Степень окисления фосфора (P)

Теория:

Фосфор — один из самых «гибких» элементов в химии, поскольку он проявляет переменную степень окисления (СО) в широком диапазоне: от минимальной –3 до максимальной +5.

Эта уникальная способность обусловлена тем, что фосфор имеет пять валентных электронов и, находясь в третьем периоде, может использовать свои свободные d-орбитали.

Это позволяет ему либо принимать три электрона (становясь –3) для завершения оболочки, либо отдавать 3 или все 5 электронов (становясь +3 или +5) при взаимодействии с более электроотрицательными партнёрами.

Содержание страницы

Как определить степень окисления фосфора (Р)

Степень окисления фосфора определяется его положением в Периодической системе, электронной структурой, способностью использовать d-орбитали и электроотрицательностью.

В отличие от натрия, фосфор проявляет переменную СО в широком диапазоне: от –3 до +5.

Положение в Периодической системе

Фосфор находится в 15‑й группе (VA) и 3‑м периоде.

Высшая (максимальная) СО: равна номеру группы (V) и составляет +5 (например, в H₃PO₄).

Низшая (минимальная) СО: рассчитывается как 8−номер группы = 8 − 5 = −3 (например, в фосфине PH₃).

Примечание: правило «8 − номер группы» работает для элементов главных подгрупп (s‑ и p‑блоков) 2–7‑й групп.

Электронная конфигурация

Полная конфигурация валентного слоя: 3s²3p³ (пять валентных электронов).

Обоснование СО = –3: для достижения стабильного октета (конфигурации аргона) атому фосфора необходимо принять три электрона.

Обоснование СО = +5: фосфор может отдать все пять своих валентных электронов.

Квантовые числа и механизм проявления высоких СО

Квантовые числа объясняют, почему фосфор может проявлять высокие положительные СО (+3 и +5), а не только –3.

Главное квантовое число (n = 3): фосфор находится на третьем энергетическом уровне.

Побочное квантовое число (l = 1 для p‑орбиталей; l = 2 для d‑орбиталей): указывает на наличие свободных 3d‑орбиталей.

Механизм: наличие 3d‑орбиталей позволяет электронам с 3s‑орбитали распариваться и переходить на 3d‑орбитали при возбуждении (например, при взаимодействии с сильными окислителями — кислородом или фтором).

Основное состояние (3s²3p³): 3 неспаренных p‑электрона → СО = +3.

Возбуждённое состояние (3s¹3p³3d¹): 5 неспаренных электронов → СО = +5.

Важно: переход электронов на d‑орбитали возможен только в возбуждённом состоянии и требует энергии. Поэтому СО = +5 проявляется лишь в соединениях с сильными окислителями.

Электроотрицательность (ЭО)

ЭО фосфора (≈ 2,19 по шкале Полинга) находится в среднем диапазоне.

Это определяет знак СО в конкретном соединении:

СО = –3 (отрицательная): фосфор выступает как окислитель (принимает электроны), когда связан с менее электроотрицательными элементами, например, водородом (PH₃).

СО = +3 или +5 (положительная): фосфор выступает как восстановитель (отдаёт электроны), когда связан с более электроотрицательными элементами, например, кислородом (P₂O₃, P₂O₅).

Сравнительная ЭО (по Полингу):

H: 2,20

P: 2,19

O: 3,44

F: 3,98

Вывод: чем выше ЭО партнёра по связи, тем выше положительная СО фосфора.

Расчёт СО по соединениям (практический метод)

Для определения СО в конкретном соединении используют правило: сумма всех СО равна нулю (для молекулы) или заряду (для иона).

Пример 1: фосфат‑ион (PO₄³⁻)

СО кислорода: −2.

СО фосфора обозначим как x.

Составим уравнение:

x + 4 ⋅ (−2) = −3

x − 8 = −3

x = +5

Вывод: степень окисления фосфора в PO₄³⁻ равна +5.

Почему степень окисления фосфора −3 −2 −1 +1 +2 +3 +4 +5

Фосфор проявляет широкий спектр степеней окисления (СО) от –3 до +5 благодаря комбинации его электронной структуры и средней электроотрицательности.

Крайние степени окисления (определяются структурой)

Фосфор находится в 15-й группе (VA) и имеет пять валентных электронов (3s² 3p³).

Низшая СО (–3): фосфору необходимо принять три электрона для достижения стабильной конфигурации благородного газа (Аргона).

Это реализуется в соединениях с менее электроотрицательными элементами, например, в фосфине (PH₃).

Высшая СО (+5): фосфор может отдать все пять своих валентных электронов.

Это происходит в соединениях с наиболее электроотрицательными элементами, например, кислородом (P₂O₅).

Промежуточные степени окисления (обосновываются d-орбиталями)

Возможность фосфора проявлять высокие положительные СО (+3, +5) и другие промежуточные состояния связана с:

Наличием свободных 3d-орбиталей: так как фосфор находится в 3-м периоде, у него есть свободные 3d-орбитали.

Электроны с 3s и 3p могут распариваться и переходить на эти d-орбитали при возбуждении (например, при образовании P₂O₅), что обеспечивает до пяти неспаренных электронов.

СО = +3: используются только три p-электрона (например, PCl₃).

СО = +5: используются все пять валентных электронов (например, PCl₅).

Образование цепей и комплексных структур

Промежуточные степени окисления (–2, –1, +1, +2, +4) встречаются в сложных соединениях, содержащих связи фосфор–фосфор (P–P) или имеющих сложную ионную структуру.

СО = +1 и +3: встречаются в некоторых кислотах фосфора (H₃PO₂ и H₃PO₃).

СО = +4: наблюдается в тетраоксиде фосфора (P₂O₄), где атомы фосфора связаны друг с другом и имеют разные окружения.

Электронная конфигурация элемента одна из важных причин для объяснения (СО). Чтобы увидеть это наглядно подробно изучите электронную формулу фосфора.

Примеры соединений фосфора всех степеней окисления

Фосфор (P) — элемент 15-й группы — проявляет широкую химическую активность.

Что отражается в его разнообразных степенях окисления (СО) в соединениях, которые варьируются от минимальной -3 до максимальной +5.

Степень окисления	Примеры соединений	Комментарий
–3	PH₃ (фосфин)	Минимальная СО, фосфор принимает 3 электрона
–2	Na₂P₂ (динатрий дифосфид)	Встречается в соединениях с P–P связями
–1	Na₃P₇ (гептаполифосфат натрия)	Характерна для сложных полианионов
+1	H₃PO₂ (фосфорноватистая кислота)	Один атом P в степени +1
+2	P₂O₂ (диоксид дифосфора)	Редкая степень, связана с P–P
+3	PCl₃, H₃PO₃ (фосфористая кислота)	Используются три p-электрона
+4	P₂O₄ (тетраоксид фосфора)	Промежуточная степень, P–P связи
+5	PCl₅, H₃PO₄ (ортофосфорная кислота), PO₄^3-	Максимальная СО, отдаёт все 5 электронов

Хотя и находиться в одной группе с элементами, однако валентность фосфора — это ключевое свойство, отличающее его химическую природу.

Пример решения, задача:

▶️ Дано:

Соединение ортофосфорная кислота H₃PO₄.

⌕ Найти:

Определите степень окисления (СО) в соединении ортофосфорная кислота H₃PO₄.

✨ Решение:

Известны степени окисления:

Водорода H: +1;
Кислорода O: −2.

Обозначим степень окисления фосфора P как x.

Сумма степеней окисления в нейтральной молекуле равна 0:

3 ⋅ (+1) + x + 4 ⋅ (−2) = 0

Решаем уравнение:

3 + x − 8 = 0

x − 5 = 0

x = +5

✅ Ответ:

Степень окисления фосфора в соединении ортофосфорная кислота H₃PO₄ равна +5.

Для полноценного понимания атомного строения, физических свойств и применения, переходите к нашей главной статье: фосфор химический элемент.

Часто задаваемые вопросы:

Какая высшая степень окисления фосфора и почему?

+5 потому, что фосфор находится в 5‑й группе Периодической системы, поэтому максимальная степень окисления равна номеру группы.

Пример: H₃PO₄ (фосфорная кислота).

Какая низшая степень окисления фосфора и в каких соединениях она встречается?

–3 : для неметаллов низшая степень окисления = номер группы − 8 (5 − 8 = −3).

Пример: PH₃ (фосфин).

Может ли фосфор иметь степени окисления кроме +5 и –3? Приведите примеры.

Да, фосфор проявляет и другие степени окисления:

+3 — в P₂O₃ (оксид фосфора (III)) и H₃PO₃ (фосфористая кислота);

+1 — в H₃PO₂ (фосфорноватистая кислота);

0 — в простом веществе P₄ (белый фосфор).