Химия кислородсодержащих соединений фосфора

Оксиды фосфора: строение молекул, физические и химические свойства ангидридов

Добро пожаловать в курс «Химия кислородсодержащих соединений фосфора». Мы начинаем наше погружение в химию одного из самых жизненно важных и химически активных элементов — фосфора.

Фосфор — элемент многоликий. Он образует множество соединений, но наиболее обширный и важный класс — это кислородсодержащие соединения. Чтобы понять, как устроены кислоты фосфора и их соли (которые, к слову, составляют основу наших костей и ДНК), нам нужно начать с истоков — с оксидов.

В этой статье мы разберем два главных оксида фосфора, узнаем, почему школьная формула не совсем верна, и выясним, как эти вещества взаимодействуют с водой.

1. Строение молекул: почему , а не ?

В старых учебниках и в простейших уравнениях реакций вы часто могли видеть формулы (оксид фосфора(III)) и (оксид фосфора(V)). Это так называемые эмпирические или простейшие формулы. Они верно отражают соотношение атомов, но не реальное строение молекулы.

На самом деле, в парообразном и твердом состоянии (для некоторых модификаций) эти оксиды существуют в виде димеров. То есть реальные формулы выглядят так:

* Оксид фосфора(III): * Оксид фосфора(V):

Структура оксида фосфора(III) —

Представьте себе тетраэдр (пирамидку) из четырех атомов фосфора — это структура белого фосфора (). Если мы «раздвинем» атомы фосфора и вставим между каждыми двумя атомами фосфора по одному атому кислорода, мы получим структуру . Эта структура напоминает клетку или каркас.

!Шаростержневая модель молекулы оксида фосфора(III) P4O6, демонстрирующая каркасное строение.

Структура оксида фосфора(V) —

Эта молекула строится на базе предыдущей. Мы берем каркас и к каждому из четырех атомов фосфора присоединяем еще по одному атому кислорода двойной связью. Эти кислороды «торчат» наружу от вершин тетраэдра.

!Шаростержневая модель молекулы оксида фосфора(V) P4O10.

2. Оксид фосфора(III):

Этот оксид также называют фосфористым ангидридом.

Получение

Его получают при сжигании белого фосфора в условиях недостатка кислорода. Если кислорода будет слишком много, фосфор окислится дальше, до высшего оксида.

Где — молекула белого фосфора, — молекула кислорода, а — оксид фосфора(III).

Физические свойства

* Белое кристаллическое вещество (иногда выглядит как воскообразная масса). * Плавится при температуре 23,8 °C. * Ядовит. * Имеет неприятный чесночный запах.

Химические свойства

является ангидридом фосфористой кислоты (). Его поведение с водой зависит от температуры воды.

С холодной водой: Медленно реагирует, образуя фосфористую кислоту.

Где — вода, а — фосфористая кислота.

С горячей водой: Реакция идет бурно, и происходит диспропорционирование (самоокисление-самовосстановление). Образуется фосфин () и ортофосфорная кислота.

3. Оксид фосфора(V):

Это наиболее устойчивый и важный оксид, часто называемый фосфорным ангидридом (или просто пятиокисью фосфора).

Получение

Образуется при сжигании фосфора в избытке сухого воздуха или кислорода. Это та самая реакция, которая дает густой белый дым при горении фосфора.

Где — белый фосфор, — кислород, — оксид фосфора(V).

Физические свойства

* Белый мелкокристаллический порошок (похож на снег). * Возгоняется (переходит из твердого состояния в пар) при 360 °C. * Экстремально гигроскопичен. Это одно из самых сильных водоотнимающих средств в химии.

> Интересный факт: Если оставить открытую банку с на воздухе, через некоторое время порошок превратится в вязкую жидкость, так как он жадно поглотит всю влагу из воздуха, превращаясь в кислоту.

Химические свойства

Главное свойство — это его взаимодействие с водой. Оно протекает очень энергично, с выделением большого количества тепла и шипением.

Реакция идет ступенчато, в зависимости от количества воды и температуры:

С холодной водой образуется метафосфорная кислота (полимерного строения):

Где — метафосфорная кислота.

При кипячении метафосфорная кислота присоединяет воду и превращается в ортофосфорную:

Где — ортофосфорная кислота.

#### Водоотнимающие свойства

Из-за своей «жадности» к воде, способен отнимать воду даже у химических соединений, превращая кислоты в их ангидриды. Например, он может обезводить азотную кислоту:

Где — азотная кислота, — оксид азота(V), — метафосфорная кислота.

4. Кислотно-основные взаимодействия

Оба рассмотренных оксида являются кислотными оксидами (ангидридами). Это значит, что они реагируют с основными оксидами и щелочами, образуя соли.

Пример реакции оксида фосфора(V) с гидроксидом натрия (щелочью):

Где — гидроксид натрия, — ортофосфат натрия (соль), — вода.

5. Вопрос диссоциации

В теме урока упоминалась «диссоциация». Важно понимать фундаментальное различие:

* Оксиды сами по себе не диссоциируют. Диссоциация — это распад вещества на ионы в растворе или расплаве. Оксиды фосфора — это ковалентные соединения, они не состоят из ионов. * Однако, попадая в воду, они вступают в химическую реакцию, образуя кислоты. * И вот уже образовавшиеся кислоты подвергаются электролитической диссоциации.

Например, ортофосфорная кислота, полученная из оксида, является кислотой средней силы и диссоциирует ступенчато:

Первая ступень (идет легче всего):

Где — катион водорода, а — дигидрофосфат-анион.

Именно наличие ионов водорода в растворе обуславливает кислый вкус и способность изменять цвет индикаторов (лакмус становится красным).

Заключение

Мы изучили два ключевых оксида фосфора. Главное, что нужно запомнить:

Их реальные формулы — и .

Они являются ангидридами соответствующих кислот.

Оксид фосфора(V) — мощнейший осушитель.

В следующей статье мы подробно разберем продукты гидратации этих оксидов — фосфорные кислоты, их строение и уникальные свойства.

Ортофосфорная кислота: промышленные способы получения и общие химические свойства

Приветствую вас, коллеги. В прошлой лекции мы подробно разобрали оксиды фосфора, и вы узнали, что оксид фосфора(V) является ангидридом фосфорной кислоты. Сегодня мы переходим к изучению самого важного продукта гидратации этого оксида — ортофосфорной кислоте ().

Ортофосфорная кислота — это «рабочая лошадка» фосфорной промышленности. Она используется везде: от производства удобрений, кормящих планету, до всем известной «Кока-Колы», где она играет роль регулятора кислотности. В этой статье мы разберем, как её получают в гигантских масштабах и какими химическими свойствами она обладает.

Строение молекулы

Прежде чем говорить о тоннах и реакторах, взглянем на одну молекулу. Химическая формула — . Центральный атом — фосфор () — находится в степени окисления +5. Он окружен четырьмя атомами кислорода, образуя тетраэдр.

* Один атом кислорода связан с фосфором двойной связью (). * Три других атома кислорода входят в состав гидроксильных групп (), связанных с фосфором одинарными связями.

Именно эти три группы делают кислоту трехосновной. Атомы водорода в них подвижны и могут замещаться на металл.

!Структурная модель молекулы ортофосфорной кислоты, демонстрирующая тетраэдрическое окружение атома фосфора.

Промышленные способы получения

В мире ежегодно производятся миллионы тонн фосфорной кислоты. Существует два принципиально разных метода её получения: термический и экстракционный (или «мокрый» способ).

1. Термический способ

Этот метод позволяет получить кислоту очень высокой чистоты, которая используется в пищевой промышленности и медицине. Процесс состоит из двух стадий, которые мы фактически уже изучили в предыдущих темах.

Стадия 1: Сжигание фосфора. Сначала из фосфорной руды получают чистый элементарный фосфор, а затем сжигают его в избытке воздуха:

Где — белый фосфор, — кислород, а — оксид фосфора(V).

Стадия 2: Гидратация. Полученный оксид поглощается водой в специальных башнях:

Где — вода, а — ортофосфорная кислота.

> Важно: Этот метод энергозатратен, так как требует предварительного получения чистого фосфора. Поэтому термическая кислота стоит дороже.

2. Экстракционный (сернокислотный) способ

Этим методом производится большая часть фосфорной кислоты для удобрений. Суть метода заключается в обработке природного фосфатного сырья (апатитов или фосфоритов) сильной кислотой, которая вытесняет фосфорную.

В качестве сырья обычно используют фторапатит или фосфорит, основным компонентом которого является фосфат кальция . Его обрабатывают концентрированной серной кислотой при нагревании.

Упрощенное уравнение реакции выглядит так:

Где — фосфат кальция (основа руды), — серная кислота, — целевая ортофосфорная кислота, а — сульфат кальция (гипс), выпадающий в осадок.

Полученная таким образом кислота содержит примеси и требует очистки, но этот метод значительно дешевле термического. Побочный продукт — фосфогипс — образуется в огромных количествах и часто используется в строительстве.

Физические свойства

Многие привыкли видеть кислоты в лаборатории как жидкости. Однако чистая ортофосфорная кислота при комнатной температуре — это бесцветное твердое кристаллическое вещество.

* Температура плавления: . * Она очень гигроскопична (жадно впитывает влагу из воздуха), поэтому кристаллы быстро расплываются. * В воде растворяется неограниченно.

В лабораториях и промышленности обычно используют не кристаллы, а концентрированные водные растворы (чаще всего ). Такой раствор представляет собой густую, сиропообразную жидкость без цвета и запаха.

Химические свойства

Ортофосфорная кислота — это кислота средней силы. Она слабее азотной или серной, но сильнее уксусной или угольной кислот.

1. Электролитическая диссоциация

Поскольку кислота трехосновная (имеет три атома водорода), диссоциация протекает ступенчато. На каждой следующей ступени отщепить протон становится всё труднее.

Первая ступень (идет легче всего):

Где — ион водорода, — дигидрофосфат-ион.

Вторая ступень (идет труднее):

Где — гидрофосфат-ион.

Третья ступень (идет очень слабо):

Где — фосфат-ион (ортофосфат).

Именно поэтому в растворе фосфорной кислоты больше всего ионов , а ионов — ничтожно мало.

2. Взаимодействие с металлами

Как и любая кислота, реагирует с металлами, стоящими в ряду напряжений до водорода, с выделением газа водорода. Однако реакции часто идут медленно из-за образования нерастворимых пленок фосфатов на поверхности металла.

Где — магний, — фосфат магния (осадок), — водород.

3. Взаимодействие с основаниями (нейтрализация)

Это одно из самых интересных свойств. В зависимости от того, сколько щелочи мы добавим к кислоте, можно получить три разных типа солей. Рассмотрим реакцию с гидроксидом натрия ().

* Мольное соотношение 1:1 (недостаток щелочи): Образуется дигидрофосфат натрия (кислая соль).

* Мольное соотношение 1:2: Образуется гидрофосфат натрия (кислая соль).

* Мольное соотношение 1:3 (избыток щелочи): Образуется ортофосфат натрия (средняя соль).

4. Действие температуры (Дегидратация)

Если ортофосфорную кислоту нагревать выше , она начинает терять воду. Молекулы как бы «сшиваются» друг с другом.

Сначала две молекулы объединяются, образуя пирофосфорную (дифосфорную) кислоту:

Где — пирофосфорная кислота.

При дальнейшем нагревании процесс продолжается до образования стекловидной метафосфорной кислоты ().

5. Качественная реакция

Как распознать ортофосфорную кислоту и её растворимые соли в пробирке? Для этого используют нитрат серебра ().

При взаимодействии ионов серебра с фосфат-ионами выпадает характерный ярко-желтый осадок фосфата серебра, который растворяется в сильных кислотах (например, в азотной).

В ионном виде:

Где — катион серебра, — фосфат-анион, — желтый осадок фосфата серебра.

Заключение

Сегодня мы изучили ортофосфорную кислоту — вещество, которое связывает неорганическую химию с жизнью растений и пищевой промышленностью. Мы узнали:

Два способа получения: чистый (термический) и массовый (экстракционный).

Что кислота является трехосновной и диссоциирует в три ступени.

Что при реакции со щелочами она дает три ряда солей.

Именно о солях фосфорной кислоты и их применении в качестве удобрений мы поговорим в следующей, заключительной статье нашего курса.

Многообразие кислот фосфора: метафосфорная, фосфористая и фосфорноватистая кислоты

Приветствую вас на очередной лекции курса «Химия кислородсодержащих соединений фосфора». В прошлый раз мы детально изучили «королеву» фосфорных кислот — ортофосфорную кислоту (). Вы узнали, что она трехосновная, средней силы и широко применяется в промышленности.

Но фосфор — элемент удивительный. В отличие от азота, который неохотно образует цепочки, или серы, у которой набор кислот более предсказуем, фосфор способен образовывать кислоты, где атомы водорода ведут себя совершенно по-разному.

Сегодня мы разберем три «младшие сестры» ортофосфорной кислоты:

Метафосфорную ()

Фосфористую ()

Фосфорноватистую ()

Мы выясним, почему формула не всегда говорит об истинной основности кислоты и как строение молекулы влияет на химические свойства.

1. Метафосфорная кислота: полимерный хамелеон

Начнем с кислоты, которая получается, если мы пожадничаем с водой при растворении оксида фосфора(V).

Строение и получение

Простейшая формула этой кислоты — . Однако в реальности мономер не существует. Это вещество всегда представляет собой полимер, состоящий из длинных цепей или колец. Поэтому правильнее записывать её формулу как .

Получают её взаимодействием оксида фосфора(V) с недостатком воды (на холоде):

Где — оксид фосфора(V), — вода, а — метафосфорная кислота.

Также её можно получить при сильном прокаливании ортофосфорной кислоты (дегидратация):

Где — ортофосфорная кислота, — метафосфорная кислота, — вода.

Свойства

Внешне метафосфорная кислота представляет собой стекловидную прозрачную массу, за что её иногда называют «ледяной фосфорной кислотой». Она очень гигроскопична (впитывает влагу).

Главное химическое свойство: со временем в водном растворе, а особенно при кипячении, она присоединяет воду и превращается в более устойчивую ортофосфорную кислоту:

Где — метафосфорная кислота, — вода, — ортофосфорная кислота.

Это объясняет, почему метафосфорная кислота ядовита (она коагулирует белки), в то время как ортофосфорная — пищевая добавка. Но в организме метафосфорная быстро превращается в безвредную орто-форму.

2. Фосфористая кислота: обманчивая формула

Переходим к соединениям, где фосфор находится в более низких степенях окисления. Взгляните на формулу: .

Казалось бы, всё просто: три атома водорода, значит, кислота трехосновная, как и ? Нет! Это одна из самых частых ошибок на экзаменах.

Строение молекулы

Чтобы понять суть, нужно заглянуть внутрь молекулы. В кислотах способны отщепляться (диссоциировать) только те атомы водорода, которые связаны с кислородом (группа ). Атомы водорода, связанные напрямую с фосфором (), практически не способны отрываться в водном растворе.

В молекуле фосфористой кислоты: * Степень окисления фосфора: +3. * Два атома водорода входят в гидроксогруппы (). * Один атом водорода связан напрямую с фосфором.

!Структурная формула фосфористой кислоты, показывающая, что один водород связан напрямую с фосфором.

Следовательно, фосфористая кислота — двухосновная. Её формулу правильнее было бы записать как .

Диссоциация

Диссоциация протекает в две ступени:

Первая ступень:

Где — катион водорода, — дигидрофосфит-ион.

Вторая ступень:

Где — фосфит-ион.

Третий водород не отрывается, поэтому иона в водных растворах не существует.

Химические свойства

Образование солей: Образует два ряда солей — средние (фосфиты, например ) и кислые (гидрофосфиты, например ). Обратите внимание: — это средняя соль, несмотря на наличие водорода в формуле!

Восстановительные свойства: Так как фосфор находится в промежуточной степени окисления +3, он стремится окислиться до +5. Поэтому фосфористая кислота — сильный восстановитель. Она легко окисляется даже слабыми окислителями.

Пример реакции с хлоридом ртути(II):

Где — хлорид ртути(II), — каломель (осадок), — ортофосфорная кислота.

Получение

Гидролиз галогенидов фосфора(III):

Где — хлорид фосфора(III), — вода, — соляная кислота.

3. Фосфорноватистая кислота: еще больше сюрпризов

Идем дальше по пути понижения степени окисления. Следующая остановка — кислота с формулой .

Строение молекулы

Здесь ситуация еще интереснее: * Степень окисления фосфора: +1. * Только один атом водорода входит в группу . * Два атома водорода связаны напрямую с фосфором.

!Структурная формула фосфорноватистой кислоты, где два атома водорода связаны напрямую с фосфором.

Вывод: фосфорноватистая кислота — одноосновная. Её можно записать как .

Диссоциация

Диссоциация идет только в одну ступень:

Где — катион водорода, — гипофосфит-ион.

Свойства

Соли: Образует только один ряд солей — гипофосфиты (например, ). Все гипофосфиты хорошо растворимы в воде.

Сильнейший восстановитель: Фосфор в степени окисления +1 очень хочет стать +5. Эта кислота способна восстанавливать металлы из их солей, например, серебро или золото.

Сводная таблица кислот фосфора

Чтобы систематизировать знания, давайте соберем всё в одну таблицу. Это поможет вам наглядно увидеть закономерности.

| Название кислоты | Формула | Степень окисления P | Основность | Строение (связи P-H) | Название солей | | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | | Ортофосфорная | | +5 | 3 (Трехосновная) | 0 | Фосфаты | | Фосфористая | | +3 | 2 (Двухосновная) | 1 | Фосфиты | | Фосфорноватистая | | +1 | 1 (Одноосновная) | 2 | Гипофосфиты |

> Запомните правило: Основность кислот фосфора равна числу атомов кислорода минус один (для : , для : , для : ). Это эмпирическое правило работает для этих трех кислот.

Заключение

Мы убедились, что химия фосфора полна нюансов. Нельзя судить о свойствах вещества только по его брутто-формуле.

* Метафосфорная кислота — это полимер, склонный превращаться в ортофосфорную. * Фосфористая и фосфорноватистая кислоты содержат связи , которые не диссоциируют, что снижает их основность, но придает им сильные восстановительные свойства.

Эти знания критически важны для понимания того, как фосфорные удобрения и пестициды ведут себя в почве и живых организмах. В следующей статье мы поговорим о практическом применении этих знаний — о солях фосфора и удобрениях.

Электролитическая диссоциация кислот фосфора: ступенчатые процессы и константы диссоциации

Приветствую вас, друзья! Мы продолжаем наш курс «Химия кислородсодержащих соединений фосфора». В предыдущих лекциях мы разобрали строение оксидов, научились получать ортофосфорную кислоту и узнали, что не все атомы водорода в кислотах фосфора «одинаково полезны» (вспомним фосфористую и фосфорноватистую кислоты).

Сегодня мы заглянем в самую суть процессов, происходящих в растворе. Мы поговорим о том, как молекулы кислот распадаются на ионы, почему этот процесс идет по ступеням и как математически оценить силу кислоты. Эта тема является ключом к пониманию того, почему фосфатные буферы поддерживают жизнь в нашей крови и как правильно подбирать условия для химических реакций.

Что такое ступенчатая диссоциация?

Вы уже знаете, что кислоты — это электролиты, которые в водном растворе диссоциируют (распадаются) с образованием катионов водорода (). Если у кислоты всего один «кислый» водород (как у или ), процесс прост: молекула распалась — и всё.

Но кислоты фосфора — это многоосновные кислоты (кроме фосфорноватистой). У них есть несколько атомов водорода, способных отщепиться. И здесь вступает в силу важное правило: диссоциация многоосновных кислот протекает ступенчато.

Представьте, что вы снимаете с себя несколько слоев одежды. Вы не можете снять футболку, не сняв сначала куртку. Так же и кислота: она отдает протоны по очереди, один за другим.

Диссоциация ортофосфорной кислоты ()

Ортофосфорная кислота — трехосновная. Это значит, что у неё есть три возможных шага (ступени) диссоциации.

Первая ступень

Сначала от нейтральной молекулы отрывается первый протон. Этот процесс идет легче всего.

Где — молекула ортофосфорной кислоты, — катион водорода, а — дигидрофосфат-анион.

Обратите внимание на знак обратимости (). Ортофосфорная кислота — кислота средней силы, поэтому реакция не идет до конца. В растворе всегда присутствует равновесие между целыми молекулами и ионами.

Вторая ступень

Теперь протон должен оторваться от уже отрицательно заряженного иона . Сделать это сложнее, так как «минус» притягивает «плюс».

Где — дигидрофосфат-анион, — катион водорода, а — гидрофосфат-анион.

Третья ступень

На этом этапе нужно оторвать положительный протон от частицы с зарядом -2. Это очень трудно, поэтому третья ступень протекает в ничтожно малой степени.

Где — гидрофосфат-анион, — катион водорода, а — фосфат-анион.

!Схематическое изображение трех ступеней потери протонов ортофосфорной кислотой с указанием возрастающей сложности процесса.

Константы диссоциации: язык цифр

Как химики сравнивают силу кислот на разных ступенях? Для этого используют константу диссоциации (). Это число показывает соотношение концентраций ионов и нераспавшихся молекул в состоянии равновесия.

Общая формула константы диссоциации выглядит так:

Где — константа диссоциации кислоты, — концентрация ионов водорода, — концентрация кислотного остатка, а — концентрация недиссоциированной кислоты.

Чем больше значение , тем сильнее кислота (тем больше она распалась на ионы).

Давайте посмотрим на константы для ортофосфорной кислоты (при 25 °C):

Первая ступень ():

Вторая ступень ():

Третья ступень ():

Анализ цифр

Посмотрите на гигантскую разницу между этими числами!

* больше примерно в 100 000 раз. * больше еще примерно в 100 000 раз.

Это математическое подтверждение того факта, что в растворе ортофосфорной кислоты в основном присутствуют ионы . Ионов там практически нет (если мы специально не добавим щелочь, чтобы сместить равновесие).

> Важный вывод: Если вас спросят, какая среда в растворе фосфата натрия (), вы должны вспомнить про . Так как третья ступень диссоциации идет очень плохо, обратный процесс (гидролиз) идет очень хорошо. Поэтому растворы средних фосфатов имеют сильнощелочную среду.

Особенности диссоциации других кислот фосфора

В прошлой статье мы выяснили, что не все водороды связаны с кислородом. Давайте посмотрим, как это влияет на диссоциацию.

Фосфористая кислота ()

Напомню, что это двухосновная кислота. У неё только две группы . Третий водород связан напрямую с фосфором () и в водном растворе не отрывается.

Следовательно, у неё есть только две константы диссоциации:

Ступень 1:

Где — фосфористая кислота, — протон, — дигидрофосфит-ион.

Ступень 2:

Где — дигидрофосфит-ион, — протон, — фосфит-ион.

Интересно, что по первой ступени фосфористая кислота () даже немного сильнее, чем ортофосфорная ().

Фосфорноватистая кислота ()

Это одноосновная кислота. Два водорода «намертво» приклеены к фосфору. Диссоциация идет только в одну стадию:

Где — фосфорноватистая кислота, — протон, — гипофосфит-ион.

Несмотря на то, что она «младшая», она является довольно сильной кислотой (сильнее, чем уксусная).

Почему сила падает с каждой ступенью?

Давайте разберем физическую причину резкого падения констант диссоциации ().

Всё дело в электростатике — науке о зарядах.

Ступень 1: Мы отрываем положительный протон () от нейтральной молекулы. Этому мешает только химическая связь.

Ступень 2: Мы пытаемся оторвать положительный протон () от частицы, которая уже имеет заряд -1 (). Разноименные заряды притягиваются. Анион «держит» протон гораздо сильнее.

Ступень 3: Мы отрываем от частицы с зарядом -2 (). Притяжение становится очень сильным, и оторвать протон почти невозможно без помощи извне (например, добавления щелочи).

Практическое значение: Фосфатные буферы

Понимание констант диссоциации — это не просто теория. Это основа жизни.

В нашем организме (внутри клеток) работает фосфатная буферная система. Она состоит из смеси ионов и .

Значение (это отрицательный логарифм константы, ) для второй ступени диссоциации фосфорной кислоты составляет около 7,2. Это почти идеально совпадает с физиологическим pH внутри клетки.

Если в клетке появляется избыток кислоты, ионы связывают её, превращаясь в . Если появляется щелочь, ионы нейтрализуют её. Так поддерживается постоянство среды, необходимое для работы ферментов.

Заключение

Сегодня мы углубились в физическую химию растворов кислот фосфора. Главные выводы:

Ортофосфорная кислота диссоциирует в три ступени.

Каждая следующая ступень протекает намного труднее предыдущей ().

В растворе чистой кислоты преобладают ионы , а ионов ничтожно мало.

Фосфористая кислота диссоциирует только в две ступени, а фосфорноватистая — в одну, из-за наличия прочных связей .

Эти знания понадобятся нам в следующей, финальной статье курса, где мы будем разбирать свойства солей фосфорной кислоты и их применение в качестве удобрений. До встречи!

Соли фосфорных кислот: средние и кислые соли, их гидролиз и качественные реакции

Приветствую вас, коллеги! Мы подошли к финальной точке нашего курса «Химия кислородсодержащих соединений фосфора». Мы прошли долгий путь: от строения оксидов до тонкостей диссоциации кислот.

В прошлой лекции мы выяснили, что ортофосфорная кислота () диссоциирует ступенчато. Именно эта особенность порождает огромное разнообразие солей, которые мы сегодня изучим. Эти вещества окружают нас повсюду: от зубной пасты и разрыхлителя теста до сложных удобрений, обеспечивающих урожайность полей.

Сегодня мы разберем классификацию этих солей, научимся предсказывать среду их растворов (почему одни кислые, а другие — щелочные) и узнаем, как химики обнаруживают фосфаты в пробирке.

1. Классификация: один фосфор — три ряда солей

Поскольку в молекуле ортофосфорной кислоты есть три атома водорода, которые можно заместить на металл, она образует три типа солей. Рассмотрим их на примере натриевых солей.

Дигидрофосфаты (Однозамещенные)

В этих солях замещен только один атом водорода.

* Формула: * Название: Дигидрофосфат натрия. * Особенность: Содержат два атома водорода в кислотном остатке. Хорошо растворимы в воде (даже соли кальция).

Гидрофосфаты (Двузамещенные)

Замещены два атома водорода.

* Формула: * Название: Гидрофосфат натрия. * Особенность: Содержат один атом водорода. Растворимость хуже, чем у дигидрофосфатов, но лучше, чем у средних солей.

Фосфаты (Трехзамещенные или средние соли)

Замещены все три атома водорода.

* Формула: * Название: Ортофосфат натрия (или просто фосфат натрия). * Особенность: Водорода в остатке нет. Растворимы только фосфаты щелочных металлов (кроме лития) и аммония. Большинство природных фосфатов (например, кальция) нерастворимы.

!Иллюстрация перехода от кислоты к средней соли через стадии кислых солей

2. Взаимные превращения солей

Главное правило, которое нужно запомнить: тип соли зависит от соотношения кислоты и щелочи.

Мы можем легко превращать одни соли в другие, добавляя кислоту или щелочь.

От кислой соли к средней (добавляем щелочь)

Если к кислой соли добавить щелочь, она нейтрализует оставшиеся атомы водорода:

Где — дигидрофосфат натрия, — гидроксид натрия, — гидрофосфат натрия, — вода.

Если добавить еще щелочи:

Где — гидрофосфат натрия, — гидроксид натрия, — фосфат натрия, — вода.

От средней соли к кислой (добавляем кислоту)

Если к средней соли добавить фосфорную кислоту, мы «вернем» водород в молекулу:

Где — фосфат натрия, — ортофосфорная кислота, — гидрофосфат натрия.

> Практический совет: Если в задаче сказано, что к фосфорной кислоте добавили избыток щелочи, пишите среднюю соль (). Если избыток кислоты — пишите дигидрофосфат ().

3. Гидролиз и среда раствора

Это, пожалуй, самая интересная и неочевидная часть темы. Казалось бы, если в соли есть водород (), она должна быть кислой. А если водорода нет (), она должна быть нейтральной. Но в химии фосфора всё сложнее.

Вспомним константы диссоциации из прошлой лекции. Сила кислоты падает по ступеням.

Дигидрофосфат натрия ()

В растворе ион может делать две вещи:

Диссоциировать дальше (отдавать ):

Подвергаться гидролизу (забирать у воды):

У дигидрофосфата диссоциация преобладает над гидролизом. Он охотнее отдает свой протон, чем забирает чужой. Поэтому среда раствора — слабокислая ().

Гидрофосфат натрия ()

Здесь ситуация меняется. Ион держит свой последний протон очень крепко (помните, очень мала). Зато он охотно забирает протон у воды (гидролиз).

Гидролиз преобладает над диссоциацией. Поэтому среда раствора — слабощелочная ().

Фосфат натрия ()

Здесь нет водорода, диссоциировать нечему. Идет только гидролиз по аниону. Так как третья ступень диссоциации кислоты очень слабая, гидролиз по первой ступени идет очень активно:

Где — фосфат-ион, — вода, — гидрофосфат-ион, — гидроксид-ион.

Наличие ионов делает среду сильнощелочной (). Именно поэтому тринатрийфосфат используют в составе моющих средств для удаления жира — щелочь омыляет жиры.

| Соль | Формула | Среда раствора | Лакмус | | :--- | :--- | :--- | :--- | | Дигидрофосфат | | Кислая | Красный | | Гидрофосфат | | Слабощелочная | Синий | | Фосфат | | Сильнощелочная | Синий |

4. Термические превращения

При нагревании кислые соли ведут себя подобно самой кислоте — они теряют воду (дегидратация).

При прокаливании дигидрофосфатов образуются метафосфаты (соли метафосфорной кислоты ):

Где — дигидрофосфат натрия, — метафосфат натрия, — вода.

При прокаливании гидрофосфатов образуются пирофосфаты (соли пирофосфорной кислоты ):

Где — гидрофосфат натрия, — пирофосфат натрия, — вода.

Средние соли () термически устойчивы и при нагревании не разлагаются (если катион устойчив).

5. Качественная реакция на фосфат-ион

Как доказать, что в растворе есть ортофосфаты? Для этого используют реактив на многие анионы — нитрат серебра ().

При взаимодействии растворимых фосфатов с ионами серебра выпадает характерный ярко-желтый осадок фосфата серебра.

Молекулярное уравнение:

Где — фосфат натрия, — нитрат серебра, — фосфат серебра (осадок), — нитрат натрия.

Сокращенное ионное уравнение:

Где — катион серебра, — фосфат-анион, — желтый осадок фосфата серебра.

Важное отличие: Этот осадок растворяется в сильных кислотах (например, в азотной), что отличает его от желтых осадков иодида или бромида серебра, которые в кислотах не растворяются.

6. Применение: Фосфорные удобрения

Мы не можем закончить курс, не упомянув главное применение солей фосфора. Фосфор — элемент жизни, необходимый растениям для роста корней и созревания плодов.

Большинство природных фосфатов (фосфориты, апатиты) нерастворимы в воде, поэтому растения не могут их усвоить. Задача химической промышленности — перевести их в растворимые кислые соли.

Простой суперфосфат: Смесь дигидрофосфата кальция и гипса . Получается при обработке руды серной кислотой.

Двойной суперфосфат: Чистый . Получается при обработке руды фосфорной кислотой. Он концентрированнее, так как не содержит «балласта» в виде гипса.

Преципитат: Гидрофосфат кальция . Менее растворим, используется на кислых почвах.

Аммофос: Смесь фосфатов аммония ( и ). Ценное комплексное удобрение, содержащее и азот, и фосфор.

Заключение курса

Поздравляю! Вы завершили курс «Химия кислородсодержащих соединений фосфора».

Мы прошли путь от белого фосфора, светящегося в темноте, до сложных буферных систем в нашей крови и удобрений на полях. Теперь вы понимаете, почему — это на самом деле , почему фосфорная кислота средней силы, но дает щелочные соли, и как отличить фосфат от других солей.

Химия фосфора — это прекрасный пример того, как строение атома определяет свойства вещества, а свойства вещества определяют его роль в природе и промышленности. Спасибо за внимание!