Формула фосфора

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Фосфор образует несколько аллотропических изменений: белый, красный и черный фосфор.

Белый, красный и черный фосфор

Белый фосфор представляет собой одну из аллотропных модификаций химического элемента фосфора (рис. 1). Он состоит из молекул P₄. Метастабильный, при комнатной температуре мягкий как воск (режется ножом), на холоду – хрупкий. Плавится и кипит без разложения, летучий при слабом нагревании, перегоняется с водяным паром. Медленно окисляется на воздухе (цепная реакция с участием радикалов, хемилюминесценция), при слабом нагревании воспламеняется в присутствии кислорода. Хорошо растворяется в сероуглероде, аммиаке, оксиде серы (IV), плохо – в тетрахлориде углерода. Не растворяется в воде, хорошо сохраняется под слоем воды.

Рис. 1. Белый фосфор. Внешний вид.

Красный фосфор представляет собой наиболее термодинамически стабильную аллотропную модификацию элементарного фосфора. В обычных условиях представляет порошок различных оттенков (от пурпурно-красного до фиолетового) (рис. 2). Цвет определяется способом получения и степенью дробления вещества. Имеет металлический блеск. При нагревании возгоняется. Окисляется на воздухе. Не растворяется в воде и сероуглерода. Химическая активность красного фосфора значительно меньше, чем белого и черного. Растворяется в расплаве свинца, из которого кристаллизуется фиолетовый фосфор (фосфор Гитторфа).При охлаждении паров красного фосфора получается белый фосфор.

Рис. 2. Красный фосфор. Внешний вид.

Черный фосфор образуется из белого путем его нагревания под высоким давлением при 200-220^oC. По внешнему виду похож на графит, жирный на ощупь. Плотность – 2,7 г/см³. Полупроводник.

Химическая формула фосфора

Химическая формула белого фосфора – P₄. Она показывает, что в составе молекулы этого вещества находится четыре атома фосфора (Ar = 31 а.е.м.). По химической формуле можно вычислить молекулярную массу белого фосфора:

Mr(P₄) = 2×Ar(P) = 4×31 = 124.

Красный фосфор имеет формулу Р_nи представляет собой полимер со сложной структурой.

Структурная (графическая) формула фосфора

Структурная (графическая) формула фосфора является более наглядной. Она показывает то, как связаны атомы между собой внутри молекулы.

Структурная формула белого фосфора имеет вид:

Структурная формула полимера красного фосфора имеет вид:

Электронная формула

Электронная формула, показывающая распределение электронов в атоме по энергетическим подуровням показана ниже:

₁₅P 1s²2s²2p⁶3s²3p³.

Она также показывает, что фосфор относится к элементам р-семейства, а также число валентных электронов — на внешнем энергетическом уровне находится 5 электронов (3s²3p³).

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Определите молекулярную формулу соли с молярной массой менее 300, в которой массовые доли азота, водорода, хрома и кислорода составляют 11,11%; 3,17%; 41,27% и 44,44% соответственно.

Решение

Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле:

ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%.

Обозначим число атомов азота в молекуле через «х», число атомов водорода через «у», число атомов хрома за «z» и число атомов кислорода за «k».

Найдем соответствующие относительные атомные массы элементов железа и кислорода (значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел).

Ar(N) = 14; Ar(H) = 1; Ar(Cr) = 52; Ar(O) = 16.

Процентное содержание элементов разделим на соответствующие относительные атомные массы. Таким образом мы найдем соотношения между числом атомов в молекуле соединения:

x:y:z:k = m(N)/Ar(N) : m(H)/Ar(H) : m(Cr)/Ar(Cr) : m(O)/Ar(O);

x:y:z:k= 11,11/14 :3,17/1 :41,27/52 : 44,44/16;

x:y:z:k= 0,79 : 3,17 : 0,79 : 2,78 = 1: 4 : 1 : 3,5 = 2 : 8: 2 : 7.

Значит простейшая формула соединения азота, водорода, хрома и кислорода имеет вид N₂H₈Cr₂O₇ или (NH₄)₂Cr₂O₇. Это дихромат аммония.

Ответ

(NH₄)₂Cr₂O₇

ПРИМЕР 2

Задание

В результате сгорания кислородсодержащего органического соединения в избытке воздуха собрано 1,584 г углекислого газа и 0,972 мл воды. Плотность пара этого соединения по воздуху равна 1,5865. Выведите химическую формулу соединения, если она содержит два одноименных радикала.

Решение

Составим схему реакции сгорания органического соединения обозначив количество атомов углерода, водорода и кислорода за «x», «у»и «z» соответственно:

C_xH_yO_z+ O_z→CO₂ + H₂O.

Определим массы элементов, входящих в состав этого вещества. Значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел: Ar(C) = 12 а.е.м., Ar(H) = 1 а.е.м., Ar(O) = 16 а.е.м.

m(C) = n(C)×M(C) = n(CO₂)×M(C) = [m(CO₂) / M(CO₂)]/M(C);

m(H) = n(H)×M(H) = 2×n(H₂O)×M(H) = [2×m(H₂O) / M(H₂O)]×M(H);

m(H) =[2×V(H₂O)×M(H) / M(H₂O)×1 (г/мл)].

Рассчитаем молярные массы углекислого газа и воды. Как известно, молярная масса молекулы равна сумме относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы (M = Mr):

M(CO₂) = Ar(C) + 2×Ar(O) = 12+ 2×16 = 12 + 32 = 44 г/моль;

M(H₂O) = 2×Ar(H) + Ar(O) = 2×1+ 16 = 2 + 16 = 18 г/моль.

Тогда,

m(C) = [1,584 / 44]/12 = 0,432 г;

m(H) = [2×0,971 ×1 / 18 ×1 (г/мл)] = 0,108 г.

Значение молярной массы органического вещества можно определить при помощи его плотности по воздуху:

M_substance = M_air × D_air;

M_substance = 29 × 1,5862 = 46 г/моль.

Найдем число атомов углерода и водорода в соединении:

x:y = m(C)/Ar(C) : m(H)/Ar(H);

x:y = 0,432/12 :0,108/1;

x:y = 0,036 : 0,108 = 1: 3.

Значит простейшая формула углеводородного радикала этого соединения имеет вид CH₃и молярную массу 15 г/моль [M(CH) = Ar(C) + 3×Ar(H)= 12 + 3×1 = 12 + 3 = 15 г/моль]. Это означает, что на кислород приходится [46-15 = 31 г/моль], что невозможно.

Учитывая условие задачи про два одноименных радикала 2×М(CH₃) = 2×15 = 30 г/моль, получаем, что на кислород приходится [46-30 = 16 г/моль], т.е. органическое кислородсодержащее соединение имеет вид CH₃-O-CH₃. Это ацетон (диметилкетон).