Лекция 8 Фосфор и его соединения

Лекция 8
Фосфор и его соединения
Название фосфора происходит от греч. Phosphorus (несущий свет).
Впервые был получен гамбургским алхимиком Г. Брандом в 1669 г. Позднее
Либих установил, что фосфор имеет огромное значение для
жизнедеятельности растений. Это распространенный элемент, содержание
его в земной коре примерно 0,1%. В свободном виде фосфор в природе не
существует, а встречается только в связанном состоянии.
Фосфор образует несколько аллотропных модификаций. Главные из них –
белый, красный и черный фосфор.
Белый фосфор – ядовитое, бесцветное твердое кристаллическое
соединение, плохо нерастворимое в воде. Плавится при температуре 44C,
превращаясь в бесцветную жидкость. Белый фосфор химически очень
активен из-за неустойчивости молекулы P4. Если нагревать белый фосфор без
доступа воздуха, он превращается в красный фосфор.
Красный фосфор по своим свойствам сильно отличается от белого
фосфора. Он ядовит, не растворяется ни в чем. При охлаждении его паров
образуется белый фосфор. Красный фосфор используется главным образом в
производстве спичек, ядохимикатов.
Черный фосфор образуется из красного при нагревании его до 350C под
высоким давлением.
Химические свойства фосфора
На воздухе фосфор сгорает, образуя оксид фосфора (V) – фосфорный
ангидрид:
4Р + 5O2 = 2P2O5
При взаимодействии со щелочами образуется фосфин PH3:
2Р + 2NaOH + H2O = Na2HPO3 + PH3
Фосфин - это бесцветный ядовитый газ с запахом чеснока, аналог
аммиака, однако, в отличие от него очень неустойчив и при
непосредственном взаимодействии фосфора с водородом не образуется.
Используется как боевое отравляющее вещество.
Азотная кислота окисляет фосфор до фосфорной кислоты:
3Р + 5HNO3 + 2H2O = 3H3PO4 + 5NO
В атмосфере хлора фосфор горит, со фтором реагирует со взрывом, с
серой фосфор образует сульфиды различного состава, с металлами при
нагревании – фосфиды.
2P + 5Cl2 → 2PCl5
2P + 3Cl2 → 2PCl3
3Ca + 2P → Ca3P2
Смесь красного фосфора с бертолетовой солью очень взрывоопасна:
6Р + 5КС1О3 = 5КС1 + ЗР2О5
Чистый фосфор получают восстановлением фосфоритов и апатитов
коксом в присутствии песка в электропечах при 1500C:
Ca3(PO4)2 + 5C+ 3SiO2 = 3CaSiO3 + 5CO + 2P
Оксиды фосфора
Фосфор образует два оксида: P2O3 и P2O5. Оксид фосфора (V) или
фосфорный ангидрид – белое кристаллическое вещество. Реальный состав
молекулы оксида фосфора (V) соответствует формуле Р2О10, хотя на практике
для простоты формулу оксида фосфора (V) упрощенно записывают как P2O5.
Фосфорный ангидрид жадно поглощает воду, при этом в зависимости от
соотношения числа молекул воды и оксида фосфора (V) P2O5 образуется
несколько типов фосфорных кислот: мета- и ортофосфорная, дифосфорная, а
также большая группа полифосфорных кислот. Сила полифосфорных кислот
возрастает с увеличением числа атомов фосфора.
При взаимодействии P2O5 с водой при обычных условиях получается
метафосфорная кислота НРО3:
P4O10 + 2Н2O = 4НРO3
При нагревании водного раствора метафосфорной кислоты образуется
ортофосфорная кислота:
HPO3 + H2O = H3PO4
Оксид фосфора (III) по аналогии с оксидом фосфора (V) образует
молекулы P4O6. С водой образует фосфористые кислоты. Их соли называются
фосфитами. Ортофосфористая кислота Н3РО3 – слабая двухосновная кислота,
сильный восстановитель. Ее особенность – только два атома водорода
способны замещаться на металл. При нагревании ее в водном растворе
выделяется водород:
H3PO3 + H2O = H3PO4 + H2
Фосфорная кислота
Ортофосфорная или фосфорная кислота – трехосновная кислота средней
силы. Ее диссоциация в водных растворах протекает в три ступени.
Фосфорная кислота не летуча и устойчива, для нее не характерны
окислительные свойства. Поэтому она реагирует только с металлами,
расположенными в ряду напряжений левее водорода. От других фосфорных
кислот ее можно отличить по характерной реакции с нитратом серебра:
выделяется осадок Ag3PO4 желтого цвета. Фосфорная кислота образует три
вида солей: дигидрофосфаты, гидрофосфаты и фосфаты.
Соли фосфорной кислоты используются в медицине, а также как
удобрения. Соответственно, ортофосфорная кислота крайне важна в
производстве удобрений.
В лаборатории фосфорную кислоту получают окислением фосфора
азотной кислотой, в промышленности – окислением фосфора при нагревании
и далее поглощением оксида фосфора (V) водой:
4Р + 5O2 = 2P2O5
P2O5 + Н2O = 2НРO3
Физиологическая роль фосфора
Фосфор в больших количествах присутствует во многих пищевых
продуктах (молоко, мясо, рыба, хлеб, овощи, яйца). Большая часть
потребленного с пищей фосфора всасывается в проксимальном отделе
тонкого кишечника.
Содержание фосфора в теле взрослого человека около 1 % ( примерно
700 г на 70 кг массы тела). Суточная потребность человека в фосфоре
составляет 1,3 г.
В организме основное количество фосфора содержится в костях (около
85 %), много фосфора в мышцах и нервной ткани. Вместе с кальцием,
фтором и хлором фосфор формирует зубную эмаль. В организме человека
около 14 % фосфора содержат внутриклеточные компоненты мягких тканей
и только 1 % находится в внеклеточной жидкости. Из организма фосфор
выводится с мочой и калом.
Значение фосфора для организма человека огромно. Фосфор находится в
биосредах в виде фосфат-иона, который входит в состав неорганических
компонентов и органических биомолекул. Фосфор присутствует во всех
тканях, входит в состав белков, нуклеиновых кислот, нуклеотидов,
фосфолипидов. Соединения фосфора AДФ и АТФ являются универсальным
источником энергии для всех живых клеток. Значительная часть энергии,
образующася при распаде углеводов и других соединений, аккумулируется в
богатых энергией органических соединениях фосфорной кислоты.
Растворимые соли фосфорной кислоты формируют фосфатную буферную
систему, ответственную за постоянство кислотно-щелочного равновесия
внутриклеточной жидкости. Труднорастворимые (кальциевые) соли
фосфорной кислоты составляют минеральную основу костной и зубной
ткани. Фосфор играет важную роль в деятельности головного мозга, сердца,
мышечной ткани.