Химия, Биология, подготовка к ГИА и ЕГЭ
Многие открытия совершаются совершенно случайно.
Фосфор был открыт в 1669 году. Один из алхимиков пытался отыскать философский камень, а получил светящееся вещество…
Слово «фосфор» переводится с греческого как «несущий свет»
Но не всякий фосфор светится…
Аллотропия — существование двух и более простых веществ одного и того же химического элемента, различных по строению и свойствам — так называемых аллотропных модификаций или форм.
Оказывается, у фосфора довольно много модификаций —
Аллотропия фосфора
1. Белый фосфор
Белый фосфор — желтовато-белое вещество (из-за примесей), по мягкости напоминает воск.
Очень активное вещество; а светится, потому что уже при комнатной температуре окисляется кислородом из воздуха:
4P +5 O2 = 2P2O5 ( в избытке кислорода)
4P + 3O2 =2 P2O3 (в недостатке)
В книге «Собака Баскервиллей» описывается именно такой фосфор, проблема только в том, что он чрезвычайно ядовит и огнеопасен!
Взаимодействуя с водой, образует газ фосфин:
Очень ядовитое и вонючее вещество!
2. Желтый фосфор
Это просто неочищенный белый фосфор. Цвет — от желтого до коричневого. Так же активен, так же, как и белый фософр, на воздухе самовоспламеняется.
3. Красный фосфор
Красный фосфор активно применяют при производстве спичек.
4. Чёрный фосфор
Чёрное вещество с металлическим блеском, на ощупь — жирный, внешне очень похож на графит. Чёрный фосфор даже проводит электрический ток, что обычно характерно для металлов. При определенном давлении он может переходить в модификацию, которую так и называют — металлический фосфор.
Здесь мы перечислили самые основные аллотропии фосфора, всего их известно около 11.
Урок №36. Фосфор. Аллотропия фосфора. Свойства фосфора
СТРОЕНИЕ АТОМА ФОСФОРА
Фосфор расположен в III периоде, в 5 группе главной подгруппе «А», под порядковым номером №15. Относительная атомная масса A r (P) = 31.
Валентные возможности фосфора шире, чем у атома азота, так как в атоме фосфора имеются свободные d-орбитали. Поэтому может произойти распаривание 3s 2 – электронов и один из них может перейти на 3d– орбиталь. В этом случае на третьем энергетическом уровне фосфора окажется пять неспаренных электронов и фосфор сможет проявлять валентность V.
Фосфор может существовать в виде большого числа аллотропных модификаций, в настоящее время их насчитывается 11, но все многообразие видов можно свести к трем: белый , красный и черный фосфор.
Аллотропные видоизменения фосфора
Взаимопревращение аллотропных модификаций фосфора
Название красный фосфор (атомная кристаллическая решётка) относится к нескольким модификациям, различающимся по плотности и окраске: она колеблется от оранжевой до темно-красной и даже фиолетовой. Красный фосфор, образующийся при нагревании белого до 320 °С без доступа воздуха, является рентгеноаморфным, при дальнейшем нагревании до 560 °С переходит в кристаллическое состояние за счет разрыва одной связи Р – Р в тетраэдре Р 4 и дальнейшего связывания оставшихся групп в цепи, кольца и трубки. Такая полимеризация приводит к упрочнению связи Р – Р, увеличению плотности и температуры плавления до 600 °С и уменьшению реакционной способности. Красный фосфор менее активен, чем белый, нерастворим в воде и сероуглероде, не светится в темноте, абсолютно безвреден.
По внешним признакам черный фосфор напоминает металл, имеет металлический блеск, обладает электропроводностью, теплопроводностью, довольно твердый. Наименее активный из всех модификаций.
Красный и черный фосфор получают из белого фосфора.
В природе фосфор встречается в виде двух аллотропных модификаций – белый фосфор и красный фосфор, которые резко различаются по физическим свойствам.
Из-за большой химической активности фосфор в природе встречается только в виде соединений.
Нахождение в природе
Самые богатые в мире залежи апатитов находятся близ г. Кировска на Кольском полуострове. Фосфориты широко распространены на Урале, в Поволжье, в Сибири, Казахстане, Эстонии, Белоруси и др. Большие месторождения фосфоритов имеются в Северной Африке, Сирии и США. Фосфор необходим для жизни растений. Поэтому почва всегда должна содержать достаточное количество соединений фосфора.
ТОКСИКОЛОГИЯ ФОСФОРА
Красный фосфор практически нетоксичен. Пыль красного фосфора, попадая в легкие, вызывает пневмонию при хроническом действии.
Острые отравления фосфором проявляются жжением во рту и желудке, головной болью, слабостью, рвотой. Через 2-3 суток развивается желтуха. Для хронических форм характерны нарушение кальциевого обмена, поражение сердечно-сосудистой и нервной систем. Первая помощь при остром отравлении — промывание желудка, слабительное, очистительные клизмы, внутривенно растворы глюкозы. При ожогах кожи обработать пораженные участки растворами медного купороса или соды. ПДК паров фосфора в воздухе 0,03 мг/м³.
ПОЛУЧЕНИЕ ФОСФОРА
Фосфор получают из апатитов или фосфоритов в результате взаимодействия с коксом и кремнезёмом при температуре 1600 °С:
Ca 3 (PO 4 ) 2 + 5C + 3SiO 2 → 2P + 5CO + 3CaSiO 3
Образующиеся пары белого фосфора конденсируются в приёмнике под водой. Вместо фосфоритов восстановлению можно подвергнуть и другие соединения, например, метафосфорную кислоту:
4HPO 3 + 10C → P 4 + 2H 2 O + 10CO
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФОСФОРА
Р – окислитель
1. С металлами — окислитель, образует фосфиды:
Фосфиды разлагаются кислотами и водой с образованием газа фосфина
Свойства фосфина:
Р – восстановитель
1. Фосфор легко окисляется кислородом:
4P + 5O 2 = 2P 2 O 5 (с избытком кислорода),
4P + 3O 2 = 2P 2 O 3 (при медленном окислении или при недостатке кислорода)
2. С неметаллами — восстановитель:
! Не взаимодействует с водородом
3. Сильные окислители превращают фосфор в фосфорную кислоту:
3P + 5HNO 3 + 2H 2 O = 3H 3 PO 4 + 5NO
2P + 5H 2 SO 4 = 2H 3 PO 4 + 5SO 2 + 2H 2 O
6P + 5KClO 3 = 5KCl + 3P 2 O 5
Характеристика аллотропных модификаций фосфора и способы их получения
Задача 911.
Как получают фосфор в промышленности? Написать уравнения соответствующих реакций.
Решение:
Белый фосфор получают при нагревании в электрической печи смеси фосфорита или аппатита, кокса и кварцевого песка. Природный фосфорит или апатит
измельчают, смешивают с песком и углем и прокаливают в электрических печах без доступа воздуха. Уравнение реакции можно представить так:
4Са5(РО4)3F +30C + 21SiO2 
3P4 + 21CaSiO3 + SiF4 + 30CO
Фосфор выделяется в виде паров, которые конденсируются в приёмнике под водой. Белый фосфор получается в твёрдом состоянии при быстром охлаждении паров фосфора. В результате длительного нагревания белого фосфора без доступа воздуха при атмосферном давлении образуется красный фосфор, а при высоком давлении – кристаллический чёрный фосфор.
Задача 912.
Указать аллотропные модификации фосфора и различия в их свойствах. Сохраняются ли эти различия после перехода фосфора в газообразное состояние? Как доказать, что красный и белый фосфор представляют собой аллотропные модификации одного и того же элемента?
Решение:
Фосфор образует несколько аллотропных модификаций. Важнейшие среди них белый, красный и черный. Белый и красный фосфор термодинамически неустойчивы, но могут существовать при нормальных условиях из-за малых скоростей превращения в устойчивую модификацию — черный фосфор.
Белый фосфор белое мягкое воскообразное вещество или прозрачные кристаллы, состоящие из тетраэдрических молекул Р4 (рис. 1.). Углы Р—Р—Р в таких тетраэдрах равны 60°:
Рис. 1. Структура молекулы
белого фосфора
Рис. 2. Структура молекулы красного фосфора
что гораздо меньше 90° между осями р-орбиталей. Эти углы, таким образом, очень напряжены, что придает белому фосфору большую химическую активность. Так как он легко окисляется и может самовоспламеняться на воздухе, его хранят под водой. Белый фосфор ядовит и очень огнеопасен. Молекулярный характер кристаллов придает этой модификации легкоплавкость (tпл. = 44 °С), летучесть (tкип. = 257 °С) и растворимость в органических растворителях.
Красный фосфор существует в нескольких кристаллических формах, которые состоят из связанных между собой бесконечных цепей, образующихся при размыкании тетраэдров (рис. 2.). Он обладает меньшей химической активностью, чем белый, не ядовит, загорается только при поджигании, не растворим в органических растворителях.
Черный фосфор имеет графитоподобную слоистую структуру, в которой каждый атом Р связан с тремя другими (рис. 3.). Слои связаны между собой слабо. Черный фосфор — наименее химически активная аллотропная модификация фосфора.
Рис. 3. Структура молекулы чёрного фосфора
Доказательством того, что белый и красный фосфор являются аллотропными модификациями одного и того же элемента служат реакции горения белого и красного фосфора, их активного взаимодействия с с галогенами, с образованием тригалогенидов:
А также то, что при хранении белый фосфор постепенно (очень медленно) переходит в более устойчивую красную форму. Переход сопровождается выделением тепла (теплота перехода):
Аллотропия
Аллотро́пия (от др.-греч. αλλος — «другой», τροπος — «поворот, свойство») — существование одного и того же химического элемента в виде двух и более простых веществ, различных по строению и свойствам — так называемых аллотропических (аллотропных) модификаций или форм.
Явление аллотропии обусловлено либо различным составом молекул простого вещества (аллотропия состава), либо способом размещения атомов или молекул в кристаллической решётке (аллотропия формы).
Содержание
История
Понятие аллотропии введено в науку Й. Берцелиусом в 1841 году для обозначения разных форм существования элементов; одновременно он предполагал, по-видимому, применить его и к изомерии соединений. После принятия гипотезы А. Авогадро в 1860 году стало понятно, что элементы могут существовать в виде многоатомных молекул, например, О2 — кислород и О3 — озон.
Примеры аллотропии
В настоящее время известно более 400 разновидностей простых веществ. Способность элемента к образованию аллотропных форм обусловлена строением атома, которое определяет тип химической связи, строение молекул и кристаллов.
Как правило, большее число аллотропных форм образуют элементы, имеющие переменные значения координационного числа или степени окисления (олово, фосфор). Другим важным фактором является катенация — способность атомов элемента образовывать гомоцепные структуры (например, сера). Склонность к аллотропии более выражена у неметаллов, за исключением галогенов и благородных газов, и полуметаллов.
Принято обозначать различные аллотропические формы одного и того же элемента строчными буквами греческого алфавита; причём форму, существующую при самых низких температурах, обозначают буквой α, следующую — β и т. д.
Неметаллы
Водород может существовать в виде орто- и пара-водорода. В молекуле орто-водорода o-H2 (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины параллельны, а у пара-водорода p-H2 (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) — антипараллельны.
Множество модификаций: алмаз, графит, фуллерен, карбин, графен, углеродные нанотрубки, лонсдейлит и др. Точное число модификаций указать затруднительно вследствие разнообразия форм связывания атомов углерода между собой. Наиболее многочисленны молекулярные структуры фуллеренов и нанотрубок.
Известно 11 аллотропных модификаций фосфора. Основные модификации: белый, красный и чёрный фосфор. Белый фосфор ядовит, светится в темноте, способен самовоспламеняться, красный фосфор не ядовит, не светится в темноте, сам по себе не воспламеняется.
Две аллотропные модификации: О2 — кислород и О3 — озон. Кислород бесцветен, не имеет запаха; озон имеет выраженный запах, имеет бледно-фиолетовый цвет, он более бактерициден.
Большое число аллотропных модификаций, второе место после углерода. Основные модификации: ромбическая, моноклинная и пластическая сера.
Красный цикло-Se8, серый полимер Se и чёрный селен.
Полуметаллы
Бор существует в аморфном и кристаллическом видах. Аморфный бор – порошок бурого цвета. Обладает большей реакционной способностью, чем кристаллический бор. Кристаллический бор – вещество черного цвета. Известно более 10 аллотропных модификаций бора, которые кристаллизуются в ромбической и тетрагональной сингониях. Наиболее устойчивая модификация – β-ромбический бор – состоит из икосаэдров B12, которые образуют слои, объединенные в бесконечную структуру.
Известны четыре металлических аллотропных модификаций сурьмы, существующих при различных давлениях, и три аморфные модификации (взрывчатая, чёрная и жёлтая сурьма), из которых наиболее устойчива металлическая форма серебристо-белого цвета с синеватым оттенком
Полоний существует в двух аллотропных металлических модификациях. Кристаллы одной из них – низкотемпературной – имеют кубическую решетку (α-Po), а другой – высокотемпературной – ромбическую (β-Po). Фазовый переход из одной формы в другую происходит при 36 °C, однако при обычных условиях полоний находится в высокотемпературной форме вследствие разогрева собственным радиоактивным излучением.
Металлы
Среди металлов, которые встречаются в природе в больших количествах (до U, без Tc и Pm), 28 имеют аллотропные формы при атмосферном давлении: Li, Be, Na, Ca, Sc, Ti, Mn, Fe, Co, Sr, Y, Zr, Sn, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Yb, Hf, Tl, Th, Pa, U. Также важны аллотропные формы ряда металлов, образующиеся при их технологической обработке: Ti при 882˚C, Fe при 912˚C и 1394˚C, Co при 422˚C, Zr при 863˚C, Sn при 13˚C и U при 668˚C и 776˚C.
| Элемент | Аллотропные модификации |
|---|---|
| Олово: |
