Fosfor a jeho sloučeniny: oxidační stavy, vzorce

Fosfor a jeho sloučeniny jsou široce distribuovány v kůře a mořské vodě. Jako chemický prvek patří do skupiny pnictides, což znamená, že patří do 15. skupiny Periodického systému. Aktivita prvku je velmi vysoká, tvoří téměř 200 přírodních minerálů, je obsažena v živočišných tkáních, je součástí proteinů, tuků, molekul, které si vyměňují energii a uchovávají dědičnou informaci v těle.

Allotropické formy

Fosfor (P) je nekovový, existuje v 11 alotropických modifikacích, které se liší barvou, hustotou, chemickými vlastnostmi. Hlavní jsou 4:

• zelená bílá (žlutá);
• červená;
• černá;
• kovu.

Zbývající formy nejsou dosud plně pochopeny, ale věří se, že jsou směsicí čtyř hlavních. Důležité změny mohou také dojít, protože jsou nestabilní. Například bílý fosfor se při působení světla změní na červenou barvu, která bude následně do černé a pak do kovové. Druhá forma je stabilní, ale při každé transformaci se chemická aktivita látky snižuje.

Bílý fosfor

Tato alotropická modifikace je reprezentována molekulami P4. Je metastabilní, změkčuje pokojový vosk při pokojové teplotě, stává se v chladném stavu křehký. Tavení a varu probíhají bez rozkladu, oxid oxiduje látku a zvětšuje ji. Může být destilován parou, slabé zahřívání vede k vypařování a přítomnost kyslíku současně vede k zapálení i pod vodou.

Bílá forma se rozpustí v organických sloučeninách: sírouhlík, chloridy a bromidy trojmocného fosforu, amoniak, kyselý plyn, dithiodichloridu. Je obtížné rozpustit se v tetrachloridu, není citlivý na účinky vody, je dobře zachován pod jeho vrstvou.

Látka může být získána reakcí orthofosforečnanu vápenatého s koksem a oxid křemíku při 1000 stupních Celsia. Další metodou je rozklad jodidu fosforečného při teplotě 100 až 120 ° C.

Aktivita bílého fosforu je velmi vysoká: obnovuje vzácné kovy ze svých solí, oxiduje kyselinami, peroxidem vodíku, manganistanem, halogeny a chalkogeny. Obnoveno vodíkem a kovy. Interakce s alkáliemi vede k disproporcionální reakci. Látky, kterými je bílý fosfor inertní, jsou uhlík a dusík.

Vysoká chemická aktivita činí úpravu nebezpečnou. Spontánně vznítí při kontaktu s pokožkou, což vede k těžkým popáleninám. Kromě toho otravy bílým fosforem vedou k porážce kostí až do jejich smrti a akumulace v těle 50-150 mg vede k smrti.

Žlutý fosfor

Nezpracovaný bílý fosfor se nazývá žlutý. Jeho barva se liší od světle až tmavě hnědé. Látka může být skladována a přepravována pouze pod vrstvou vody nebo roztoku chloridu vápenatého, protože je hořlavá a toxická, oxiduje se vzduchem v kyslíku, což způsobuje, že se vznítí spolu s vypálením jasně zeleného plamene a uvolněním hustého bílého kouře.

Chcete-li požár uhasit, potřebujete velmi velké množství ledové vody, ale je lepší použít roztok síranu měďnatého. Aby se zabránilo opětovnému zapálení, již zmizelé ohnisko by mělo být navíc naplněno vlhkým pískem.

Červený fosfor

Taková modifikace se skládá z polymerních molekul Pn různých velikostí. Je metastabilní a RTG amorfní, sublimuje při zahřátí. Jeho chemická aktivita je slabá. Stejně jako bílý fosfor je tato forma oxidována ve vzduchu, ale proces je mnohem pomalejší a samovznícení není pozorováno, dokud teplota nedosáhne 240 stupňů, nebo je látka vystavena tření. V přítomnosti vlhkosti se červená forma změní na oxid a pak do kyselina fosforečná. Z tohoto důvodu je uložen ve vzduchotěsné nádobě, ale pokud dojde k přeměně, promývá se vodou ze zbytkových chemických sloučenin fosforu a vysuší se.

Uhlík disulfid, stejně jako voda, není schopen rozpustit červenou modifikaci, ale to může udělat bromid fosforitý a tavenina vizmutu nebo olova, z nichž P8 fialová forma následně krystalizuje.

Červený fosfor se získá zahříváním bílé v atmosféře oxidu uhelnatého při teplotě 500 stupňů Celsia. V závislosti na stupni rozdrcení mohou být různé barvy od fialově červené až tmavě fialové s kovovým leskem. Proces může jít opačným směrem: pokud změníte červenou modifikaci na páru a pak ochlazujete, změní se na bílou.

Používání červeného fosforu a jeho sloučenin je široké. Především je to kvůli skutečnosti, že jsou podstatně méně toxické než ty v bílé formě. Používají se při výrobě zápalek, protože se vznítí z tření.

Černý a kovový fosfor

Tato modifikace může být zaměněna s grafitem, protože má vzhled černých lesklých krystalů s kovovým leskem a vrstvenou strukturou. Na dotek jsou tučné. Černý fosfor se skládá z kontinuálních řetězců P _n . Je chemicky pasivní, stabilní na vzduchu a nerozpouští se ve vodě ani v organických sloučeninách. Hoření může být ohřát pouze v atmosféře čistého kyslíku. V tomto případě provádí elektrický proud. Ukázalo se, že černý fosfor je bílý při zahřátí nad 200 stupňů a pod tlakem 13-20 tisíc atmosfér. V kovových závitech na 820 tisíc atmosfér.

Apatit

Fosfor a jeho sloučeniny tvoří téměř dvě stě minerálů. Nejznámější z nich je apatit. V přírodě může vypadat jinak. Často se podobá berylové, diopsidové nebo turmalínové. Z tohoto důvodu mu dali jméno, které je z řečtiny přeloženo jako "podvod". Apatit můžete odlišit při nižší tvrdosti ve srovnání s jinými minerály a prizmatickým vzhledem krystalů.

Existuje jen málo ložisek tohoto zdroje, největší je v Rusku, zbytek je rozptýlen v Brazílii, Mexiku, Americe, Chile a dalších zemích. Aplikace je v průmyslu a v zemědělství. Působí jako součást hnojiva, keramiky, skla.

Kvůli křehkosti klenotníků používají tento kámen zřídka a to je obvykle zajímavé pouze pro sběratele. Největší apatit dobré kvality měl hmotnost 147 karátů, ale obvykle tyto minerály nepřekračují 5-20 karátů.

Apatit je také nalezen v živých organizmech, kde je součástí kostí a zubů a může být uložen v ledvinových kamenech.

Stupeň oxidace fosforu

Ve sloučeninách element vykazuje pozitivní nebo negativní charakter oxidační stav a pro jednoduchou látku P ₄ je nulová.

Negativní oxidační číslo -3 se projevuje fosfinem a fosfidy. Fosfor vykazuje v sloučeninách pozitivní oxidační stav:

• kyselina fosforná a její fosfináty (+1);
• kyselina fosforitá a fosfity (+3);
• anhydrid kyseliny fosforečné, počet halogenidů, kyselina ortofosforečná (+5).

Jedná se pouze o příklady látek, které obsahují fosfor. Ve skutečnosti jsou vzorce sloučenin fosforu mnohem větší a prvek může vykazovat v nich různá oxidační čísla, například halogenidy, jejichž oxidační stav je 3. Každá z těchto látek má své vlastní jedinečné vlastnosti, které určují jejich použití lidmi.

Fosfinu

PH ₃ je plynná vodíková sloučenina fosforu, nazývaná fosfinem nebo monofosfanem. Je slabě rozpustný ve vodě, nereaguje s alkalickými látkami a hydrát amoniaku. Je silným redukčním činidlem, interaguje s koncentrovanými kyselinami, jodem, kyslíkem, peroxidem vodíku, chlornanem sodným. V této sloučenině je stupeň oxidace fosforu -3.

Ve své čisté formě je látka jedovatá, inhibuje nervový systém a narušuje metabolismus. Současně je bezbarvá a bez zápachu. Technické vzorky vyzařují zápach zhnitých ryb. Můžete je získat z různých sloučenin, například:

• z fosforečnanu trikalciumdu, když reaguje s vodou (jsou nutné katalyzátory ve formě vodíku a difosfinu), buď zředěné kyselinou chlorovodíkovou nebo nekoncentrovanou kyselinou orthofosforečnou;
• z bílého fosforu při reakci s koncentrovanými alkáliemi a vodou (reakce probíhá rychleji při varu) nebo vodíkem pod tlakem a při teplotě 300 - 360 ° C nebo kyselinou chlorovodíkovou při 300 ° C;
• z fosfoniumjodidu, když se rozkládá pod vlivem teploty 80 ° C (obrácená reakce probíhá při ochlazování na minus 20 ° C), nebo když interaguje s vodou nebo zředěnou alkalickou látkou;
• z fosfonové kyseliny, když se rozkládá ve vakuu při teplotě 100 ° C a pak se zahřeje na 200 ° v přítomnosti difosfinu nebo reakcí s atomovým vodíkem získaným interakcí zinku se zředěnou kyselinou sírovou.

Přírodní fosfin se spontánně vznítí ve vzduchu, což dává efekt "bloudit světla" ve formě koule nebo plamenem svíčky. Tento vzácný jev může být někdy pozorován v bažinách, polích nebo hřbitovech.

Kyselina chlornová

Sloučenina fosforu vzorce H (PH202) se také nazývá kyselina fosfinová nebo kyselina fosforná. Dříve byl označen jako H ₃ PO ₂ , ale ukázalo se, že takový hláskování je nesprávné, protože kyselina je monobasická. Jedná se o sloučeninu, ve které stupeň oxidace fosforu je 1.

Látka má bílou barvu, má nízkou teplotu tání a rozkládá se i při nízkém ohřevu. Jeho dalšími vlastnostmi jsou dobrá rozpustnost ve vodě, neutralizace alkalickými látkami a hydrát amoniaku a schopnost působit jako silné redukční činidlo při zahřívání v koncentrovaném roztoku nebo slabém oxidačním činidle.

Můžete ji získat následujícími způsoby:

• reakcí bílého fosforu s koncentrovaným hydroxidem barnatým a vodou při zahřátí na 70 ° C a následným přidáním zředěné studené kyseliny sírové k získané soli;
• interakce fosfinu s vodou a jódem;
• přidáním kationtové vody do fosfinátu sodného.

Výsledná látka vám umožňuje vytvářet odolné kovové povlaky pro sklo, keramiku nebo plasty a její soli se používají ve farmaceutickém průmyslu.

Kyselina fosforečná

Dalším názvem fosforové sloučeniny kompozice H2 (PHO ₃ ) je kyselina fosfonová. Stejně jako v předchozím případě se prakticky uplatňovalo nesprávné hláskování H ₃ PO ₃ , ale bylo opuštěno, protože ve vodných roztocích je kyselina dibasická.

Stupeň oxidace fosforu ve sloučenině je 3. Látka má bílou barvu, rozkládá se při zahřátí, pomalu oxiduje ve vzduchu, rozpouští se ve vodě. Kyselina je slabá a snadno se neutralizuje zásadami, může působit jako slabé oxidační činidlo nebo příliš silné redukční činidlo. Většina reakcí vyžaduje zahřátí.

Existuje mnoho způsobů, jak vyrábět kyselinu, například:

• reakce fosforu s koncentrovanou kyselinou sírovou nebo selenovou (v druhém případě se vyžaduje voda);
• oxidace vlhkého fosforu kyslíkem (k urychlení reakce je zapotřebí zahřátí na 30-40 stupňů);
• interakci fosfinu s koncentrovaným kyselina sírová ;
• přidání vody nebo plynné kyseliny chlorovodíkové k hexafluoridu fosforečnému (reakce bude rychlejší, pokud je voda horká);
• interakce chloridu fosforitého s vodou při pokojové teplotě (reakce se může provádět při 0 ° C, avšak v tomto případě se vyžaduje kapalný chlorid uhličitý);
• reakci trijodidu fosforečného s vodou v dusíkové atmosféře.

V následující části jsou použity redukční vlastnosti sloučeniny.

Tetrahydrofosforečnan vápenatý

P ₄ O ₁₀ se nazývá anhydrid kyseliny fosforečné. Může být v amorfním, sklovitém nebo krystalickém stavu a jeho barva je vždy bílá. Krystalická látka se při zahřátí sublimuje, takže se začne tát, je třeba vytvořit přetlak a poté se anhydrid zmení na vysoce mobilní tekutinu.

Pokud pokračuje tepelná úprava, dojde k polymerizačnímu procesu, jehož výsledkem bude po ochlazení krystalický dekaoxid do skelného produktu (P ₂ O ₅ ) _n . Stupeň oxidace fosforu ve sloučenině p2o5, jako v P ₄ O _10, se rovná 5.

Další možné chemické reakce této sloučeniny:

• interakce s vodou a zásadami, která charakterizuje jeho kyselé vlastnosti;
• halogenace, jmenovitě nahrazení atomů kyslíku fluorem, chlórem, bromem nebo jodem;
• získávání fosforu;
• vytváření peroxokompoundů.

Nejdůležitější vlastností látky je však její schopnost rozdělit vodu z molekul organických sloučenin (dehydratace). Z tohoto důvodu byl anhydrid kyseliny fosforečné široce používán jako vysoušedlo pro plyny a kapaliny. Kromě toho se používá v organické syntéze a je meziproduktem při tepelné výrobě kyseliny fosforečné.

Látka může být získána následujícími způsoby:

• spalování bílého fosforu ve vzduchu při teplotě 34-60 stupňů Celsia (můžete mít červenou verzi, ale v tomto případě vyžaduje 240-400 stupňů);
• interakci bílého fosforu s chloritem a zředěným hydroxidem sodným při teplotě 10-15 stupňů;
• reakcí červeného fosforu s chlorečnanem draselným při teplotě 50 ° C;
• oxidací tetraposforečného hexaoxidu s kyslíkem při teplotě od 50 do 120 stupňů.

Pro průmyslovou výrobu nejčastěji používají první metodu. Technologický proces probíhá ve speciální komoře se sušeným vzduchem. Získaný dekaoxid se čistí sublimací.

Pentafluorid fosforečný

PF ₅ je bezbarvý plyn. Ve sloučenině fosfor vykazuje oxidační stav 5, což je nejcharakterističtější prvek. Látka se rozkládá bez rozkladu, ale proces může začít s dalším ohřevem. Hydrolyzuje vodou, reaguje s alkalickými látkami, fluorovodíkem a oxidem křemičitým. Formuje fluorokomplexy.

Způsoby jeho přípravy jsou následující:

• rychlý rozklad červeného fosforu při teplotě minus 60 stupňů s fluorem nad argonem jako katalyzátorem;
• interakce pentachloridu fosforečného s fluoridem vápenatým při teplotě 300-400 ° C nebo s kapalným fluoridem arsenu při teplotě místnosti.

Výsledná sloučenina se používá při výrobě fluorofosforečnanů, jakož i inhibitoru kovové korozi.

Fosfor a jeho sloučeniny mají proto velký význam v průmyslu a používají se v různých průmyslových odvětvích.