Дайте характеристику фосфора на основании его положения в периодической системе Д. И. Менделеева.

1. Характеристика фосфора на основе положения в периодической системе Д. И. Менделеева: * **Положение в ПСХЭ:** * Порядковый номер: 15 * Период: 3 * Группа: V * Подгруппа: главная (А) * **Строение атома:** * Заряд ядра: +15 * Число электронов: 15 * Число протонов: 15 * Число нейтронов: 16 (для наиболее распространённого изотопа $P^{31}$) * Электронная конфигурация: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^3$ * На внешнем энергетическом уровне 5 электронов (3s²3p³), что определяет его принадлежность к p-элементам. * **Валентность и степени окисления:** * В основном состоянии: III (за счёт трёх неспаренных p-электронов) * В возбуждённом состоянии (за счёт распаривания $3s^2$ электронов и перехода одного из них на свободную d-орбиталь): V * Наиболее характерные степени окисления: -3, 0, +3, +5. * **Металлические и неметаллические свойства:** * Фосфор — неметалл. Он расположен в правой верхней части периодической таблицы. * Неметаллические свойства выражены слабее, чем у азота (который стоит выше в той же группе). * Образует кислотные оксиды ($P_2O_3$, $P_2O_5$) и соответствующие им кислоты ($H_3PO_3$, $H_3PO_4$). 2. Сравнение аллотропных модификаций фосфора (белый, красный, чёрный): | Свойство | Белый фосфор | Красный фосфор | Чёрный фосфор | | :--------------- | :------------------------------- | :-------------------------------- | :------------------------------- | | Цвет | Белый или бледно-желтый | От красного до фиолетового | Черный с металлическим блеском | | Агрегатное состояние | Твёрдый | Твёрдый | Твёрдый | | Запах | Чесночный | Без запаха | Без запаха | | Плотность | $1,82 \text{ г/см}^3$ | $2,2-2,4 \text{ г/см}^3$ | $2,69 \text{ г/см}^3$ | | Растворимость в воде | Не растворим | Не растворим | Не растворим | | Растворимость в сероуглероде | Растворим | Не растворим | Не растворим | | Температура плавления | $44,1 \text{ °C}$ | $590 \text{ °C}$ (при давлении) | Выше $590 \text{ °C}$ | | Воспламенение на воздухе | Самовоспламеняется | Загорается при нагревании до $240 \text{ °C}$ | Загорается при нагревании до $400 \text{ °C}$ | | Токсичность | Очень ядовит | Малоядовит | Неядовит | | Строение | Молекулярное ($P_4$) | Полимерное, аморфное или кристаллическое | Слоистое, похожее на графит | **Черты сходства:** * Все являются аллотропными модификациями одного и того же элемента — фосфора. * При обычных условиях все являются твёрдыми веществами. * Все нерастворимы в воде. * Все горят на воздухе (хотя и при разных температурах) с образованием оксида фосфора(V) ($P_2O_5$). **Различия:** * Цвет, плотность, температура плавления, растворимость в органических растворителях. * Токсичность: белый фосфор очень ядовит, красный фосфор малотоксичен, а чёрный фосфор практически нетоксичен. * Химическая активность: белый фосфор наиболее активен, самовоспламеняется на воздухе. Красный и чёрный фосфор менее активны. * Строение кристаллической решётки (молекулярная, полимерная, слоистая). 3. Получение, свойства и применение красного фосфора: **Получение:** Красный фосфор получают путём нагревания белого фосфора без доступа воздуха до температуры $250-300 \text{ °C}$ в течение нескольких часов. Процесс полимеризации происходит по уравнению: $$n P_{белый} \xrightarrow{t^{\circ}} (P_{красный})_n$$ **Свойства:** * **Физические:** Красный фосфор — аморфное или кристаллическое вещество красного или красно-фиолетового цвета. Не имеет запаха. Нерастворим в воде и большинстве органических растворителей, включая сероуглерод. Обладает более высокой плотностью и температурой плавления по сравнению с белым фосфором. Не светится в темноте. * **Химические:** Менее реакционноспособен, чем белый фосфор. * **Горение:** Горит на воздухе при нагревании до $240-260 \text{ °C}$, образуя оксид фосфора(V): $$4P + 5O_2 \xrightarrow{t^{\circ}} 2P_2O_5$$ * **Взаимодействие с галогенами:** Реагирует с галогенами при нагревании, например с хлором: $$2P + 3Cl_2 \xrightarrow{t^{\circ}} 2PCl_3$$ $$2P + 5Cl_2 \xrightarrow{избыток \ Cl_2, t^{\circ}} 2PCl_5$$ * **Взаимодействие с металлами:** При нагревании реагирует с металлами, образуя фосфиды: $$2P + 3Mg \xrightarrow{t^{\circ}} Mg_3P_2$$ * **Взаимодействие с концентрированными кислотами-окислителями:** Реагирует при нагревании, например, с концентрированной азотной кислотой: $$P + 5HNO_3(конц) \xrightarrow{t^{\circ}} H_3PO_4 + 5NO_2 \uparrow + H_2O$$ **Применение:** * Производство спичек (входит в состав намазки спичечных коробков). * Получение фосфорной кислоты и фосфорных удобрений. * Производство некоторых сплавов (например, фосфористой меди). * В пиротехнике. * Получение различных фосфорорганических соединений. 4. Запишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения: $P \rightarrow Ca_3P_2 \rightarrow PH_3 \rightarrow P_2O_5 \rightarrow H_3PO_4 \rightarrow K_3PO_4 \rightarrow Ag_3PO_4$ 1. **$P \rightarrow Ca_3P_2$** $$2P + 3Ca \xrightarrow{t^{\circ}} Ca_3P_2$$ 2. **$Ca_3P_2 \rightarrow PH_3$** $$Ca_3P_2 + 6HCl \rightarrow 3CaCl_2 + 2PH_3 \uparrow$$ или $$Ca_3P_2 + 6H_2O \rightarrow 3Ca(OH)_2 + 2PH_3 \uparrow$$ 3. **$PH_3 \rightarrow P_2O_5$** $$2PH_3 + 4O_2 \xrightarrow{t^{\circ}} P_2O_5 + 3H_2O$$ 4. **$P_2O_5 \rightarrow H_3PO_4$** $$P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4$$ 5. **$H_3PO_4 \rightarrow K_3PO_4$** $$H_3PO_4 + 3KOH \rightarrow K_3PO_4 + 3H_2O$$ (Реакция нейтрализации: фосфорная кислота + гидроксид калия) 6. **$K_3PO_4 \rightarrow Ag_3PO_4$** $$K_3PO_4 + 3AgNO_3 \rightarrow Ag_3PO_4 \downarrow + 3KNO_3$$ (Качественная реакция на фосфат-ион, выпадает жёлтый осадок фосфата серебра) Для реакций, протекающих в растворах, запишите ионные уравнения. В уравнениях окислительно-восстановительных реакций расставьте коэффициенты методом электронного баланса, укажите окислители и восстановители. * **Реакция $PH_3 \rightarrow P_2O_5$ (окислительно-восстановительная):** $$2PH_3 + 4O_2 \xrightarrow{t^{\circ}} P_2O_5 + 3H_2O$$ Электронный баланс: $$P^{-3} - 8e^- \rightarrow P^{+5} \quad | \cdot 2 \quad (восстановитель)$$ $$O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2} \quad | \cdot 4 \quad (окислитель)$$ Коэффициенты: $PH_3$ - 2, $O_2$ - 4. Окислитель — $O_2$, восстановитель — $PH_3$. * **Реакция $H_3PO_4 + 3KOH \rightarrow K_3PO_4 + 3H_2O$ (ионное уравнение):** Полное ионное уравнение: $$H_3PO_4 + 3K^+ + 3OH^- \rightarrow 3K^+ + PO_4^{3-} + 3H_2O$$ Сокращённое ионное уравнение: $$H_3PO_4 + 3OH^- \rightarrow PO_4^{3-} + 3H_2O$$ * **Реакция $K_3PO_4 + 3AgNO_3 \rightarrow Ag_3PO_4 \downarrow + 3KNO_3$ (ионное уравнение):** Полное ионное уравнение: $$3K^+ + PO_4^{3-} + 3Ag^+ + 3NO_3^- \rightarrow Ag_3PO_4 \downarrow + 3K^+ + 3NO_3^-$$ Сокращённое ионное уравнение: $$3Ag^+ + PO_4^{3-} \rightarrow Ag_3PO_4 \downarrow$$ 5. Найдите массу 2%-ного раствора фосфорной кислоты, необходимую для нейтрализации 30 г 8%-ного раствора гидроксида натрия. Рассчитайте массу полученного фосфата. **Дано:** * $m_{р-ра NaOH} = 30 \text{ г}$ * $w_{NaOH} = 8\%$ * $w_{H_3PO_4} = 2\%$ **Найти:** * $m_{р-ра H_3PO_4}$ * $m_{Na_3PO_4}$ **Решение:** 1. Найдём массу чистого $NaOH$ в растворе: $$m_{NaOH} = m_{р-ра NaOH} \cdot w_{NaOH} = 30 \text{ г} \cdot 0,08 = 2,4 \text{ г}$$ 2. Найдём количество вещества $NaOH$: Молярная масса $NaOH$ = $23 + 16 + 1 = 40 \text{ г/моль}$ $$n_{NaOH} = \frac{m_{NaOH}}{M_{NaOH}} = \frac{2,4 \text{ г}}{40 \text{ г/моль}} = 0,06 \text{ моль}$$ 3. Запишем уравнение реакции нейтрализации фосфорной кислоты гидроксидом натрия: $$H_3PO_4 + 3NaOH \rightarrow Na_3PO_4 + 3H_2O$$ По уравнению реакции, для полной нейтрализации 3 моль $NaOH$ требуется 1 моль $H_3PO_4$. Значит, для $0,06 \text{ моль } NaOH$ потребуется: $$n_{H_3PO_4} = \frac{1}{3} n_{NaOH} = \frac{1}{3} \cdot 0,06 \text{ моль} = 0,02 \text{ моль}$$ И образуется: $$n_{Na_3PO_4} = \frac{1}{3} n_{NaOH} = \frac{1}{3} \cdot 0,06 \text{ моль} = 0,02 \text{ моль}$$ 4. Найдём массу чистого $H_3PO_4$: Молярная масса $H_3PO_4$ = $3 \cdot 1 + 31 + 4 \cdot 16 = 3 + 31 + 64 = 98 \text{ г/моль}$ $$m_{H_3PO_4} = n_{H_3PO_4} \cdot M_{H_3PO_4} = 0,02 \text{ моль} \cdot 98 \text{ г/моль} = 1,96 \text{ г}$$ 5. Найдём массу 2%-ного раствора $H_3PO_4$: $$m_{р-ра H_3PO_4} = \frac{m_{H_3PO_4}}{w_{H_3PO_4}} = \frac{1,96 \text{ г}}{0,02} = 98 \text{ г}$$ 6. Найдём массу образовавшегося $Na_3PO_4$: Молярная масса $Na_3PO_4$ = $3 \cdot 23 + 31 + 4 \cdot 16 = 69 + 31 + 64 = 164 \text{ г/моль}$ $$m_{Na_3PO_4} = n_{Na_3PO_4} \cdot M_{Na_3PO_4} = 0,02 \text{ моль} \cdot 164 \text{ г/моль} = 3,28 \text{ г}$$ **Ответ:** * Масса 2%-ного раствора фосфорной кислоты: **$98 \text{ г}$** * Масса полученного фосфата натрия: **$3,28 \text{ г}$** 6. Один из способов получения фосфорной кислоты — окисление фосфора концентрированной азотной кислотой. Используя метод электронного баланса, составьте уравнение данной реакции, протекающей по схеме: $P + HNO_3 + H_2O \rightarrow H_3PO_4 + NO\uparrow$. Какая масса фосфорной кислоты образуется при окислении 17,2 г технического красного фосфора, содержащего 10% примесей? **Составление уравнения реакции методом электронного баланса:** Схема реакции: $P + HNO_3 + H_2O \rightarrow H_3PO_4 + NO$ 1. Определяем степени окисления элементов, которые их меняют: * $P^0 \rightarrow P^{+5}$ * $N^{+5} \rightarrow N^{+2}$ 2. Составляем полуреакции окисления и восстановления: * Окисление (фосфор отдаёт электроны): $P^0 - 5e^- \rightarrow P^{+5}$ * Восстановление (азот принимает электроны): $N^{+5} + 3e^- \rightarrow N^{+2}$ 3. Находим наименьшее общее кратное для числа отданных и принятых электронов (НОК(5, 3) = 15): * $P^0 - 5e^- \rightarrow P^{+5} \quad | \cdot 3$ * $N^{+5} + 3e^- \rightarrow N^{+2} \quad | \cdot 5$ 4. Расставляем коэффициенты в уравнении реакции: $$3P + 5HNO_3 + 2H_2O \rightarrow 3H_3PO_4 + 5NO\uparrow$$ Проверяем баланс атомов водорода и кислорода. Слева: $5H + 4H = 9H$, $5N$, $15O + 2O = 17O$, $3P$. Справа: $9H$, $5N$, $12O + 5O = 17O$, $3P$. Уравнение сбалансировано. **Расчёт массы фосфорной кислоты:** **Дано:** * $m_{технич. P} = 17,2 \text{ г}$ * Примеси = $10\%$ **Найти:** * $m_{H_3PO_4}$ **Решение:** 1. Найдём массу чистого красного фосфора: Массовая доля чистого фосфора = $100\% - 10\% = 90\% = 0,9$ $$m_{чист. P} = m_{технич. P} \cdot 0,9 = 17,2 \text{ г} \cdot 0,9 = 15,48 \text{ г}$$ 2. Найдём количество вещества чистого фосфора: Молярная масса $P$ = $31 \text{ г/моль}$ $$n_P = \frac{m_{чист. P}}{M_P} = \frac{15,48 \text{ г}}{31 \text{ г/моль}} = 0,499 \text{ моль} \approx 0,5 \text{ моль}$$ 3. По уравнению реакции $3P + 5HNO_3 + 2H_2O \rightarrow 3H_3PO_4 + 5NO$, из 3 моль фосфора образуется 3 моль фосфорной кислоты. Значит, количество вещества $H_3PO_4$ будет равно количеству вещества $P$: $$n_{H_3PO_4} = n_P = 0,5 \text{ моль}$$ 4. Найдём массу образовавшейся фосфорной кислоты: Молярная масса $H_3PO_4$ = $98 \text{ г/моль}$ $$m_{H_3PO_4} = n_{H_3PO_4} \cdot M_{H_3PO_4} = 0,5 \text{ моль} \cdot 98 \text{ г/моль} = 49 \text{ г}$$ **Ответ:** Масса фосфорной кислоты: **$49 \text{ г}$**