Буринська Н.М., Депутат В.М., Сударева Г.Ф., Чайченко Н.Н. Хімія. Підручник для 10 класу загальноосвітніх навчальних закладів. Профільний рівень

Подождите немного. Документ загружается.

171

Неметалічні елементи та їх сполуки

Дослід. У ложечку для спалювання кладемо трохи (на кінчику

ножа) червоного фосфору, запалюємо на повітрі і вносимо в колбу з кис-

нем. Спостерігається яскраве горіння фосфору на повітрі та в кисні:

4Р + 5О

= 2Р

Фосфор окиснюється складними речовинами-окисниками, напри-

клад розбавленою і концентрованою нітратною кислотою, бертолето-

вою сіллю:

3Р + 5НNO

(розб.) + 2H

O = 3H

+ 5NO↑

P + 5HNO

(конц.) = HPO

+ 5NO

↑ + 2H

Хімічну реакцію взаємодії фосфору з бертолетовою сіллю КСlО

можна спостерігати, якщо потерти сірником по боковій стінці коробки:

6Р +5КСlО

= 3Р

+ 5KCl

 Доведіть відновні властивості фосфору, склавши схеми електронного

балансу.

Ця реакція відбувається при запалюванні сірника. Бертолетова сіль

у суміші з горючим компонентом (наприклад, сіркою) міститься в го-

ловці сірника, а червоний фосфор у суміші зі скляними крихтами —

на боковій стінці коробки.

Як окисник фосфор взаємодіє з активними металами, при цьо-

му він набуває ступеня окиснення –3. Продукти реакції називаються

фосфідами, загальна формула Ме

. Наприклад, утворення магній

фосфіду Мg

3Мg + 2Р = Мg

Фосфіди — це сполуки, до складу яких входять атоми металіч-

ного елемента та Фосфору зі ступенем окиснення –3.

Отже, фосфор у хімічних реакціях може бути як відновником, так і

окисником; більш характерними є відновні властивості.

Добування. У промисловості фосфор добувають при відновленні

фосфориту вуглецем у суміші з піском за температури 1500

С:

2Са

(РО

)

+10С + 6SiO

= P

+ 6CaSiO

+10CO↑

Пісок додають для того, щоб знизити температуру плавлення реак-

ційної суміші. Це, в свою чергу, дає змогу збільшити вихід продукту.

Пара білого фосфору, що утворюється, конденсується у приймачі під

водою.

Пояснимо перебіг цієї реакції. Склад Са

(РО

)

подамо у вигля-

ді оксидів 3СаО · Р

. Під час нагрівання відбувається взаємодія

основного оксиду СаО з кислотним оксидом SiO

СаО + SiO

= CaSiO

Chemistry10kl_v17j.indd 171Chemistry10kl_v17j.indd 171 06.01.2011 15:05:5306.01.2011 15:05:53

172

Розділ 2

а Р

відновлюється вуглецем:

2Р

+ 10С = P

+ 10СО

Застосування. Фосфор є найважливішим біогенним елементом і

водночас широко застосовується у промисловості як проста речови-

на, засіб боротьби зі шкідниками рослин, для виготовлення сірників

і лікарських препаратів, в органічному синтезі, добуванні фосфор(V)

оксиду.

Коротко про головне

Елемент Фосфор утворює декілька алотропних видозмін

(червоний, білий, чорний фосфор тощо). Вони мають різ-

ну будову, отже, різняться своїми фізичними і хімічними

властивостями.

Найбільш стабільний — чорний фосфор. У хімічних реакці-

ях найактивнішим є білий фосфор, виявляючи як відновні, так і

окиснювальні властивості, переважно відновні. Промислове зна-

чення має червоний фосфор.

Контрольні завдання

1. Поясніть, чому

а) Нітроген трапляється у природі у вільному стані, а Фосфор — лише в

сполуках;

б) азот — це газ, а білий і червоний фосфор — тверді речовини;

в) білий фосфор зберігають під водою, а червоний — ні.

2. Доведіть, що білий і червоний фосфор — модифікації одного й того са-

мого хімічного елемента.

3. Складіть рівняння реакцій взаємодії фосфору з хлором, сіркою, магнієм.

Визначте властивості фосфору в них.

4. Обчисліть масу фосфору, добутого з фосфориту масою 0,2 т, масова част-

ка кальцій ортофосфату в якому становить 85 %. Вихід фосфору 80 %.

5. Обчисліть масу фосфориту, необхідного для виробництва 5 т фосфору,

якщо вихід продукту становить 96 %.

. Атом елемента Е має на п’ять електронів більше, ніж йон Натрію. Ви-

значте елемент та електронну конфігурацію його атома. Обчисліть

число атомів цього елемента в організмі підлітка масою 48 кг. Масова

частка вмісту елемента Е становить 0,86.

Chemistry10kl_v17j.indd 172Chemistry10kl_v17j.indd 172 06.01.2011 15:05:5306.01.2011 15:05:53

173

Неметалічні елементи та їх сполуки

§ 41. Сполуки Фосфору

Усвідомлення змісту цього параграфа дає змогу:

6 характеризувати будову молекул, фізичні та хімічні властивості

фосфор(V) оксиду, ортофосфатної кислоти та ортофосфатів, їх засто-

сування;

6 складати рівняння реакцій у повній та скороченій йонних формах;

6 пояснювати екологічні проблеми, пов’язані з використанням орто-

фосфатів.

Фосфор утворює оксигеновмісні сполуки: фосфор(V) оксид Р

, ор-

тофосфатну кислоту Н

РО

, ортофосфати, наприклад кальцій ортофос-

фат Са

(РО

)

. Вони більш стійкі, ніж сполуки Нітрогену. В оксигено-

вмісних сполуках Фосфор виявляє ступінь окиснення +5.

Фосфор(V) оксид Р

. Ви вже знаєте, що цей оксид утворюється

у вигляді білого диму при горінні фосфору в кисні, а потім осідає на

стінках посудини як білий порошок. У паровій фазі цей оксид існує у

вигляді димера Р

молекула якого утворена чотирма тетраедрами

[PO

], кожний з яких сполучений з трьома сусідніми через атом Окси-

гену (мал. 62, а ).

Хімічні зв’язки між атомами в молекулі — ковалентні полярні,

кристалічна ґратка — молекулярна. За звичайних умов більш стійкою

є полімерна модифікація Р

із шаруватою будовою (мал. 62, б).

Як видно зі структурної формули і моделі, кожний атом Фосфору

оточують чотири атоми Оксигену.

Фізичні властивості. Фосфор(V) оксид — біла дрібнокристалічна

речовина з молекулярною кристалічною ґраткою. Сполука дуже гігро-

скопічна — енергійно поглинає воду з повітря. При цьому фосфор(V)

оксид перетворюється на аморфну масу, тому його зберігають у герме-

тично закритій посудині.

а б

Мал. 62. Молекула Р

: а— просторова структура; б —полімерна модифікація

Chemistry10kl_v17j.indd 173Chemistry10kl_v17j.indd 173 06.01.2011 15:05:5306.01.2011 15:05:53

174

Розділ 2

Хімічні властивості. Молекулярна модифікація фосфор(V) окси-

ду хімічно активна. Полімерна модифікація, навпаки, хімічно не ак-

тивна, що характерно для більшості сполук з полімерними кристаліч-

ними ґратками.

Фосфор(V) оксид — кислотний оксид з усіма характерними власти-

востями (див. § 1). Йому відповідає ортофосфатна кислота Н

РО

 Доведіть кислотні властивості фосфор(V) оксиду, склавши відповідні

рівняння реакцій у йонних формах.

Особливість фосфор(V) оксиду полягає у його взаємодії з водою. Він

здатний зв’язувати із сполук не тільки кристалізаційну, а й хімічно

зв’язану воду:

CuSO

· 5H

O + 5Р

= CuSO

+10HPO

2HNO

+ Р

= 2HPO

+ N

безводна

Залежно від температури реакція з водою відбувається по-різному:

без нагрівання утворюється метафосфатна кислота НРО

— отруйна, а

при кип’ятінні — ортофосфатна кислота Н

РО

+ Н

О = 2НРО

; Р

+ 3Н

О =

2Н

РО

Застосування. Фосфор(V) оксид широко використовують як гігро-

скопічну речовину, наприклад для осушування газів.

 Пригадайте, яку речовину за гігроскопічними властивостями нага-

дує фосфор(V) оксид.

Ортофосфатна кислота

РО

. Речовина молекуляр-

ної будови. Подібно до моле-

кули Р

у молекулі Н

РО

біля атома Фосфору розміще-

ні чотири атоми Оксигену,

атоми Гідрогену безпосеред-

ньо зв’язані з атомами Окси-

гену (мал. 63, а, б). Тому при

взаємодії ортофосфатної кис-

лоти з металами завжди виділяється водень.

Фізичні властивості. Н

РО

— безбарвна, тверда кристалічна речо-

вина; добре розчиняється у воді, не отруйна.

Хімічні властивості. Для ортофосфатної кислоти характерні як

загальні властивості кислот, так і специфічні.

Загальні властивості. Н

РО

— трьохосновна кислота, тому дисо-

ціює в три ступені. Це електроліт середньої сили:

РО



+ Н

РО

–

РО

–



+ НРО

2–

НРО

2–



+ РО

3–

Дигідро генорто-

фосфат-іон Н

РО

–

Гідрогенортофосфат-

іон НРО

2–

Ортофосфат-іон РО

3–

Мал. 63. Молекула Н

РО

: а— структурна

формула; б —модель

Chemistry10kl_v17j.indd 174Chemistry10kl_v17j.indd 174 06.01.2011 15:05:5306.01.2011 15:05:53

175

Неметалічні елементи та їх сполуки

Найлегше проходить дисоціація за першим ступенем, тому в розчи-

ні є переважно йони Н

РО

–

. Водний розчин кислоти змінює забарвлен-

ня індикаторів. Пригадайте, яких і як саме.

Зверніть увагу: якщо ортофосфатна кислота в надлишку, то утворю-

ються кислі солі відповідно до двох видів кислотних залишків — одноза-

міщених (дигідрогенортофосфати) і двозаміщених (гідрогенортофосфати):

КOH

+ H

4(надл.)

= КН

+ H

2КOH + H

4(надл.)

= К

НPO

+ 2H

а якщо кислота не в надлишку, то утворюються середні солі (ортофос-

фати):

3КOH + H

= К

+3H

 Складіть рівняння реакцій взаємодії оксидів і гідроксидів кальцію з

ортофосфатною кислотою. Виразіть рівняння у йонних формах, дай-

те назву солям, що утворилися.

Ортофосфатна кислота взаємодіє з розчином амоніаку, утворюючи

амоній дигідрогенортофосфат NН

РО

, амоній гідрогенортофосфат

(NН

)

НРО

та амоній ортофосфат (NН

)

РО

 Складіть відповідні рівняння реакцій у йонних формах.

Із солями слабких, летких і нестійких кислот ортофосфатна кислота

вступає в реакцію обміну:

2Н

РО

4(надл.)

+ 3Nа

СО

= 2Nа

РО

+ 3СО

↑ + 3Н

Для ортофосфатної кислоти характерним є те, що вона взаємодіє зі

своїми середніми солями, перетворюючи їх на дигідроген- та гідроген-

ортофосфати:

2Н

РО

+ К

= 3КН

; Н

РО

+ 2К

= 3К

НPO

Специфічні властивості. Під час нагрівання ортофосфатна кисло-

та поступово перетворюється на дифосфатну Н

та метафосфатну

НРО

кислоти:

2Н

РО

+ Н

О; Н

2НРО

+ Н

Застосування. Ортофосфатну кислоту використовують переважно

для виробництва фосфатних мінеральних добрив, кормових фосфатів,

для очищення металевих поверхонь і створення антикорозійного по-

криття. Чисту фосфатну кислоту, яку добувають із фосфор(V) оксиду,

застосовують у харчовій промисловості як добавку до безалкогольних

напоїв.

Ортофосфати — це солі ортофосфатної кислоти з йонною кристаліч-

ною ґраткою. Фосфат-іони РО

3–

сполучаються

між собою (через атом

Оксигену) й утворюють полімерні ланцюги (мал. 64), які можуть мі-

стити до 10

атомів Фосфору. Із властивостей ортофосфатної кислоти

ви дізналися, що вона утворює три види солей: дигідрогенортофосфати,

гідрогенортофосфати і ортофосфати.

Chemistry10kl_v17j.indd 175Chemistry10kl_v17j.indd 175 06.01.2011 15:05:5406.01.2011 15:05:54

176

Розділ 2

Ортофосфати майже всіх

металічних елементів у воді

нерозчинні (виняток — орто-

фосфати лужних елементів і

амонію), а дигідрогенорто-

фосфати, навпаки, усі добре

розчинні. Особливу групу

ортофосфатів становлять по-

ліфосфати (мал. 64).

Розчинні у воді ортофос-

фати виявляють загальні

властивості солей. На відмі-

ну від нітратів розчинні солі

ортофосфатної кислоти під-

лягають частковому гідролізу як солі сильних основ і кислоти серед-

ньої сили з утворенням лужного середовища:

3–

+ 2HOH



2OH

–

+ НPO

2–

ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД

ЯКІСНА РЕАКЦІЯ НА ОРТОФОСФАТ-ІОН

Налийте в пробірку 1 мл розчину натрій ортофосфату і добавляйте

краплями розчин аргентум нітрату до появи осаду жовтого кольору:

РО

3–

+ 3Аg

= Ag

↓

 Складіть рівняння реакції і виразіть його в повній йонній формі.

Отже, якісною реакцією на ортофосфат-іони РО

3–

є реакція з роз-

чином аргентум нітрату з утворенням жовтого осаду аргентум орто-

фосфату Ag

Застосування. Найважливіші галузі застосування фосфатів — ви-

робництво фосфатних добрив, синтетичних мийних засобів, харчова

промисловість.

Важливе значення мають фосфати в синтезі багатьох біологічно ак-

тивних речовин, в енергетиці усіх живих організмів.

До харчових фосфатів належать натрієві та калієві солі кислот: орто-

фосфатної, дифосфатної Н

і метафосфатної НРО

. Добавки харчо-

вих фосфатів утримують вологу, гальмують процеси окиснення, разом

з іншими добавками надають відповідного кольору м’ясопродуктам.

Поліфосфатні сполуки (натрій триполіфосфат) пом’якшують воду,

що в результаті поліпшує властивості прального порошку. Вони також

запобігають утворенню солей Кальцію та Магнію на деталях пральної

машини.

Мал. 64. Схема утворення молекули

поліфосфату

Chemistry10kl_v17j.indd 176Chemistry10kl_v17j.indd 176 06.01.2011 15:05:5406.01.2011 15:05:54

177

Неметалічні елементи та їх сполуки

Світовий потенціал фосфатів оцінюється в сотні мільярдів тонн, а

України — приблизно у 2 % від загальних запасів. Найбільші в світі

поклади апатитів зосереджені на Кольському півострові (Хібіни), фос-

форитів — у Північній Америці, Африці, Азії. В Україні фосфати є в

Рівненській, Волинській, Сумській та інших областях. Колосальні ре-

сурси фосфатів виявлено на дні Світового океану.

Коротко про головне

До оксигеновмісних сполук Фосфору належать фосфор(V)

оксид, ортофосфатна (фосфатна) кислота, ортофосфати. Молеку-

лярна (летка) модифікація фосфор(V) оксиду має склад Р

. Іс-

нує також полімерна модифікація фосфор(V) оксиду.

Фосфор(V) оксид Р

— кислотний оксид з усіма характерни-

ми для цього класу речовин властивостями.

Ортофосфатна кислота Н

РО

— це електроліт середньої

сили, дисоціює в три ступені, виявляє як загальні властивості

кислот, так і специфічні. Утворює солі ортофосфати, дигідроге-

нортофосфати, гідрогенортофосфати. Існують також поліфосфати

як солі полікислот. Вони мають біологічне і промислове значення.

Якісною реакцією на ортофосфат-іони РО

3–

є утворення жовтого

осаду аргентум фосфату Ag

у реакції фосфатної кислоти або

фосфатів з розчином аргентум нітрату.

Для допитливих. Фосфати є забруднювачами навколишнього се-

редовища. Потрапляючи у водойми, вони спричиняють бурхливий

розвиток водоростей, нестачу кисню і, як наслідок, — загибель риби

та інших тварин через задуху. Це можна пояснити нестачею соняч-

ного освітлення, гальмуванням у придонних рослин процесу фото-

синтезу, отже, й дефіцитом кисню.

Контрольні завдання

1. Поясніть, чому

а) фосфор(V) оксид використовують у лабораторії як осушувач;

б) ортофосфатна кислота утворює кислі солі.

2. Поясніть, чому при дії на розчин кальцій гідроксиду надлишком фос-

фатної кислоти спочатку утворюється осад, а потім він зникає.

. Поміркуйте, за якими реакціями можна здійснити такі перетворення:

Р → Са

→ РН

→ Р

→ Н

РО

→ Са

(РО

)

→ Са(Н

РО

)

Складіть відповідні рівняння реакцій, укажіть їх тип.

. Обчисліть масу розчину ортофосфатної кислоти з масовою часткою кис-

лоти 20 %, який необхідно взяти для нейтралізації натрій гідроксиду,

щоб одержати натрій гідрогенортофосфат масою 11,36 г і натрій орто-

фосфат масою 4,264 г.

Chemistry10kl_v17j.indd 177Chemistry10kl_v17j.indd 177 06.01.2011 15:05:5406.01.2011 15:05:54

178

Розділ 2

. У розчин ортофосфатної кислоти об’ємом 25 мл і масовою часткою кис-

лоти 10 % (густина становить 1,08 г/см

) помістили фосфор(V) оксид ма-

сою 8 г. Визначте масову частку кислоти в добутому розчині.

. Обчисліть масу розчину з масовою часткою ортофосфатної кислоти

40 %, який можна добути із мінералу фосфориту масою 100 кг і масо-

вою часткою кальцій ортофосфату 93 %.

. Обчисліть масу фосфор(V) оксиду, який утвориться при повному зго-

рянні фосфіну РН

, добутого з кальцій фосфіду масою 18,2 г.

Творче завдання. Ознайомтеся з мийними засобами, які маєте вдома.

Дослідіть їх склад на упаковці. Чи зазначені на ній фосфати? Чи можна

назвати порошок пральним, якщо у ньому відсутні фосфати? Чи є такий

досвід у світі? Обґрунтуйте власну думку.

§ 42. Колообіг Фосфору в природі

Усвідомлення змісту цього параграфа дає змогу:

6 пояснювати колообіг Фосфору в природі;

6 порівнювати природні колообіги Фосфору і Нітрогену.

 Пригадайте, як відбувається колообіг Нітрогену в природі.

Атоми Фосфору, як і всіх інших елементів, беруть участь у великому

природному колообігу речовин. Фосфор належить до досить поширених

елементів. Він входить до складу багатьох

мінералів і органічних речовин. Фосфор має

винятково важливе значення в життєдіяль-

ності рослинних і тваринних організмів.

Фосфор — біогенний елемент: він входить

до складу органічних сполук (нуклеїнових

кислот і АТФ) та неорганічних (у кістковій

тканині). Академік О. Є. Ферсман називав

фосфор елементом життя і думки.

Сполуки Фосфору, як і сполуки Нітро-

гену, постійно перетворюються, включаю-

чись у загальний колообіг речовин. Основні

процеси, що характеризують колообіг Фос-

фору в природі, охоплюють лише літосферу

та гідросферу. Загалом відбувається його

переміщення з суші в поверхневі води, а

згодом — у донні відкладення. У наземних

екосистемах Фосфор здійснює колообіг як

важлива складова цитоплазми живих ор-

ганізмів. У спрощеному вигляді колообіг

Фосфору наведено на мал. 65.

О. Є. Ферсман

(1883— 1945)

Російський геохімік і

мінералог. Відкрив родовища

апатитів, сірки, нікелю, міді.

Розробив новий спосіб

добування фосфорних добрив

з апатитів. Дійсний член, віце-

президент (1926— 1929)

Академії наук СРСР

Chemistry10kl_v17j.indd 178Chemistry10kl_v17j.indd 178 06.01.2011 15:05:5406.01.2011 15:05:54

179

Неметалічні елементи та їх сполуки

Суть колообігу Фосфору полягає в тому, що з родовищ на суші та

відкладень на мілководдях морів він надходить до живих організмів,

спочатку як живлення рослин, через них — до тварин, а потім знову

повертається в мінеральний стан. Бактерії та інші мікроорганізми в ко-

лообігу Фосфору мають не таке визначальне значення, як у Нітрогену.

Завершивши біохімічний цикл, він знову повертається в мінеральний

світ. Фосфор, точніше його солі, звільняються при тривалому руйну-

ванні та вивітрюванні руди, розчиняються (нагадаємо, що ортофосфати

погано розчиняються у воді, краще — в кислих розчинах, а гідроген-

та дигідрогенортофосфати — добре) і поглинаються корінням рослин.

Тварини і людина одержують необхідний Фосфор з їжею. Значна

частина його у вигляді екскрементів тварин, решток рослин тощо міне-

ралізується і знову повертається в ґрунт, водойми, зрештою — на дно

океану у вигляді нерозчинних ортофосфатних осадових порід. Частина

Фосфору повертається з океану на сушу за рахунок рибальства та у ви-

гляді гуано (посліду) — збагаченої Фосфором органічної маси екскре-

ментів птахів, які живляться рибою (пелікани, баклани та ін.).

Цикл колообігу Фосфору в природі не замкнений, тому людина пови-

нна постійно поповнювати його запаси в ґрунті, добавляючи ортофосфатні

добрива. Втручання людини у природний колообіг Фосфору полягає у:

• зростанні видобутку ортофосфатних руд для виробництва міне-

ральних добрив та інших продуктів;

• внесенні ортофосфатних добрив у ґрунт для вирощування сіль-

ськогосподарських рослин, що не завжди є раціональним і

контрольованим;

• порушенні правил зберігання добрив.

Мал. 65. Колообіг Фосфору в природі

Chemistry10kl_v17j.indd 179Chemistry10kl_v17j.indd 179 06.01.2011 15:05:5506.01.2011 15:05:55

180

Розділ 2

Коротко про головне

Фосфор бере участь у великому природному колообігу речо-

вин. Без Фосфору немає життя. Рослини нагромаджують Фосфор

і забезпечують ним тварин. Основні процеси, що характеризують

колообіг Фосфору в природі, порівняно з Нітрогеном охоплюють

лише літосферу і гідросферу. Суть колообігу Фосфору полягає в

тому, що з фосфатних родовищ на суші та мілководних морських

відкладень він надходить до живих організмів спочатку як жив-

лення для рослин, через них — до тварин, а далі, пройшовши біо-

хімічний цикл, повертається у мінеральний стан. Однак циклічно

колообіг Фосфору в природі не замкнений, і людина змушена по-

повнювати його запаси в ґрунті.

Контрольні завдання

1. Схарактеризуйте суть колообігу Фосфору в природі і поясніть роль лю-

дини в ньому.

2. Поміркуйте, чим різняться колообіги Фосфору і Нітрогену. Який коло-

обіг легше зруйнувати і до чого це може призвести?

3. Поясніть, як нерозчинні форми фосфатних сполук перевести в розчин-

ні. Наведіть рівняння реакцій. Яку роль ці процеси відіграють у коло-

обігу Фосфору?

4. Збагачений хібінський апатит, до складу якого входить кальцій ортофос-

фат, містить фосфор(V) оксид з масовою часткою 40 %. Обчисліть масу

ортофосфатної кислоти, яку можна добути з такого апатиту масою 1 т.

. Масова частка металічних елементів у суміші магній ортофосфату, на-

трій фосфату і цинк ортофосфату становить 45,56 %. Обчисліть масову

частку Фосфору в суміші.

. Складіть рівняння реакцій, що відповідають такій схемі перетворень:

Для реакцій у розчинах електролітів хімічні рівняння виразіть у йон-

них формах, для окисно-відновних реакцій складіть схеми електронно-

го балансу.

§ 43. Азотні та фосфорні мінеральні добрива

Усвідомлення змісту цього параграфа дає змогу:

6 характеризувати азотні та фосфорні мінеральні добрива;

6 оцінювати значення азотних і фосфорних добрив для підвищення

врожайності сільськогосподарських культур.

Під час вивчення сполук Нітрогену і Фосфору зазначалося, що деякі

нітрати, амонійні солі і фосфати використовуються як добрива.

 Пригадайте назви мінеральних добрив. З якою метою їх вносять у ґрунт?

Chemistry10kl_v17j.indd 180Chemistry10kl_v17j.indd 180 06.01.2011 15:05:5606.01.2011 15:05:56