Фосфор

Фосфор – элемент пятой группы главной подгруппы. Электронное строение атома фосфора в отличие от азота позволяет ему в возбуждённом состоянии проявлять не только степень окисления, равную +5, но и валентность V:

Перечислим другие характерные степени окисления в таблице:

Отметим следующее:

• Поскольку пятая группа нечётная, то наблюдаем нечётные характерные степени окисления: -3, +1, +3 и +5;
• В кислотах H₃PO₂ (одноосновная кислота), H₃PO₃ (двухосновная кислота) и H₃PO₄ (трёхосновная кислота) фосфор является пятивалентным, однако основность кислот сильно разнится, что напрямую связано с количеством атомов водорода, которые напрямую связаны с кислородом:

• В связи с этим не стоит удивляться, что NaH₂PO₂, Na₂HPO₃, Na₃PO₄ являются средними солями, а NaH₂PO₃, Na₂HPO₄, NaH₂PO₄ кислыми солями;
• У фосфора P как у простого вещества распространены две модификации: красный фосфор с атомной решёткой и белый фосфор с молекулярной решёткой (в узлах располагаются молекулы P₄).

Фосфор в степени окисления 0 может проявлять как восстановительные свойства, так и окислительные:

В дополнение, запишем следующие пункты:

• Галогениды фосфора подвергаются необратимому гидролизу в нейтральной или щёлочной средах:

PCl₅ + 4H₂O = H₃PO₄ + 5HCl

• Фосфиды гидролизуются с образованием газа фосфина PH₃:

Ca₃P₂ + 6HCl = 3CaCl₂ + 2PH₃

• Фосфин, в котором фосфор находится в своей наинизшей степени окисления, является сильным восстановителем:

5PH₃ + 8KMnO₄ + 12H₂SO₄ = 8MnSO₄ + 4K₂SO₄ + 5H₃PO₄ + 12H₂O

Перейдём, наконец, к свойствам соединений фосфора в степени окисления +5. Оксид фосфора(V), как и фосфорная кислота H₃PO₄, проявляют кислотные свойства, реагируя с основаниями:

P₂O₅ + 3CaO = Ca₃(PO₄)₂

3NaOH + H₃PO₄ = Na₃PO₄ + 3H₂O

При написании реакций с участием фосфорной кислоты всегда стоит внимательно смотреть, какой реагент находится в избытке, поскольку возможно образование кислых солей гидрофософатов HPO₄^2- и дигидрофосфатов H₂PO₄^— в избытке фосфорной кислоты:

2NaOH + H₃PO₄ = Na₂HPO₄ + 2H₂O

NaOH + H₃PO₄ = NaH₂PO₄ + H₂O

Кислые и средние соли фосфора могут переходить в друг друга по следующей схеме:

Также возможны следующие реакции ионного обмена, представляющие собой вытеснение фосфорной кислоты более сильными кислотами или осаждение фосфатов:

2Na₃PO₄ + 3H₂SO₄ = 3Na₂SO₄ + 2H₃PO₄

3LiCl + Na₃PO₄ = Li₃PO₄ + 3NaCl

В завершение, отметим некоторые специфические свойства оксида фосфора(V):

• P₂O₅ проявляет гигроскопичные свойства, то есть очень любит «хватать» воду:

P₂O₅ + 3H₂O = 2H₃PO₄

• P₂O₅ подобно SiO₂ может вытеснять летучие оксиды из твёрдых солей:

3Na₂SO₃ + P₂O₅ = 2Na₃PO₄ + 3SO₂

Резюме

• Фосфор – элемент пятой группы главной подгруппы, имеющий максимальную валентность, равную V.
• Характерные степени окисления фосфора: -3, 0, +1, +3 и +5.
• Пентаоксид дифосфора P₂O₅ и фосфорная кислота H₃PO₄ проявляют яркие кислотные свойства и способны образовывать как средние соли PO₄^3-, так и кислые соли HPO₄^2-. H₂PO₄^—.

Примеры задач на эту тему:

Задание 1. Задача №1 (первая часть ЕГЭ)

Из указанных в ряду элементов:

1) P     2) O      3) N      4) F       5) As

Выберите два элемента, которые имеют высшую валентность, равную V.

Задание 2. Задача №6 (первая часть ЕГЭ)

Даны две пробирки с соляной кислотой. К первой пробирке добавили раствор вещества X, ко второй – твёрдое вещество Y. В результате в первой пробирке не наблюдали видимых изменений, а во второй пробирке – растворение твёрдого вещества. Из предложенного перечня выберите вещества X и Y, которые могут вступать в описанную реакцию.

1. Na₃PO₄
2. Na₂S
3. Na₂CO₃
4. Ca₃(PO₄)₂
5. Na₂SiO₃

Задание 3. Задача №31 (вторая часть ЕГЭ)

Фосфор сожгли в избытке кислорода. Полученное твёрдое вещество вступило в реакцию с оксидом кальция. Продукт реакции прореагировал со смесью углерода и диоксида кремния, что дало простое вещество, растворимое в щёлочи.

Определения:

1. Азот имеет конфигурацию внешнего слоя 2s² 2p³, поэтому у него нет доступных по энергии 3d-орбиталей для образования пятой связи.
2. Основность кислоты – количество атомов водорода, которое можно максимально заменить на атомы металла.
3. Гигроскопичные свойства – свойства, характеризующие склонность вещества к реакции с водой и «отниманию» воды от других веществ.