Fosforo e suoi composti: stati di ossidazione, formule

Il fosforo e i suoi composti sono ampiamente distribuiti nella crosta e nell'acqua di mare. Come elemento chimico, appartiene al gruppo dei pnictides, il che significa che appartiene al 15 ° gruppo del Sistema Periodico. L'attività dell'elemento è molto alta, forma quasi 200 minerali naturali, è contenuta nei tessuti animali, è parte delle proteine, dei grassi, delle molecole che scambiano energia e immagazzinano le informazioni ereditarie nel corpo.

Forme allotropiche

Il fosforo (P) è un non-metallo, esiste in 11 modificazioni allotropiche, che differiscono per colore, densità, proprietà chimiche. I principali sono 4:

• bianco verdastro (giallo);
• rosso;
• nero;
• metallo.

Le forme rimanenti non sono ancora completamente comprese, ma si ritiene che siano una miscela delle quattro principali. Le principali modifiche possono anche andare l'una nell'altra, poiché sono instabili. Ad esempio, il fosforo bianco sotto l'azione della luce diventa rosso, che a sua volta diventa nero e quindi metallico. Quest'ultima forma è stabile, ma a ogni trasformazione diminuisce l'attività chimica della sostanza.

Fosforo bianco

Questa modifica allotropica è rappresentata dalle molecole di P ₄ . È metastabile, ammorbidisce a cera ambiente a temperatura ambiente, diventa fragile al freddo. La fusione e l'ebollizione avvengono senza decomposizione, l'aria ossida la sostanza e la fa brillare. Può essere distillato con vapore, il riscaldamento debole porta alla volatilizzazione e la presenza di ossigeno allo stesso tempo fornisce l'accensione anche sott'acqua.

Sciogliere la forma bianca in composti organici: disolfuro di carbonio, cloruri e bromuri di fosforo trivalente, ammoniaca, gas acido, dithiodichloride. È difficile da sciogliere in tetracloride, non è sensibile agli effetti dell'acqua, è ben conservato sotto il suo strato.

La sostanza può essere ottenuta dalla reazione di ortofosfato di calcio con coke e ossido di silicio a 1000 gradi Celsius. Un altro metodo è la decomposizione del triioduro di fosforo ad una temperatura di 100-120 gradi Celsius.

L'attività del fosforo bianco è molto elevata: ripristina i metalli preziosi dai loro sali, è ossidata da acidi, perossido di idrogeno, permanganato, alogeni e calcogeni. Restaurato da idrogeno e metalli. L'interazione con alcali porta a una reazione sproporzionata. Le sostanze a cui il fosforo bianco è inerte sono carbonio e azoto.

L'alta attività chimica rende la modifica pericolosa. Si accende spontaneamente a contatto con la pelle, provocando gravi ustioni. Inoltre, l'avvelenamento da fosforo bianco porta alla sconfitta delle ossa, fino alla loro morte, e l'accumulo nel corpo di 50-150 mg conduce alla morte.

Fosforo giallo

Il fosforo bianco non trattato è chiamato giallo. Il suo colore varia dal marrone chiaro al marrone scuro. La sostanza può essere immagazzinata e trasportata solo sotto uno strato di acqua o soluzione di cloruro di calcio, poiché è infiammabile e tossica, ossidata dall'ossigeno presente nell'aria, che provoca l'accensione, accompagnata dalla combustione di una fiamma verde brillante e il rilascio di denso fumo bianco.

Per estinguere l'incendio, è necessaria una grande quantità di acqua ghiacciata, ma è meglio usare una soluzione di solfato di rame. Per evitare la riaccensione, il focolare già spento dovrebbe essere riempito con sabbia umida.

Fosforo rosso

Tale modifica consiste di molecole polimeriche P _{n di} diverse dimensioni. È metastabile e a raggi X amorfo, sublima quando riscaldato. La sua attività chimica è debole. Come il fosforo bianco, questa forma è ossidata nell'aria, ma il processo è molto più lento e l'autoaccensione non viene osservata fino a quando la temperatura raggiunge 240 gradi, o la sostanza è soggetta ad attrito. In presenza di umidità, la forma rossa si trasforma in ossido e quindi in acido fosforico. Per questo motivo, viene conservato in un contenitore ermetico, ma se si verifica la conversione, viene lavato con acqua dai composti chimici residui del fosforo ed essiccato.

Il disolfuro di carbonio, come l'acqua, non è in grado di dissolvere la modifica rossa, ma il tribromuro di fosforo e il fuso di bismuto o piombo, da cui successivamente cristallizza la forma violetta di P ₈ , possono farlo.

Il fosforo rosso si ottiene riscaldando il bianco in un'atmosfera di monossido di carbonio a una temperatura di 500 gradi Celsius. A seconda del grado di schiacciamento, possono esserci variazioni di colore dal rosso porpora al viola scuro con una lucentezza metallica. Il processo può andare nella direzione opposta: se si traduce la modifica rossa in vapore, quindi si raffredda, diventerà bianco.

L'uso del fosforo rosso e dei suoi composti è ampio. Prima di tutto, questo è dovuto al fatto che sono sostanzialmente meno tossici di quelli della forma bianca. Sono utilizzati nella produzione di fiammiferi, poiché si accendono dall'attrito.

Fosforo nero e metallico

Questa modifica può essere confusa con la grafite, in quanto ha l'aspetto di cristalli neri lucidi con lucentezza metallica e una struttura a strati. Al tatto sono grassi. Il fosforo nero è costituito da catene continue P _n . È chimicamente passivo, stabile all'aria e non si dissolve in acqua o in composti organici. Bruciala può essere riscaldata solo in un'atmosfera di puro ossigeno. In questo caso, conduce una corrente elettrica. Si scopre il fosforo nero da bianco quando riscaldato sopra 200 gradi e sotto una pressione di 13-20 mila atmosfere. Nel metallo gira a 820 mila atmosfere.

apatite

Il fosforo e i suoi composti formano quasi duecento minerali. Il più famoso di loro è apatite. In natura, può sembrare diverso. Spesso è simile a berillo, diopside o tormalina. Per questo, gli hanno dato il nome, che è tradotto dal greco come "inganno". È possibile distinguere l'apatite con una durezza inferiore rispetto ad altri minerali e l'aspetto prismatico dei cristalli.

Ci sono pochi giacimenti di questa risorsa, la più grande è in Russia, il resto è disperso in Brasile, Messico, America, Cile e altri paesi. Applicazione è nell'industria e nell'agricoltura. Funziona come un componente di fertilizzante, ceramica, vetro.

A causa della fragilità dei gioiellieri, questa pietra viene usata raramente e di solito interessa solo i collezionisti. Il più grande apatite di buona qualità aveva una massa di 147 carati, ma di solito questi minerali non vanno oltre i 5-20 carati.

L'apatite si trova anche negli organismi viventi, dove forma parte delle ossa e dei denti e può essere depositata nei calcoli renali.

Il grado di ossidazione del fosforo

Nei composti, l'elemento si presenta positivo o negativo stato di ossidazione e per una sostanza semplice P _4, è zero.

Il numero negativo ossidativo -3 si manifesta in fosfina e fosfuri. Il fosforo presenta uno stato di ossidazione positivo nei composti:

• acido ipofosforoso e suoi sali fosfinati (+1);
• acido fosforoso e fosfiti (+3);
• anidride fosforica, un numero di alogenuri, acido ortofosforico (+5).

Questi sono solo esempi di sostanze che contengono fosforo. Infatti, le formule dei composti del fosforo sono molto più grandi, e un elemento può mostrare diversi numeri di ossidazione in esse, per esempio, ci sono alogenuri in cui il suo stato di ossidazione è 3. Ognuna di queste sostanze ha le sue proprietà uniche, che determinano il loro uso da parte dell'uomo.

fosfina

Il PH ₃ è un composto idrogeno gassoso di fosforo, chiamato fosfina o monofosfano. È scarsamente solubile in acqua, non reagisce con alcali e ammoniaca idrato. È un forte agente riducente, interagisce con acidi concentrati, iodio, ossigeno, perossido di idrogeno, ipoclorito di sodio. È in questo composto che il grado di ossidazione del fosforo è -3.

Nella sua forma pura, la sostanza è velenosa, inibisce il sistema nervoso e sconvolge il metabolismo. Allo stesso tempo è incolore e inodore. I campioni tecnici emanano odore di pesce marcio. Puoi ottenerli da vari composti, ad esempio:

• da difosfuro tricalcico quando reagisce con l'acqua (sono necessari catalizzatori sotto forma di idrogeno e difosfina), diluiti con acidi cloroflorici o non concentrati ortofosforici;
• da fosforo bianco nella sua reazione con alcali e acqua concentrati (la reazione procede più velocemente quando bolle), o con idrogeno sotto pressione e ad una temperatura di 300 - 360 gradi Celsius, o con acido cloridrico a 300 gradi;
• da ioduro di fosfonio quando si decompone sotto l'influenza di una temperatura di 80 gradi (la reazione inversa si verifica quando si raffredda a meno 20 gradi) o quando interagisce con acqua o alcali diluiti;
• da acido fosfonico quando viene decomposto nel vuoto ad una temperatura di 100 gradi e poi riscaldato a 200 gradi in presenza di difosfina, o dalla sua reazione con idrogeno atomico ottenuto dall'interazione di zinco con acido solforico diluito.

La fosfina naturale si accende spontaneamente nell'aria, che dà l'effetto di "luci vaganti" sotto forma di una palla o di una fiamma di una candela. Questo raro fenomeno può a volte essere visto in paludi, campi o cimiteri.

Acido ipocloroso

Il composto di fosforo della formula H (PH ₂ O ₂ ) è anche chiamato acido fosfinico o ipofosforoso. In precedenza, era designato come H ₃ PO ₂ , ma si è scoperto che tale ortografia non è corretta, poiché l'acido è monobasico. Questo è il composto in cui il grado di ossidazione del fosforo è 1.

La sostanza ha un colore bianco, è a basso punto di fusione e si decompone anche a basso riscaldamento. Le sue altre proprietà sono la buona solubilità in acqua, la neutralizzazione con alcali e ammoniaca idrato e la capacità di agire come un forte agente riducente quando riscaldato in una soluzione concentrata o in un agente ossidante debole.

Puoi ottenerlo nei seguenti modi:

• dalla reazione del fosforo bianco con idrossido di bario concentrato e acqua quando riscaldata a 70 gradi Celsius, seguita dall'aggiunta di acido solforico freddo diluito al sale ottenuto;
• l'interazione di fosfina con acqua e iodio;
• aggiungendo acqua cationica a fosfato di sodio.

La sostanza risultante consente di creare rivestimenti durevoli in metallo per vetro, ceramica o plastica e i suoi sali sono utilizzati nell'industria farmaceutica.

Acido fosforoso

Un altro nome per il composto di fosforo della composizione H ₂ (PHO ₃ ) è l'acido fosfonico. Come nel caso precedente, veniva praticata l'ortografia errata di H ₃ PO ₃ , ma fu abbandonata, perché nelle soluzioni acquose l'acido è dibasico.

Il grado di ossidazione del fosforo nel composto è 3. La sostanza ha un colore bianco, si decompone quando riscaldata, si ossida lentamente nell'aria, si dissolve in acqua. L'acido è debole e facilmente neutralizzabile da alcali, può agire come un agente ossidante debole o un agente riducente non molto forte. La maggior parte delle reazioni richiede riscaldamento.

Esistono molti modi per produrre acido, ad esempio:

• la reazione del fosforo con acido solforico concentrato o acido selenio (in quest'ultimo caso è necessaria acqua);
• ossidazione del fosforo umido con ossigeno (per accelerare la reazione è necessario riscaldare a 30-40 gradi);
• interazione di fosfina con concentrato acido solforico ;
• aggiungere acqua o acido cloridrico gassoso a esaossido di tetrafosforo (la reazione andrà più veloce se l'acqua è calda);
• l'interazione del tricloruro di fosforo con acqua a temperatura ambiente (la reazione può essere condotta a 0 gradi, ma in questo caso è necessario il tetracloruro di carbonio liquido);
• la reazione del triioduro di fosforo con acqua in atmosfera di azoto.

Nel seguito, vengono utilizzate le proprietà riducenti del composto.

Tetraphosphorus decaoxide

P ₄ O ₁₀ è chiamato anidride fosforica. Può essere in uno stato amorfo, vitreo o cristallino, e il suo colore è sempre bianco. La sostanza cristallina viene sublimata quando viene riscaldata, in modo che inizi a sciogliersi, è necessario creare una sovrapressione e quindi l'anidride si trasformerà in un liquido altamente mobile.

Se il trattamento della temperatura continua, si verificherà un processo di polimerizzazione, il cui risultato è che il decaossido cristallino si trasformerà in un prodotto vetroso (P ₂ O ₅ ) _n dopo raffreddamento. Il grado di ossidazione del fosforo nel composto p2o5, come in P ₄ O _10, è pari a 5.

Altre possibili reazioni chimiche di questo composto:

• interazione con acqua e alcali, che caratterizza le sue proprietà acide;
• alogenizzazione, ovvero la sostituzione di atomi di ossigeno con fluoro, cloro, bromo o iodio;
• recupero di fosforo;
• la formazione di perossidocomposti.

Tuttavia, la proprietà più importante di una sostanza è la sua capacità di dividere l'acqua da molecole di composti organici (disidratazione). A causa di ciò, l'anidride fosforica è stata ampiamente utilizzata come essiccante per gas e liquidi. Inoltre, è utilizzato nella sintesi organica ed è un intermedio nella produzione termica di acido fosforico.

La sostanza può essere ottenuta nei seguenti modi:

• bruciando fosforo bianco in aria ad una temperatura di 34-60 gradi Celsius (si può prendere la versione rossa, ma in questo caso richiede 240-400 gradi);
• l'interazione del fosforo bianco con clorite e idrossido di sodio diluito a una temperatura di 10-15 gradi;
• dalla reazione del fosforo rosso con clorato di potassio a una temperatura di 50 gradi;
• per ossidazione di esanoossido di tetrafosforo con ossigeno a una temperatura da 50 a 120 gradi.

Per la produzione industriale il più delle volte si usa il primo metodo. Il processo tecnologico avviene in una camera speciale con aria secca. Il decaossido ottenuto viene purificato per sublimazione.

Pentafluoruro di fosforo

PF ₅ è un gas incolore. Nel composto, il fosforo presenta uno stato di ossidazione di 5, che è il più caratteristico dell'elemento. La sostanza bolle senza decomposizione, ma il processo può iniziare con un ulteriore riscaldamento. Si idrolizza con acqua, reagisce con alcali, acido fluoridrico e biossido di silicio. Forme fluorocomplessi.

I metodi per la sua preparazione sono i seguenti:

• la rapida decomposizione del fosforo rosso ad una temperatura di meno 60 gradi con il fluoro in eccesso di argon come catalizzatore;
• l'interazione di pentacloruro di fosforo con fluoruro di calcio a 300-400 gradi o con fluoruro di arsenico liquido a temperatura ambiente.

Il composto risultante è utilizzato nella produzione di fluorofosfati, nonché un inibitore di corrosione del metallo.

Pertanto, il fosforo e i suoi composti sono di grande importanza nell'industria e vengono utilizzati in vari settori.