В состав которых входит фосфор. Фосфор и его соединения — Гипермаркет знаний

Больших успехов в изучении свойств фосфора достиг в начале 70-х годов XVIII в. великий французский химик Антуан Лоран Лавуазье. Сжигая фосфор с другими веществами в замкнутом объеме воздуха, Лавуазье доказал, что фосфор - самостоятельный элемент, а воздух имеет сложный состав и слагается по крайней мере из двух компонентов - кислорода и азота . «Таким образом он впервые поставил на ноги всю химию, которая в своей флогистической форме стояла на голове». Так Ф. Энгельс писал о работах Лавуазье в предисловии ко второму тому «Капитала».

В 1799 г. Дондональд доказал, что соединения фосфора необходимы для нормального развития растений .

В 1839 г. другой англичанин, Лауз, впервые получил суперфосфат - фосфорное удобрение, легко усвояемое растениями.

В 1847 г. немецкий химик Шреттер, нагревая белый фосфор без доступа воздуха, получил новую разновидность (аллотропную модификацию) элемента № 15 - красный фосфор, а уже в XX в., в 1934 г., американский физик П. Бриджмен, изучая влияние высоких давлений на разные вещества, выделил похожий на графит черный фосфор. Таковы основные вехи в истории элемента № 15. Теперь проследим, что последовало за каждым из этих открытий.

«В 1715 году Генсинг установил наличие фосфора в мозговой ткани... В 1769 году Ган доказал, что в костях содержится много фосфора»

Фосфор - аналог азота. Хотя физические и химические свойства этих элементов очень сильно различаются, есть у них и общее, в частности то, что оба эти элемента совершенно необходимы животным и растениям. Академик А. Е. Ферсман называл фосфор «элементом жизни и мысли», и это определение вряд ли можно отнести к категории литературных преувеличений. Фосфор обнаружен буквально во всех органах зеленых растений: в стеблях, корнях, листьях, но больше всего его в плодах и семенах. Растения накапливают фосфор и снабжают им животных.

В организме животных фосфор сосредоточен главным образом в скелете, мышцах и нервной ткани. Из продуктов человеческого питания особенно богат фосфором желток куриных яиц.

Тело человека содержит в среднем около 1,5 кг элемента № 15. Из этого количества 1,4 кг приходится на кости, около 130 г - на мышцы и 12 г - на нервы и мозг. Почти все важнейшие физиологические процессы, происходящие в нашем организме, связаны с превращениями фосфорорганических веществ. В состав костей фосфор входит главным образом в виде фосфата кальция. Зубная эмаль - это тоже соединение фосфора, которое по составу и кристаллическому строению соответствует важнейшему минералу фосфора апатиту Ca 5 (PO 4) 3 (F, Cl).

Естественно, что, как и всякий жизненно необходимый элемент, фосфор совершает в природе круговорот. Из почвы его берут растения, от растений этот элемент попадает в организмы человека и животных. В почву фосфор возвращается с экскрементами и при гниении трупов. Фосфоробактерии переводят органический фосфор в неорганические соединения. Однако в единицу времени из почвы выводится значительно больше фосфора, чем поступает в почву. Мировой урожай сейчас ежегодно уносит с полей больше 3 млн. т фосфора.

Естественно, что для получения устойчивых урожаев этот фосфор должен быть возвращен в почву, и потому нет ничего удивительного в том, что мировая добыча фосфоритной руды сейчас составляет значительно больше 100 млн. т в год.

«...Пруст и Клапрот доказали, что фосфор широко распространен в земной коре, главным образом в виде фосфата кальция»

В земной коре фосфор встречается исключительно в виде соединений. Это главным образом малорастворимые соли ортофосфорной кислоты; катионом чаще всего служит ион кальция. На долю фосфора приходится 0,08% веса земной коры. По распространенности он занимает 13-е место среди всех элементов. Фосфор содержится не менее чем в 190 минералах, из которых главнейшие: фторапатит Ca 5 (PO 4) 3 F, гидроксилапатит Ca 5 (PO 4) 3 OH, фосфорит Ca 3 (PO 4) 2 с примесями.

Реже встречаются вивианит Fe 3 (PO 4) 2 *8H 2 O, монацит (Ce, La)PO 4 , амблигонит LaAl(PO 4)F, трифилит Li(Fe, Mn)PO 4 и еще реже ксенотим YPO 4 и торбернит Cu(UO 2) 2 2 *12H 2 O.

Минералы фосфора делятся на первичные и вторичные. Из первичных особенно распространены апатиты , часто встречающиеся среди пород магматического происхождения. Эти минералы образовались в момент становления земной коры.

В отличие от апатитов фосфориты залегают среди пород осадочного происхождения, образовавшихся в результате отмирания живых существ. Это вторичные минералы. В виде фосфидов железа , кобальта , никеля фосфор встречается в метеоритах. Разумеется, этот распространенный элемент есть и в морской воде (6*10 -6 %).

«Лавуазье доказал, что фосфор - самостоятельный химический элемент...»

Фосфор - неметалл (то, что раньше называли металлоид) средней активности. На наружной орбите атома фосфора находятся пять электронов, причем три из них не спарены. Поэтому он может проявлять валентности 3- , 3+ и 5+ .

Для того чтобы фосфор проявлял валентность 5+ , необходимо какое-либо воздействие на атом, которое бы превратило в неспаренные два спаренных электрона последней орбиты. Фосфор часто называют многоликим элементом. Действительно, в разных условиях он ведет себя по-разному, проявляя то окислительные, то восстановительные свойства. Многоликость фосфора - это и его способность находиться в нескольких аллотропных модификациях.

Пожалуй, самая известная модификация элемента № 15 - мягкий, как воск, белый или желтый фосфор. Это ее открыл Бранд, и благодаря ее свойствам элемент получил свое имя: по-гречески «фосфор» значит светящийся, светоносный. Молекула белого фосфора состоит из четырех атомов, построенных в форме тетраэдра. Плотность 1,83, температура плавления 44,1°С. Белый фосфор ядовит, легко окисляется. Растворим в сероуглероде, жидких аммиаке и SO 2 , бензоле, эфире. В воде почти не растворяется.

При нагревании без доступа воздуха выше 250°С белый фосфор превращается в красный. Это уже полимер, но не очень упорядоченной структуры. Реакционная способность у красного фосфора значительно меньше, чем у белого. Он не светится в темноте, не растворяется в сероуглероде, не ядовит. Плотность его намного больше, структура мелкокристаллическая.

Менее известны другие, еще более высокомолекулярные модификации фосфора - фиолетовый, коричневый и черный, отличающиеся одна от другой молекулярным весом и степенью упорядоченности макромолекул. Черный фосфор, впервые полученный П. Бриджменом в условиях больших давлений (200 тыс. атм при температуре 200°С), скорее напоминает графит , чем белый или красный фосфор. Эти модификации - лабораторная экзотика и в отличие от белого и красного фосфора практического применения пока не нашли.

Кстати, о применениях элементного фосфора; главные его потребители - производство спичек, металлургия, химические производства. В недавнем прошлом часть получаемого элементного фосфора расходовалась на военных предприятиях, его использовали для приготовления дымовых и зажигательных составов.

Металлурги обычно стремятся избавиться от примеси фосфора в металле - он ухудшает механические свойства, но иногда фосфор вводят в сплавы умышленно. Это делается, когда нужно, чтобы при затвердевании металл немного расширился и точно воспринял очертания формы. Широко используется фосфор и в химии. Часть его идет на приготовление хлоридов фосфора, нужных при синтезе некоторых органических препаратов; стадия производства элементного фосфора есть и в некоторых технологических схемах производства концентрированных фосфорных удобрений.

Теперь о его соединениях

• Фосфорный ангидрид P 2 O 5 - превосходный осушитель, жадно поглощающий воду из воздуха и других веществ. Содержание P 2 O 5 - основной критерий ценности всех фосфорных удобрений.
• Фосфорные кислоты, в первую очередь ортофосфорная H 3 PO 4 , используются в основной химической промышленности. Соли фосфорных кислот - это прежде всего фосфорные удобрения (о них разговор особый) и фосфаты щелочных металлов, необходимые для производства моющих средств.
• Галогениды фосфора (главным образом хлориды PCl 3 и PCl 5) используются в промышленности органического синтеза.
• Из соединений фосфора с водородом наиболее известен фосфин PH3 - сильно ядовитый бесцветный газ с чесночным запахом.
• Среди соединений фосфора особое место принадлежит фосфорорганическим соединениям. Большинство их обладает биологической активностью. Поэтому одни фосфорорганические соединения используются как лекарства, другие - как средства борьбы с сельскохозяйственными вредителями.

Самостоятельный класс веществ составили фосфонитрилхлориды - соединения фосфора с азотом и хлором . Мономер фосфонитрилхлорида способен к полимеризации. С ростом молекулярного веса меняются свойства веществ этого класса, в частности заметно уменьшается их растворимость в органических жидкостях. Когда молекулярный вес полимера достигает нескольких тысяч, получается каучукоподобное вещество - единственный пока каучук, в составе которого совсем нет углерода. Дальнейший рост молекулярного веса приводит к образованию твердых пластмассоподобных веществ. «Безуглеродный каучук» обладает значительной термостойкостью: он начинает разрушаться лишь при 350°С.

«В 1839 г. англичанин Лауз впервые получил суперфосфат - фосфорное удобрение, легко усвояемое растениями» Чтобы растения могли усваивать фосфор, он должен находиться в составе растворимого соединения. Чтобы получить эти соединения, фосфат кальция и серную кислоту смешивают в таких соотношениях, чтобы на одну грамм-молекулу фосфата приводилось две грамм-молекулы кислоты. В результате взаимодействия образуются сульфат и растворимый дигидрофосфат кальция: Ca 3 (PO 4) 2 + 2H 2 SO 4 → 2CaSO 4 + Ca(H 2 PO 4) 2 .

Смесь этих двух солей известна под названием суперфосфата. В этой смеси сульфат кальция с точки зрения агрохимии - балласт, однако его обычно не отделяют, так как эта операция требует больших затрат и сильно удорожает удобрение. В простом суперфосфате содержится всего 14-20% P 2 O 5 . Более концентрированное фосфорное удобрение - двойной суперфосфат. Его получают при взаимодействии фосфата кальция с фосфорной кислотой: Ca 3 (PO 4) 2 + 4Н 3 РO 4 3Са(Н 2 РO 4) 2 .

В двойном суперфосфате содержится 40-50% P 2 O 5 . По сути, его правильнее было бы называть тройным: он в три раза богаче фосфором, чем простой суперфосфат. Иногда в качестве фосфорного удобрения используется преципитат CaHPO 4 *H 2 O, который получается при взаимодействии фосфорной кислоты с гидроокисью или с карбонатом кальция. В этом удобрении 30-35% P 2 O 5 .

С разведанными запасами фосфорного сырья в нашей стране, как и во всем мире, дело обстоит не совсем благополучно. Академик С. И. Вольфкович с трибуны IX Менделеевского съезда по общей и прикладной химии говорил: «Если сырьевая база азотной промышленности - воздушный океан, вода и природный газ - не ограничивает масштабов нового строительства, а разведанные к настоящему времени залежи калийных солей обеспечивают развитие производства калийных удобрений более чем на тысячелетие, то изученных к настоящему времени запасов отечественного фосфорного сырья при намеченных больших объемах, производства удобрений хватит всего на несколько десятилетий».

В целом, это утверждение справедливо и для наших дней, несмотря на то, что масштабы производства фосфорных удобрений значительно выросли: в 1980 г. в СССР произведено больше 30 млн. т фосфатных удобрений и 4,4 млн. т фосфоритной муки - в 1965 г. было соответственно 8,04 и 3,24 млн. т.

Фосфор и сегодня остается лимитирующим элементом агрохимии, хотя возможности для дальнейшего расширения производства фосфорных удобрений есть. Много дополнительного фосфора можно будет получить при комплексной переработке минерального сырья, донных морских отложений и более детальной геологической разведке. Следовательно, особых, оснований для пессимизма у нас нет, тем более что по учтенным запасам фосфорных руд Россия занимает первое место в мире. Тем не менее, искать новые месторождения, разрабатывать способы получения фосфорных удобрений из более бедных руд необходимо. Необходимо для будущего, потому что фосфор - «элемент жизни и мысли» - будет нужен человечеству всегда.

В организме взрослого человека фосфор составляет примерно 1% массы всего тела, 90% из них содержатся в костях и зубах, внутри клеток костной ткани, в виде фосфата кальция. На межклеточную жидкость приходится всего около 1% фосфора, поэтому судить о его дефиците или переизбытке по уровню вещества в сыворотке крови бессмысленно – нужно исследовать состав костей.

Соединения фосфора с кальцием являются основными структурными элементами костей. Соединения с другими элементами необходимы для поддержания в организме кислотно-щелочного равновесия. Фосфор абсолютно необходим для белкового и углеводного обмена, синтеза витаминов группы В, транспорта гемоглобина, запуска необходимых для нормального пищеварения ферментных реакций и активации всасывания в кишечнике ионов кальция.

Одна из наиболее важных функций фосфора в организме связана с синтезом аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Поскольку человек способен совершать движения благодаря сокращению и расслаблению скелетных мышц, то АТФ как раз и обеспечивает мышечные волокна энергией для их сокращения.

Еще одно полезное для организма свойство фосфора – формирование фосфолипидов, необходимых компонентов построения клеточных оболочек. Именно фосфолипиды обусловливают ее проницаемость для входа необходимых веществ в клетку и вывода из нее продуктов жизнедеятельности.

Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот – полимерных соединений, образующих ДНК и РНК, которые играют ключевую роль в биологических процессах воспроизведения живого организма, отвечают за рост и деление клеток, определяют когнитивные функции, скорость реакций и мышления, многие другие процессы функционирования головного мозга.

Фосфорная кислота принимает участие в усвоении жиров, выработке и распаде гликогена, синтезе лецитина, необходимого для клеточных оболочек, в том числе мозга. Поскольку лецитин расходуется при повышенных физических нагрузках, нужно в таких случаях обязательно увеличивать количество фосфора в рационе.

Взаимодействие фосфора с кальцием – очень важное условие здоровья организма. Считается нормальным соотношение фосфора к кальцию 1:1,5 или 1:2. Нарушение этого равновесия грозит риском отложения кальция в тканях. Паратиреоидный гормон усиливает выведение фосфора с мочой, инсулин снижает его уровень в крови за счет стимулирования поступления в клетки, кальцитонин повышает уровень фосфора в крови и способствует его отложению в костной ткани.

Если обмен фосфора нарушен, и его накопилось избыточно в организме, это может говорить о развитии почечной недостаточности, нарушении работы щитовидной железы, возможном лейкозе. Дефицит фосфора может свидетельствовать об остеопорозе, острых заболеваниях печени, инфекционных болезнях, а также о недостатке или нарушении всасывания витамина D. Отрегулировать недостаток содержания фосфора в организме можно попробовать коррекцией ежедневного рациона, подбирая продукты, где много этого микроэлемента.

Усвоение фосфора и продукты с высоким его содержанием

Много фосфора содержится в некоторых растительных продуктах – например, бобовых, зерновых, но из-за присутствия в них некоторых кислот растительный фосфор плохо усваивается человеческим организмом. А вот из мяса и рыбы фосфор усваивается почти на 90%, неплохо всасывается он и из молочных продуктов.

Перечень некоторых продуктов, богатых фосфором (в мг на 100 г)

Мясо и молочные продукты		Рыба и морепродукты		Овощи и фрукты		Орехи, семена, злаки, бобовые
Молоко сухое	790	Икра осетровая	590	Брокколи	65	Семя тыквы	1233
Сыр плавленый	600	Карп	415	Картофель	60	Отруби пшеничные	1200
Яйцо куриное	540	Камбала	400	Шпинат	50	Мак	900
Сыр типа «Российский»	539	Сардина	280	Капуста цветная	43	Соевые бобы	700
Брынза	375	Тунец	280	Свекла	40	Семя подсолнечника	660
Свиная печень	347	Скумбрия	280	Огурец	40	Кунжут	629
Говядина	324	Осетрина	280	Киви	34	Кешью	593
Говяжья печень	314	Крабы	260	Помидоры	30	Кедровый орех	572
Творог	220	Кальмары	250	Апельсин	25	Грецкий орех	558
Баранина	202	Ставрида	250	Морковь	24	Овес	521
Курица	157	Мойва	240	Банан	22	Фасоль	500
Кефир	143	Минтай	240	Слива	16	Гречка	422
Йогурт натуральный	94	Креветки	225	Клюква	14	Рис	323
Молоко	92	Треска	210	Яблоко	11	Зеленый горошек	157

Совет! Оптимальным вариантом восполнения запасов фосфора в организме считаются молочные продукты, поскольку в них дополнительно содержится легкоусвояемый кальций, и оба микроэлемента идеально сбалансированы

В желудке фосфорная кислота из продуктов отщепляется от органических соединений, с которыми поступила в организм и всасывается в тонком кишечнике. Здесь всасывание фосфора усиливает щелочная фосфатаза. Выработка этого фермента зависит от количества витамина D. Далее усвоенный фосфор направляется в печень, работает как активатор ферментов и выработки жирных кислот, используется в виде солей костями и мышцами, участвует в других реакциях. Если в плазме крови становится недостаточно фосфора, он восстанавливается за счет запасов костной ткани. Когда фосфора многовато в плазме, он откладывается в скелете. Остатки усвоенного фосфора в виде фосфата кальция выводятся из организма через кишечник и почки. За сутки почками фильтруется около 200 ммоль фосфата, а выводится около 26.

Сочетание фосфора с другими веществами значительно влияет на его усвояемость. Так, ухудшается его всасывание при высоком содержании в продуктах сахара и фруктозы, магния и железа , а улучшается – в присутствии витамина А и витамина F . Фосфор плохо усваивается в присутствии алкоголя, кофе, черного чая.

Много фосфора теряется при отваривании продуктов в большом количестве воды. Он переходит в бульон, а также при предварительном обжаривании продуктов перед тушением. Для того чтобы максимально сохранить фосфор в пище, их желательно нарезать непосредственно перед готовкой, варить в маленьком количестве воды. Продукты нужно хранить в закрытых упаковках без доступа света.

Нормы употребления фосфора и последствия его возможного дефицита

При сбалансированном регулярном питании количество фосфора в организме обычно сохраняется в норме, хотя стоит помнить, что, к примеру, в консервы для сохранности продукта добавляются фосфаты, и при большом количестве консервированных продуктов в рационе вероятно превышение количества фосфора в организме.

Норма фосфора, которая ежедневно должна поступать в организм

При тяжелых физических нагрузках или спортивных тренировках нужно принимать в 2 раза больше фосфора, чем обычно. Во время беременности ежедневную норму фосфора увеличивают в 3, при грудном вскармливании – в 3,8 раза (после консультации с врачом и под его контролем).

Недостаток фосфора в организме гораздо опаснее его избытка, поскольку он провоцирует нарушение обменных процессов, нарушает работу нервной системы, становится причиной костно-мышечных патологий. Факторами, способствующими недостатку фосфора, могут стать:

• «голодные» диеты, в том числе монодиеты;
• сильные пищевые отравления с продолжительным нарушением нормальной работы кишечника;
• веганство с употреблением растительных продуктов, выращенных на бедных фосфором почвах;
• сильные стрессы, физические переутомления, интенсивный рост у подростков, беременность;
• злоупотребление сладкими газировками;
• употребление большого количества БАД с магнием, кальцием, алюминием, барием – они способствуют связыванию фосфора и его усиленному выведению;
• хронические заболевания почек, околощитовидных желез, сахарный диабет.

Нехватку фосфора в организме можно заподозрить при частых простудных заболеваниях, постоянном чувстве слабости и разбитости, онемении кожи или повышении ее чувствительности, нарушениях памяти и концентрации внимания, необъяснимой раздражительности и депрессиях, постоянном ощущении тревоги, пропавшем аппетите.

Последствием дефицита фосфора, если не принять своевременные меры к восстановлению его уровня, могут стать:

• пародонтоз;
• остеопороз;
• геморрагические высыпания на коже;
• ожирение печени;
• неврологические заболевания;
• боли в мышцах и суставах;
• развитие дистрофии миокарда.

Продолжительный дефицит фосфора чреват развитием артрита, хрупкости костей, нервного истощения.

Совет! При недостатке фосфора в организме, если он не вызван нарушением всасывания вещества из-за болезней, лучше восполнить его при помощи коррекции рациона питания. Прием биодобавок и аптечных препаратов фосфора может стать причиной передозировки и связанных с ней неприятностей со здоровьем

Если же речь идет о хронической недостаточности фосфора, врач принимает решение о коррекции состояния путем введения АТФ, кальция глицерофосфата, фитина, натрия фосфата, других необходимых в конкретной ситуации препаратов.

Препараты фосфора и особенности их назначения, опасности передозировки

Препараты с содержанием фосфора достаточно разнообразны, чтобы выбрать подходящий для решения возникшей проблемы, обусловившей дефицит этого элемента в организме.

АТФ (аденозинтрифосфорная кислота). Назначается при заболеваниях нервной системы, мышечных дистрофиях, дистрофии сердечной мышцы, спазмах сосудов сердца, двигательных нарушениях при болезни Паркинсона.

Фосфрен. Содержит органический фосфор, лецитин, соли кальция и железа. Назначается при неврастении, переутомлении.

Фитин. Представляет собой смесь фосфорных кислот, солей кальция, магния и фосфора. Рекомендуется при неврастениях, половых расстройствах, переломах, проявлениях рахита, анемии, гипотонии.

Натрия фосфат. Применяют при отравлениях, повышенной кислотности, иногда как легкое слабительное.

Глицерофосфат. Назначается как тонизирующее и укрепляющее средство для повышения активности организма при плохом питании, истощении нервной системы.

Липоцеребрин. Назначают при нервных истощениях, пониженном артериальном давлении и переутомлении.

Если нет дополнительных условий со стороны врача, препараты принимают по 1 таблетке или чайной ложке (в зависимости от формы) 2-3 раза в день на протяжении месяца. АТФ вводится внутримышечно первых 22 дня по 1 мл 1 раз в день, затем дважды в день, общий курс 40 инъекций.

Очень важно при дополнительном приеме препаратов фосфора тщательно следить за составом ежедневного меню и не допускать сбоев в назначенных врачом дозировках, чтобы избежать риска переизбытка фосфора в организме. Причиной передозировки на фоне приема биодобавок и препаратов с фосфором может стать высокое содержание этого вещества в магазинных продуктах и напитках. Именно фосфорные соединения препятствуют комкованию и слеживанию кофе, какао, сухих сливок и других сыпучих продуктов, повышают объем колбасных изделий, обеспечивают мягкость плавленым сырам и гомогенность сгущенке, продлевают срок хранения молока и мясных продуктов.

Причиной избыточного накопления фосфора может стать и нарушение обмена веществ, прием гормональных препаратов, хроническое отравление при постоянной работе с фосфорсодержащими веществами.

Избыток фосфора в организме проявляется мелкими кровоизлияниями на глазной сетчатке, плохой свертываемостью крови. Если не принять меры вовремя, запускается процесс образования камней в почках, развивается анемия, жировая дистрофия мелких сосудов сердца, печени и почек. Хроническое отравление красным фосфором может стать причиной повторяющихся пневмоний. Одна из форм отравления избытком фосфора – некроз челюстей, который проявляется упорными зубными болями, их расшатыванием и выпадением.

Очень опасен для человека белый фосфор. Его избыток в организме проявляется головной болью и рвотой, слабостью, желтушным цветом кожи, чувством жжения в желудке. Если отравление приняло хроническую форму, значительно повышается риск нарушения работы сердца и нервной системы, обменных процессов в костной ткани. При попадании на кожу белый фосфор оставляет тяжелые ожоги, поскольку способен тлеть. При остром отравлении этим видом фосфора первой помощью становится промывание желудка и прием слабительных, ожоги обрабатываются медным купоросом.

Подробнее про фосфор в организме человека - про его роль, пользу для здоровья, признаки дефицита, чем опасен избыток фосфора – смотрите в видео ниже.

Химический элемент азот образует только одно простое вещество. Данное вещество является газообразным и образовано двухатомными молекулами, т.е. имеет формулу N 2 . Не смотря то, что химический элемент азот имеет высокую электроотрицательность, молекулярный азот N 2 является крайне инертным веществом. Обусловлен данный факт тем, что в молекуле азота имеет место крайне прочная тройная связь (N≡N). По этой причине практически все реакции с азотом протекают только при повышенных температурах.

Взаимодействие азота с металлами

Единственное вещество, которое реагирует с азотом в обычных условиях – литий:

Интересным является тот факт, что с остальными активными металлами, т.е. щелочными и щелочноземельными, азот реагирует только при нагревании:

Взаимодействие азота с металлами средней и низкой активности (кроме Pt и Au) также возможно, однако требует несравнимо более высоких температур.

Взаимодействие азота с неметаллами

Азот реагирует с водородом при нагревании в присутствии катализаторов. Реакция является обратимой, поэтому для повышения выхода аммиака в промышленности процесс ведут при высоком давлении:

Как восстановитель азот реагирует со фтором и кислородом. Со фтором реакция идет при действии электрического разряда:

С кислородом реакция идет под действием электрического разряда или при температуре более 2000 о С и является обратимой:

Из неметаллов азот не реагирует с галогенами и серой.

Взаимодействие азота со сложными веществами

Химические свойства фосфора

Существует несколько аллотропных модификаций фосфора., в частности белый фосфор, красный фосфор и черный фосфор.

Белый фосфор образован четырехатомными молекулами P 4 , не является устойчивой модификацией фосфора. Ядовит. При комнатной температуре мягкий и подобно воску легко режется ножом. На воздухе медленно окисляется, и из-за особенностей механизма такого окисления светится в темноте (явление хемилюминесценции). Даже при слабом нагревании возможно самопроизвольное воспламенение белого фосфора.

Из всех аллотропных модификаций белый фосфор наиболее активен.

Красный фосфор состоит из длинных молекул переменного состава P n . В некоторых источниках указывается то, что он имеет атомное строение, но корректнее все-таки считать его строение молекулярным. Вследствие особенностей строения является менее активным веществом по сравнению с белым фосфором, в частности в отличие от белого фосфора на воздухе окисляется значительно медленнее и для его воспламенения требуется поджиг.

Черный фосфор состоит из непрерывных цепей P n и имеет слоистую структуру схожую со структурой графита, из-за чего и внешне похож на него. Данная аллотропная модификация имеет атомное строение. Самый устойчивый из всех аллотропных модификаций фосфора, наиболее химически пассивен. По этой причине, рассмотренные ниже химические свойства фосфора следует относить прежде всего к белому и красному фосфору.

Взаимодействие фосфора с неметаллами

Реакционная способность фосфора является более высокой, чем у азота. Так, фосфор способен гореть после поджига при обычных условиях, образуя кислотный оксид Р 2 O 5:

а при недостатке кислорода оксид фосфора (III):

Реакция с галогенами также протекает интенсивно. Так, при хлорировании и бромировании фосфора в зависимости от пропорций реагентов образуются тригалогениды или пентагалогениды фосфора:

Ввиду существенно более слабых окислительных свойства йода по сравнению с остальными галогенами, возможно окисление фосфора йодом только до степени окисления +3:

В отличие от азота фосфор с водородом не реагирует .

Взаимодействие фосфора с металлами

Фосфор реагирует при нагревании с активными металлами и металлами средней активности образуя фосфиды:

Взаимодействие фосфора со сложными веществами

Фосфор окисляется кислотами окислителями, в частности, концентрированными азотной и серной кислотами:

Следует знать, что белый фосфор реагирует с водными растворами щелочей. Однако, ввиду специфичности умение записывать уравнения таких взаимодействий на ЕГЭ по химии пока еще не требовалось.

Тем не менее, тем, кто претендует на 100 баллов, для собственного спокойствия, можно запомнить следующие особенности взаимодействия фосфора с растворами щелочей на холоду и при нагревании. На холоду взаимодействие белого фосфора с растворами щелочей протекает медленно. Реакция сопровождается образованием газа с запахом тухлой рыбы — фосфина и соединения с редкой степенью окисления фосфора +1: При взаимодействии белого фосфора с концентрированным раствором щелочи при кипячении выделяется водород и образуется фосфит:

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 P 4 . 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 o C. По внешнему виду похож на графит, жирный на ощупь. Плотность - 2,7 г/см 3 . Полупроводник.

Химическая формула фосфора

Химическая формула белого фосфора - P 4 . 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(P 4) = 2×Ar(P) = 4×31 = 124.

Красный фосфор имеет формулу Р n и 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:

15 P 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 .

Она также показывает, что фосфор относится к элементам р-семейства, а также число валентных электронов — на внешнем энергетическом уровне находится 5 электронов (3s 2 3p 3).

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 N 2 H 8 Cr 2 O 7 или (NH 4) 2 Cr 2 O 7 . Это дихромат аммония.
Ответ	(NH 4) 2 Cr 2 O 7

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 x H y O z + O z →CO 2 + H 2 O. 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(CO 2)×M(C) = /M(C); m(H) = n(H)×M(H) = 2×n(H 2 O)×M(H) = ×M(H); m(H) =. 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(CO 2) = Ar(C) + 2×Ar(O) = 12+ 2×16 = 12 + 32 = 44 г/моль; M(H 2 O) = 2×Ar(H) + Ar(O) = 2×1+ 16 = 2 + 16 = 18 г/моль. m(C) = /12 = 0,432 г; m(H) = = 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 CH 3 и молярную массу 15 г/моль . Это означает, что на кислород приходится , что невозможно. Учитывая условие задачи про два одноименных радикала 2×М(CH 3) = 2×15 = 30 г/моль, получаем, что на кислород приходится , т.е. органическое кислородсодержащее соединение имеет вид CH 3 -O-CH 3 . Это ацетон (диметилкетон).
Ответ	CH 3 -O-CH 3

• Обозначение - P (Phosphorus);
• Период - III;
• Группа - 15 (Va);
• Атомная масса - 30,973761;
• Атомный номер - 15;
• Радиус атома = 128 пм;
• Ковалентный радиус = 106 пм;
• Распределение электронов - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 ;
• t плавления = 44,14°C;
• t кипения = 280°C;
• Электроотрицательность (по Полингу/по Алпреду и Рохову) = 2,19/2,06;
• Степень окисления: +5, +3, +1, 0, -1, -3;
• Плотность (н. у.) = 1,82 г/см 3 (белый фосфор);
• Молярный объем = 17,0 см 3 /моль.

Соединения фосфора:

Фосфор (несущий свет) впервые был получен арабским алхимиком Ахад Бехилем в 12 веке. Из европейских ученых первым открыл фосфор немец Хенниг Брант в 1669 г., во время проведения опытов с человеческой мочой в попытках извлечь из нее золото (ученый полагал, что золотистый цвет мочи вызван присутствием частичек золота). Несколько позже фосфор был получен И. Кункелем и Р. Бойлем - последний описал его в своей статье «Способ приготовления фосфора из человеческой мочи» (14.10.1680; работа была опубликована в 1693 г.). Позже Лавуазье доказал, что фосфор является простым веществом.

Содержание фосфора в земной коре составляет 0,08% по массе - это один из самых распространенных химических элементов на нашей планете. По причине своей высокой активности, фосфор в свободном состоянии в природе не встречается, но входит в состав почти 200 минералов, самыми распространенными из которых являются апатит Ca 5 (PO 4) 3 (OH) и фосфорит Ca 3 (PO 4) 2 .

Фосфор играет немаловажную роль в жизни животных, растений и человека - он входит в состав такого биологического соединения, как фосфолипид, также присутствует в белковых и других таких важнейших органических соединениях, как ДНК и АТФ.

Рис. Строение атома фосфора.

Атом фосфора содержит 15 электронов, и имеет схожую с азотом электронную конфигурацию внешнего валентного уровня (3s 2 3p 3), но у фосфора по сравнению с азотом менее выражены неметаллические свойства, что объясняется наличием свободной d-орбитали, большим радиусом атома и меньшей энергией ионизации.

Вступая в реакции с другими химическими элементами, атом фосфора может проявлять степень окисления от +5 до -3 (наиболее характерна степень окисления +5, остальные встречаются достаточно редко).

• +5 - оксид фосфора P 2 O 5 (V); фосфорная кислота (H 3 PO 4); фосфаты, галогениды, сульфиды фосфора V (соли фосфорной кислоты);
• +3 - P 2 O 3 (III); фосфористая кислота (H 3 PO 3); фосфиты, галогениды, сульфиды фосфора III (соли фосфористой кислоты);
• 0 - P;
• -3 - фосфин PH 3 ; фосфиды металлов.

В основном (невозбужденном) состоянии у атома фосфора на внешнем энергетическом уровне находится два спаренных электрона на s-подуровне + 3 неспаренных электрона на p-орбиталях (d-орбиталь свободна). В возбужденном состоянии один электрон с s-подуровня переходит на d-орбиталь, что расширяет валентные возможности атома фосфора.

Рис. Переход атома фосфора в возбужденное состояние.

P 2

Два атома фосфора объединяются в молекулу P 2 при температуре порядка 1000°C.

При более низких температурах фосфор существует в четырехатомных молекулах P 4 , а также в более устойчивых полимерных молекулах P ∞ .

Аллотропные модификации фосфора:

• Белый фосфор - чрезвычайно ядовитое (летальная доза белого фосфора для взрослого человека составляет 0,05-0,15 г) воскоподобное вещество с запахом чеснока, без цвета, люминисцирующее в темноте (процесс медленного окисления в P 4 O 6); высокая реакционная способность белого фосфора объясняется некрепкими связями Р-Р (у белого фосфора молекулярная кристаллическая решетка с формулой P 4 , в узлах которой расположены атомы фосфора), которые достаточно легко разрываются, в результате чего белый фосфор при нагревании или в процессе длительного хранения переходит в более устойчивые полимерные модификации: красный и черный фосфор. По этим причинам белый фосфор хранят без доступа воздуха под слоем очищенной воды или в специальных инертных средах.
• Желтый фосфор - огнеопасное, сильно ядовитое вещество, в воде не растворяется, легко окисляется на воздухе и самовозгорается, при этом горит ярко-зеленым ослепительным пламенем с выделением густого белого дыма.
• Красный фосфор - полимерное, нерастворимое в воде вещество со сложной структурой, обладающее наименее реакционной способностью. Красный фосфор широко применяется в промышленном производстве, т. к. не так сильной ядовит. Поскольку на открытом воздухе красный фосфор, впитывая влагу, постепенно окисляется с образованием гигроскопичного оксида ("отсыревает"), образует вязкую фосфорную кислоту, поэтому, красный фосфор хранится в герметически закрытой таре. В случае отмокания красный фосфор очищают от остатков фосфорной кислоты путем промывания водой, затем высушивают и используют по назначению.
• Черный фосфор - жирное на ощупь графитоподобное вещество серо-черного цвета, обладающее полупроводниковыми свойствами - наиболее устойчивая модификация фосфора со средней реакционной способностью.
• Металлический фосфор получают из черного фосфора под высоким давлением. Металлический фосфор очень хорошо проводит электрический ток.

Химические свойства фосфора

Из всех аллотропных модификаций фосфора самой активной является белый фосфор (P 4). Зачастую в уравнении химических реакций пишут просто P, а не P 4 . Поскольку, фосфор, как и азот, имеет много вариантов степеней окисления, то в одних реакциях он является окислителем, в других - восстановителем, в зависимости от веществ, с которыми он взаимодействует.

Окислительные свойства фосфор проявляет в реакциях с металлами, которые протекают при нагревании с образованием фосфидов:
3Mg + 2P = Mg 3 P 2 .

Фосфор является восстановителем в реакциях:

• с более электроотрицательными неметаллами (кислородом, серой, галогенами):
  • соединения фосфора (III) образуются при недостатке окислителя
    4P + 3O 2 = 2P 2 O 3
  • соединения фосфора (V) - при избытке: кислорода (воздуха)
    4P + 5O 2 = 2P 2 O 5
• с галогенами и серой фосфор образует галогениды и сульфид 3-х или 5-ти валентного фосфора, в зависимости от соотношения реагентов, которые берутся в недостатке или избытке:
  • 2P+3Cl 2 (нед.) = 2PCl 3 - хлорид фосфора (III)
  • 2P+3S(нед.) = P 2 S 3 - сульфид фосфора (III)
  • 2P+5Cl2(изб.) = 2PCl 5 - хлорид фосфора (V)
  • 2P+5S(изб.) = P 2 S 5 - сульфид фосфора (V)
• с концентрированной серной кислотой :
  2P+5H 2 SO 4 = 2H 3 PO 4 +5SO 2 +2H 2 O
• с конецнтрированной азотной кислотой :
  P+5HNO 3 = H 3 PO 4 +5NO 2 +H 2 O
• с разбавленной азотной кислотой:
  3P+5HNO 3 +2H 2 O = 3H 3 PO 4 +5NO

Фосфор выступает одновременно и окислителем, и восстановителем в реакциях диспропорционирования с водными растворами щелочей при нагревании, образуя (кроме фосфина) гипофосфиты (соли фосфорноватистой кислоты), в которых проявляет нехарактерную для себя степень окисления +1:
4P 0 +3KOH+3H 2 O = P -3 H 3 +3KH 2 P +1 O 2

НАДО ЗАПОМНИТЬ: с другими кислотами, кроме указанных выше реакций, фосфор не реагирует.

Получение и применение фосфора

Промышленным способом фосфор получают путем его восстановления коксом из фосфоритов (фторапататиов), в состав которых входит фосфат кальция, прокаливая в электропечах при температуре 1600°C с добавлением кварцевого песка:
Ca 3 (PO 4) 2 + 5C + 3SiO 2 = 3CaSiO 3 + 2P + 5CO.

На первом этапе реакции под действием высокой температуры оксид кремния (IV) вытесняет оксид фосфора (V) из фосфата:
Ca 3 (PO 4) 2 + 3SiO 2 = 3CaSiO 3 + P 2 O 5 .

Затем оксид фосфора (V) восстанавливается углём до свободного фосфора:
P 2 O 5 +5C = 2P+5CO.

Применение фосфора:

• ядохимикатов;
• спичек;
• моющих средств;
• красок;
• полупроводников.