Фосфор и его характеристики

Общая характеристика фосфора

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Фосфор – пятнадцатый элемент Периодической таблицы. Обозначение – P от латинского «phosphorus». Расположен в третьем периоде, VА группе. Относится к неметаллам. Заряд ядра равен 15.

Фосфор принадлежит к числу довольно распространенных элементов; содержание его в земной коре составляет около 0,1% (масс.). Вследствие легкой окисляемости фосфор в свободном состоянии в природе не встречается.

Из природных соединений фосфора самым важным является ортофосфат кальция Ca₃(PO₄)₂, который в виде минерала фосфорина иногда образует большие залежи. Часто встречается также минерал апатит, содержащий кроме Ca₃(PO₄)₂, еще CaF₂ или CaCl₂.

Атомная и молекулярная масса фосфора

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Относительной молекулярная масса вещества (M_r) – это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A_r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Значения атомной и молекулярной масс фосфора совпадают; они равны 30,9737.

Аллотропия и аллотропные модификации фосфора

Фосфор образует несколько аллотропических модификаций.

Белый фосфор получается в твердом состоянии при быстром охлаждении паров фосфора; его плотность 1,83 г/см ³. В чистом виде белый фосфор совершенно бесцветен и прозрачен (рис. 1). На холоду хрупок, но при температуре выше 15^oС становится мягким и легко режется ножом.

На воздухе белый фосфор очень быстро окисляется и при этом светится в темноте. Уже при слабом нагревании, для чего достаточно просто трения, фосфор воспламеняется и сгорает. Имеет молекулярную кристаллическую решетку, в узлах которой находятся тетраэдрические молекулы P₄. Сильный яд.

Рис. 1. Аллотропные модификации фосфора. Внешний вид.

Если белый фосфор нагреть до температуры 250-300^oС он переходит в другую модификацию имеющую красно-фиолетовую окраску и называемую красным фосфором. Это превращение происходит очень медленно и под действием света.

Красный фосфор по своим свойствам сильно отличается от белого: медленно окисляется на воздухе, не светится в темноте, загорается только при 260^oС и неядовит.

При сильном нагревании красный фосфор, не плавясь, испаряется (сублимируется). При охлаждении паров получается белый фосфор.

Черный фосфор образуется из белого при нагревании его до 200-220^oС под очень высоким давлением. По виду он похож на графит, жирен на ощупь и тяжелее других модификаций. Полупроводник.

Изотопы фосфора

Известно, что в природе фосфор находится в виде единственного изотопа ³¹P (23,99%). Массовое число равно 31. Ядро атома изотопа фосфора ³¹P содержит пятнадцать протонов и шестнадцать нейтронов.

Существуют искусственные изотопы фосфора с массовыми числами от 24-х до 46-ти, среди которых наиболее стабильным является ³²P с периодом полураспада равным 14 суток.

Ионы фосфора

На внешнем энергетическом уровне атома фосфора имеется пять электронов, которые являются валентными:

1s²2s²2p⁶3s²3p³.

В результате химического взаимодействия фосфор может терять свои валентные электроны, т.е. являться их донором, и превращаться в положительно заряженные ионы или принимать электроны другого атома, т.е. являться их акцептором, и превращаться в отрицательно заряженные ионы:

P⁰ –5e → P⁵⁺;

P⁰-3e → P³⁺;

P⁰-1e → P¹⁺;

P⁰+3e → P^3-.

Молекула и атом фосфора

Молекула фосфора одноатомна — Р. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу фосфора:

Энергия ионизации атома, эВ	10,549
Относительная электроотрицательность	2,2
Радиус атома, нм	0,13

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Вычислите массу фосфора, который надо сжечь в кислороде для получения оксида фосфора (V) массой 3,55 г?

Решение

Запишем уравнение реакции горения фосфора в кислороде с образованием оксида фосфора (V):

4P + 5O₂ = 2P₂O₅.

Рассчитаем количество вещества оксида фосфора (V) (молярная масса – 284 г/моль):

n = m / M;

n(P₂O₅) = m(P₂O₅) / M(P₂O₅);

n(P₂O₅) = 3,55 / 284 = 0,0125 моль.

Согласно уравнению реакции n(P₂O₅) : n(P) = 2:4, значит:

n(P) = 2 × n(P₂O₅);

n(P) = 2 × 0,0125 = 0,025 моль.

Тогда, масса фосфора (молярная масса – 124 г/моль) будет равна:

m = n × M;

m(P) = n(P) × M(P);

m(P) = 0,025 × 124 = 3,1г.

Ответ

Масса фосфора равна 3,1 г

ПРИМЕР 2

Задание

Фосфин можно получить действием соляной кислоты на фосфид кальция. Рассчитайте объем фосфина (н.у.), который образуется из 9,1 г фосфида кальция. Массовая доля выхода продукта составляет 90%.

Решение

Запишем уравнение реакции получения фосфина из фосфида кальция:

Ca₃P₂ + 6HCl = 2PH₃ + 3CaCl₂.

Рассчитаем количество вещества фосфида кальция (молярная масса – 182 г/моль):

n = m / M;

n(PH₃) = m(PH₃) / M(PH₃);

n(PH₃) = 9,1 / 182 = 0,05 моль.

Согласно уравнению реакции n(PH₃) : n(Ca₃P₂) = 2:1, значит:

n(PH₃) = 2 × n(Ca₃P₂);

n(PH₃) = 2 × 0,05 = 0,1 моль.

Тогда, объем выделившегося фосфина будет равен:

V = n × V_m;

V(PH₃) = n (PH₃) × V_m;

V(PH₃) = 0,1 × 22,4 = 2,24 л.

Учитывая выход продукта реакции, объем фосфина составляет:

V(PH₃) = V(PH₃) × η/100%;

V(PH₃) = 2,24 × 90/100% = 2,016 л.