po hlajenju spremenil v steklastega produkta (P205) _n . Stopnja oksidacije fosforja v spojini p2o5, kot pri P ₄ O _10, je enaka 5.

Druge možne kemijske reakcije te spojine:

• interakcija z vodo in alkalijami, ki je značilna za kisle lastnosti;
• halogenizacija, in sicer zamenjava kisikovih atomov s fluorom, klorom, bromom ali jodom;
• obnovitev fosforja;
• nastajanje perokso spojin.

Vendar pa je najpomembnejša lastnost snovi njegova sposobnost razcepitve vode iz molekul organskih spojin (dehidracija). Zaradi tega se fosforjev anhidrid pogosto uporablja kot sušilo za pline in tekočine. Poleg tega se uporablja v organski sintezi in je intermediat v toplotni proizvodnji fosforne kisline.

Snov se lahko dobi na naslednje načine:

• gorenje belega fosforja v zraku pri temperaturi 34-60 stopinj Celzija (lahko vzamete rdečo različico, v tem primeru pa potrebujete 240-400 stopinj);
• interakcijo belega fosforja s kloritom in razredčenim natrijevim hidroksidom pri temperaturi 10-15 stopinj;
• z reakcijo rdečega fosforja s kalijevim kloratom pri temperaturi 50 stopinj;
• z oksidacijo tetrafosforjevega heksaoksida s kisikom pri temperaturi od 50 do 120 stopinj.

Za industrijsko proizvodnjo najpogosteje uporabljamo prvo metodo. Tehnološki proces poteka v posebni komori s suhim zrakom. Dobljeni decaoksid se očisti s sublimacijo.

Fosforjev pentafluorid

PF5 je brezbarvni plin. V spojini ima fosfor oksidacijsko stanje 5, ki je najbolj značilen za element. Snov vre brez razkroja, vendar se lahko postopek začne z nadaljnjim segrevanjem. Hidrolizira z vodo, reagira z alkalijami, vodikovim fluoridom in silicijevim dioksidom. Tvori fluorokomplekse.

Metode za njegovo pripravo so naslednje: t

• hitra razgradnja rdečega fosforja pri temperaturi minus 60 stopinj s fluorom, ki presega argon kot katalizator;
• interakcijo fosforjevega pentaklorida s kalcijevim fluoridom pri 300-400 stopinjah ali s tekočim arzenovim fluoridom pri sobni temperaturi.

Nastala spojina se uporablja pri proizvodnji fluorofosfatov, kot tudi inhibitorja kovinske korozije.

Fosfor in njegove spojine so tako v industriji zelo pomembne in se uporabljajo v različnih industrijah.