Фосфор мышьяк

Фосфор и мышьяк, расположенные в одной группе периодической таблицы, демонстрируют интересные химические свойства и разнообразие аллотропных форм.

Фосфор, с его характерной электроотрицательностью и окислительной способностью, имеет жизненно важное значение в биологии и органической химии.

Аллотропные модификации белого, красного, фиолетового и черного фосфора открывают перед учеными широкие горизонты для исследований и применения в различных областях науки.

Мышьяк, в свою очередь, представляет собой значимый элемент, хотя и обладает опасными свойствами.

Его распространение в природных сернистых соединениях делает его интересным объектом для изучения в минералогии и металлургии.

Тем не менее, ядовитость мышьяка ограничивает его использование, что подчеркивает важность соблюдения мер безопасности при работе с ним.

Исследование фосфора и мышьяка не только помогает углубить наше понимание химии, но и открывает перспективы для применения этих элементов в новых технологиях и медицинских препаратах.

Поэтому изучение их свойств и взаимодействий является важной задачей для научного сообщества.

Фосфор мышьяк

Фосфор свойства соединения

Фосфор P, атомный вес 30,97. Фосфор химический элемент 15-й группы ( устаревшая классификация: в третьем периоде, в главной подгруппе V группы периодической системы).

Заряд ядра фосфора +15. Внешний пяти электронный слой атома имеет электронную конфигурацию 3s²3p³, электроны расположены по орбиталям в следующем порядке.

Фосфор может быть получен в виде четырех аллотропных видоизменений: белого, красного, фиолетового и черного фосфора.

Белый фосфор

Белый фосфор — обладает молекулярной кристаллической решеткой; это вещество желтоватого цвета с чесночным запахом. В парах имеет состав Р4. Плотность его 1,82.

Плавится при температуре 44°, кипит при 281°. На воздухе воспламеняется при 18°. При хранении на свету переходит в красный.

Белый фосфор в воде нерастворим, зато хорошо растворим в сероуглероде, бензоле и некоторых других органических растворителях.

Он весьма ядовит: 0,1 г белого фосфора — смертельная доза для человека.

Противоядием при отравлениях фосфором служит 2% раствор медного купороса, который следует давать больному каждые 5 минут по чайной ложке до появления рвоты.

Горящий фосфор не только причиняет очень сильные ожоги, но и вызывает отравление тканей, прилежащих к месту ожога, вследствие чего заживление идет крайне медленно.

При ожогах фосфором противоядием служит мокрая повязка, пропитанная 5% раствором медного купороса.

В связи с тем что белый фосфор легко окисляется и воспламеняется, его хранят под водой.

Нужно следить за тем, чтобы в банке постоянно была вода и чтобы тем-пература в помещении, где находится белый фосфор, не спускалась ниже нуля.

В противном случае вода может замерзнуть и разорвать сосуд, а потом при оттаивании вытечь и фосфор, оставшись без воды, может воспламениться.

Окисление белого фосфора на воздухе сопровождается выделением световой энергии, благодаря чему белый фосфор светится в темноте.

Это свечение, в конце концов, может привести к самовоспламенению и вызвать пожар.

Если в процессе реакции кусочек белого фосфора упадет на пол, его нужно найти и сжечь или поместить в банку с водой.

Красный фосфор

Красный фосфор — порошок с слабо выраженной кристаллической структурой и потому названный аморфным, темно-красного цвета, весьма гигроскопичен (легко поглощает воду), но в воде нерастворим; нерастворим он и в сероуглероде. Плотность его 2,20.

Красный фосфор получается при длительном нагревании белого фосфора без доступа воздуха при 450°.

При нагревании красный фосфор возгоняется, и пары его при охлаждении превращаются в белый фосфор.

Красный фосфор в отличие от белого не ядовит, запаха не имеет. Воспламеняется он при температуре 250—300°.

Фиолетовый и черный фосфор также получают из белого фосфора при высоком давлении и температуре.

Черный фосфор обладает металлическим блеском, проводит тепло и электричество. Следовательно, у фосфора в весьма незначительной степени, появляются металлические свойства.

Химическая активность

Химическая активность у разных аллотропных видоизменений фосфора неодинакова. Например, они имеют разную температуру воспламенения, белый фосфор светится в темноте, красный не светится.

Наличие на внешнем электронном слое фосфора 3 неспаренных р-электронов позволяет предположить, что для фосфора должно быть возможно образование трех валентных связей с другими элементами.

Таковы ионные соединения с металлами — фосфиды, например фосфид магния Мg₃Р₂, летучее водородное соединение фосфин РН₃ с полярными молекулами.

Вследствие того что у фосфора сравнительно небольшая электроотрицательность, эти соединения при непосредственном синтезе образуются с большим трудом, и потому их предпочитают получать косвенным путем.

➡️50. Составьте и заполните таблицу: (См. Ответ)

Фосфористый водород РН₃, или фосфин, неустойчив, может самовоспламеняться на воздухе, сильный восстановитель. Фосфин — газ, обладающий неприятным запахом гнилой рыбы.

В отличие от аммиака почти не дает реакций соединения, с водой не взаимодействует. Практического значения фосфин не имеет.

С элементами, обладающими большей, чем у фосфора, электроотрицательностью, фосфор реагирует очень энергично.

Если в сосуд с хлором внести красный фосфор, то через несколько секунд он самовоспламеняется в хлоре.

При этом обычно получаются соединения трехвалентного фосфора.

Это соединение образуется легче, чем РСl₅, так как ковалентная связь в РСl₃ возникает за счет не-спаренных р-электронов фосфора, а в образовании РСl₅ участвуют все валентные электроны.

Взаимодействие фосфора с кислородом протекает также весьма энергично.

Фосфор, предварительно подожженный на воздухе, сгорает в кислороде ослепительно ярким пламенем с образованием фосфорного ангидрида Р₂О₅:

4Р + 5О₂ = 2Р₂О₅

При медленном окислении получается фосфористый ангидрид Р₂О₃.

➡️51. Выпишите из текста все уравнения, характеризующие свойства фосфора.

52. Какого типа химическая связь образуется в молекулах соединений фосфора с водородом, магнием, хлором, кислородом? (См. Ответ)

Свободный фосфор получают из фосфорита сплавлением с песком и углем в электропечи.

Реакция протекает в две стадии:

а) Са₃(РО₄)₂ + 3SiO₂ = Р₂О₅ + 3CaSiО₃

б) P₂O₅ + 5С = 2Р + 5СО

Са₃(РО₄)₂ + 3SiО₂ + 5С = 3CaSiО₃ + 5СО + 2Р

1. На первой стадии двуокись кремния вытесняет из фосфата кальция фосфорный ангидрид.
2. На второй стадии фосфорный ангидрид восстанавливается углем до свободного фосфора.

Выделяющиеся пары фосфора охлаждают водой. В результате выделяется белый фосфор.

➡️53. Сколько фосфора можно получить промышленным путем, если в процессе реакции образуется 20 м³ окиси углерода? Сколько фосфорита будет израсходовано, если известно, что последний содержит 65% фосфата кальция?

54. Сколько фосфора можно получить из 5 m фосфата кальция, если выход фосфора равен 90% от теоретического? (Задачу решите, не применяя уравнение реакции). (См. Ответ)

В промышленности при изготовлении спичек находит применение главным образом красный фосфор.

Белый фосфор начал применяться в спичечной промышленности раньше красного, в 1830 г.

Такие спички легко зажигались при трении о любую поверхность, но были весьма ядовиты и вредны для здоровья, а также огнеопасны, поэтому от них вскоре отказались, заменив белый фосфор красным.

Фосфор применяется для изготовления некоторых его соединений, например фосфорного ангидрида Р₂О₅, фосфорной кислоты Н₃РО₄ и т. д.

➡️55. Что такое аллотропия и аллотропные видоизменения того или иного элемента?

56. Какие вам известны элементы, способные образовывать аллотропные видоизменения?

57. Чем объясняется различие в свойствах у разных аллотропных видоизменений одного и того же элемента? (См. Ответ)

Кислородные соединения фосфора

Наибольшее значение из окислов фосфора имеет фосфорный ангидрид.

Фосфорный ангидрид Р₂О₅ — белый порошок, весьма гигроскопичный.

При хранении его следует хорошо закупорить и залить пробку парафином, чтобы предохранить фосфорный ангидрид от попадания паров воды.

Фосфорный ангидрид — типичный кислотный окисел.

При взаимодействии с холодной водой он образует метафосфорную кислоту:

Р₂О₅ + Н₂О = 2НРО₃

Фосфорный ангидрид — сильное водоотнимающее средство и может быть применен для высушивания некоторых веществ.

Производными фосфорного ангидрида являются фосфорные кислоты — метафосфорная, образование которой рассматривалось выше.

Ортофосфорная кислота Н₃РО₄, образующаяся при кипячении метафосфорной кислоты с водой.

НРО₃ + Н₂О = Н₃РО₄

В случае продолжительности нагревания ортофосфорной кислоты из нее выделяется вода и образуется пирофосфорная кислота Н₄Р₂О₇:

2Н₃РО₄ = Н₂О + Н₄Р₂О₇

Все три кислоты содержат атомы фосфора в одной и той же степени окисления +5. Графические формулы этих кислот:

Наиболее устойчивой и распространенной кислотой является ортофосфорная, или просто фосфорная, кислота. Это кислота устойчивая, средней силы, нелетучая.

В лаборатории фосфорная кислота хранится в виде концентрированных растворов, а в чистом виде это твердое кристаллическое вещество.

Фосфорная кислота — кислота средней силы. Она значительно слабее таких сильных кислородных кислот, как серная или азотная.

Фосфорная кислота диссоциирует ступенчато:

Н₃РО₄ ⇄ Н⁺ + Н₂РO₄^— ⇄ 2Н⁺ + HPO²₄^— ⇄ 3Н⁺ + PO³₄^—

С водой фосфорная кислота смешивается в любых отношениях. Это кислота трехосновная, поэтому она образует три ряда солей.

Соли фосфорной кислоты называются фосфатами, или ортофосфатами.

Если в кислоте замещены все три атома водорода, пример Ca₃(PО₄)₂, Na₃PО₄, то такие соли называются средними, или трехзамещенными, фосфатами.

Если в кислоте замещены только два атома водорода, пример Na₂HPО₄, CaHPО₄, Fe₂(HPО₄)₃, то такие кислые соли называются двух-замещенными фосфатами, или гидрофосфатами.

Если в кислоте замещен только один атом водорода, пример NaH₂PО₄, Са(Н₂РО₄)₂, Fe(H₂PО₄)₃, то такие кислые соли называются однозамещенными, или дигидрофосфатами.

Фосфаты, как правило, в воде нерастворимы (за исключением фосфатов щелочных металлов и аммония), но кислые фосфаты растворимы в воде.

Это свойство фосфатов используется в сельскохозяйственной практике, где применяются исключительно кислые фосфаты.

Так как растения могут поглощать из почвы лишь растворимые соли, то фосфор, необходимый для их питания, может усваиваться ими только в виде растворенных соединений.

В связи с этим при производстве фосфорных удобрений получают кислые фосфаты из средних, встречающихся в природе в виде фосфоритов и апатитов.

Главными фосфорными удобрениями являются суперфосфат Са(Н₂РО₄)₂ + CaSО₄, двойной суперфосфат Са(Н₂РО₄) , преципитат СаНРО₄ · 2Н₂О и фосфоритная мука Са₃(РО₄)₂.

В последнее время широко, распространение получили комбинированные удобрения, содержащие несколько необходимых растениям элементов.

Например, азот в сочетании с фосфором входит в состав удобрений, которые называются аммофосами (NH₄)₃PО₄, NH₄H₂PО₄, (NH₄)₂HPО₄.

Если аммофосы смешать с калийной селитрой, то получается аммофоска — удобрение, содержащее азот, фосфор и калий.

Интересна реакция фосфат-иона с катионом серебра:

РО³₄^— + 3Ag⁺ = Ag₃PО₄↓

Образуется осадок фосфата серебра желтого цвета, который растворяется в азотной кислоте в отличие от иодида серебра.

➡️58. Составьте рассказ о кислородных соединениях фосфора по следующему плану: (См. Ответ)

1. Формула высшего окисла фосфора;
2. Тип химической связи между атомами в молекуле высшего окисла фосфора;
3. К какой группе окислов относится фосфорный ангидрид? Докажите это, приведя уравнения соответствующих реакций;
4. Фосфорные кислоты, их формулы эмпирические и графические;
5. Фосфаты, их состав и применение.

59. Напишите уравнение следующих реакций в молекулярной, полной и сокращенной ионной формах:

1. Дигидрофосфат кальция + гидроксид кальция;
2. Фосфат кальция + фосфорная кислота;
3. Фосфат кальция + серная кислота;
4. Фосфат калия + нитрат бария. (См. Ответ)

Мышьяк

Мышьяк свойства соединения

Химический знак мышьяка As, атомный вес 74,91. Мышьяк химический элемент 15-й группы (устаревшая классификация: в V группе периодической системы и является аналогом фосфора и азота).

Мышьяк имеет четыре энергетических уровня. На внешнем энергетическом уровне у него 5 электронов; электронная конфигурация внешнего слоя 4s²4р³.

Радиус атома мышьяка больше, чем атома фосфора и азота, отсюда более низкие значения электроотрицательности и меньшая окислительная способность.

В природе мышьяк встречается главным образом в виде сернистых соединений.

Минералы, содержащие мышьяк, — аурипигмент As₂S₃ и реальгар As₄S₄ — применялись раньше в качестве красок (аурипигмент — для золотисто-желтой, реальгар—для ярко-красной).

В настоящее время вследствие крайней ядовитости не применяются. Мышьяковый колчедан FeAsS встречается природе вместе с серным колчеданом.

Если нагревать мышьяковый колчедан без доступа воздуха, то из него довольно быстро начинает возгоняться мышьяк:

FeAsS = FeS + As↑

Иногда мышьяк получают из аурипигмента, который сначала обжигают:

2As₂S₃ + 9O₂ = 6SO₂ + 2As₂O₃

а затем полученный окисел восстанавливают углеродом:

As₂O₃ + 3С = ЗСО + 2As

В природе в свободном виде мышьяк не встречается.

Аллотропия мышьяка

Мышьяк может быть получен в виде трех аллотропных видоизменений, из которых наиболее распространен серый мышьяк.

Серый мышьяк темно-серого цвета с металлическим блеском, нерастворим ни в воде, ни в органических растворителях, легко образует сплавы с металлами, обладает тепло- и электропроводностью.

Его плотность 5,73. Все это указывает на то, что у мышьяка уже проявляются металлические свойства. Как металл он менее активен чем водород, и не вытесняет его из кислот.

Желтый мышьяк — желтое кристаллическое, легко окисляющееся вещество, довольно легко переходящее в серый мышьяк.

Черный мышьяк — аморфное вещество, переходящее при слабом нагревании в серый мышьяк — наиболее устойчивую форму.

Свойства мышьяка

Химические свойства мышьяка подчеркивают его амфотерность.

Например, мышьяк реагирует с хлором, образуя хлорид мышьяка:

2As + 3Сl₂ = 2AsCl₃.

Это соль, в которой мышьяк играет роль трехвалентного металла.

При сгорании мышьяка на воздухе или в кислороде образуется мышьяковистый ангидрид:

4As + 3О₂ = 2As₂O₃

в котором мышьяк ведет себя как кислотообразующий элемент. Мышьяковистый ангидрид имеет белый цвет и потому получил название «белого мышьяка», которое, как ясно из формулы, не соответствует составу соединения. Этот ангидрид плохо растворим в воде.

➡️60. Изобразите распределение электронов по энергетическим уровням атома мышьяка и размещение электронов на орбиталях внешнего слоя.

61. Какие аллотропные видоизменения имеет мышьяк?

62. Что такое «белый мышьяк»? (См. Ответ)

Соединения мышьяка

При растворении в воде мышьяковистого ангидрида образуется ортомышьяковистая, или мышьяковистая кислота:

As₂O₃ + 3Н₂O = 2H₃AsO₃

Это слабая кислота, известная лишь в водных растворах. Мышьяковистая кислота амфотерна. Она может диссоциировать двояко:

3Н⁺ + AsO³₃^— (в щелочной среде) ⇄ H₃AsO₃ ⇄ As₃⁺ + 3ОН^— (в кислой среде)

Ортомышьяковистая кислота очень легко разлагается с образованием более устойчивой метамышьяковистой кислоты:

H₃AsO₃ = HAsO₂ + Н₂O

Ортомышьяковистая кислота является хорошим восстановителем. Соли мышьяковистых кислот называются арсенитами.

Окисел As₂O₅ — мышьяковый ангидрид — не образуется при непосредственном взаимодействии мышьяка с кислородом, а получается только косвенным путем. Ему соответствует мышьяковая кислота H₃AsO₄, проявляющая типичные свойства кислот.

Мышьяковая кислота — кислота средней силы. Это твердое, весьма сходное по свойствам с фосфорной кислотой соединение.

Соли мышьяковой кислоты, носящие название арсенатов, особого практического интереса не представляют.

Водородное соединение мышьяка — мышьяковистый водород (арсин) AsH₃ — неустойчивое соединение с чесночным запахом, крайне ядовитое.

В нем мышьяк проявляет отрицательную валентность, равную —3.

Арсин нельзя получить непосредственным синтезом; его получают лишь косвенным путем, например при восстановлении водородом в момент выделения белого мышьяка:

As₂O₃ + 6Zn + 6H₂SO₄ = 2AsH₃ + 6ZnSO₄ + 3H₂O

Все соединения мышьяка весьма ядовиты. Смертельная для человека доза 0,1 г As₂O₃.

Отравление мышьяком выражается в расстройстве нервной системы, общей слабости, явлениях паралича, в результате которых может наступить смерть.

При более слабых отравлениях спустя некоторое время появляются рвота, понос и сильные боли в животе.

В острых случаях для лечения рекомендуется введение под кожу апоморфина, а в качестве противоядия — свежеприготовленная смесь жженой магнезии и гидроокиси железа, хорошо взболтанная в растворе сульфата окисного железа Fe₂(SО)₃.

Рекомендуется давать по чайной ложке через каждые 10 минут. Предельно допустимая концентрация мышьяка в воздухе 0,003 мг/л.

Соединения мышьяка применяются при выделке кож, мехов. Особенно широко их используют в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями.

В медицине мышьяк применяется в виде арсената натрия Na₂HAsО₄ и арсенита калия KAsО₂. Мышьяк входит в состав лечебного препарата новарсенола.

В качестве микроэлемента мышьяк стимулирует жизнедеятельность животных и человека и всегда содержится в незначительном количестве в моче и тканях животных и растений.

Мышьяк в свободном состоянии добавляют в некоторые сплавы для придания им твердости, устойчивости к окислению и других свойств.

➡️63. Напишите в молекулярной и ионных формах уравнения реакций мышьяковистой кислоты:

а) с соляной кислотой;

б) с едким натром.

64. Каково физиологическое действие соединений мышьяка?

65. Где применяются соединения мышьяка? (См. Ответ)

Статья на тему Фосфор