1) Фосфорная кислота (уравнение). 2) Соли фосфорной кислоты: средние и кислые. 3) Получение и применение фосфора и его соединений.

1) Фосфорная кислота

Фосфорная кислота — это неорганическая кислота с формулой H₃PO₄. Ее полное название — ортофосфорная кислота.

Структурная формула фосфорной кислоты:

H₃PO₄

Можно записать так:

O=P(OH)₃

То есть атом фосфора соединен с одним атомом кислорода двойной связью и с тремя гидроксильными группами –OH.

Фосфорная кислота является трехосновной кислотой, потому что в ее молекуле есть три атома водорода, которые могут замещаться металлами с образованием солей.

Диссоциация фосфорной кислоты проходит ступенчато:

H₃PO₄ ⇄ H⁺ + H₂PO₄⁻

H₂PO₄⁻ ⇄ H⁺ + HPO₄²⁻

HPO₄²⁻ ⇄ H⁺ + PO₄³⁻

Общее уравнение диссоциации можно условно записать так:

H₃PO₄ ⇄ 3H⁺ + PO₄³⁻

Но в растворе она диссоциирует не полностью, потому что относится к кислотам средней силы.

Фосфорную кислоту можно получить при взаимодействии оксида фосфора(V) с водой:

P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄

Также фосфорная кислота реагирует с основаниями, образуя соли и воду. Например:

H₃PO₄ + 3NaOH → Na₃PO₄ + 3H₂O

Это реакция полной нейтрализации.

Если щелочи меньше, образуются кислые соли:

H₃PO₄ + NaOH → NaH₂PO₄ + H₂O

H₃PO₄ + 2NaOH → Na₂HPO₄ + 2H₂O

2) Соли фосфорной кислоты: средние и кислые

Так как фосфорная кислота трехосновная, она образует несколько типов солей.

Соли фосфорной кислоты называются фосфатами.

Они бывают:

а) Средние соли

Средние соли образуются тогда, когда все три атома водорода в молекуле кислоты замещаются атомами металла.

Общая формула таких солей:

M₃PO₄

Примеры средних солей:

Na₃PO₄ — фосфат натрия
K₃PO₄ — фосфат калия
Ca₃(PO₄)₂ — фосфат кальция
AlPO₄ — фосфат алюминия

Пример образования средней соли:

H₃PO₄ + 3NaOH → Na₃PO₄ + 3H₂O

Или при реакции кислоты с основным оксидом:

2H₃PO₄ + 3CaO → Ca₃(PO₄)₂ + 3H₂O

Средние фосфаты многих металлов плохо растворимы в воде. Например, Ca₃(PO₄)₂ почти не растворяется.

б) Кислые соли

Кислые соли образуются тогда, когда не все атомы водорода в кислоте замещены металлом. В составе таких солей остаются атомы водорода.

Фосфорная кислота может образовывать два типа кислых солей:

1. Дигидрофосфаты

В них замещен только один атом водорода, а два атома водорода остаются.

Общая формула:

MH₂PO₄

Примеры:

NaH₂PO₄ — дигидрофосфат натрия
KH₂PO₄ — дигидрофосфат калия
Ca(H₂PO₄)₂ — дигидрофосфат кальция

Пример реакции:

H₃PO₄ + NaOH → NaH₂PO₄ + H₂O

2. Гидрофосфаты

В них замещены два атома водорода, а один атом водорода остается.

Общая формула:

M₂HPO₄

Примеры:

Na₂HPO₄ — гидрофосфат натрия
K₂HPO₄ — гидрофосфат калия
CaHPO₄ — гидрофосфат кальция

Пример реакции:

H₃PO₄ + 2NaOH → Na₂HPO₄ + 2H₂O

Таким образом, для натрия возможны три соли фосфорной кислоты:

NaH₂PO₄ — кислая соль, дигидрофосфат натрия
Na₂HPO₄ — кислая соль, гидрофосфат натрия
Na₃PO₄ — средняя соль, фосфат натрия

3) Получение и применение фосфора и его соединений

Получение фосфора

В природе свободный фосфор почти не встречается, потому что он химически активен. Основные природные соединения фосфора — это фосфаты, например:

Ca₃(PO₄)₂ — фосфат кальция.

Фосфор получают из природных фосфатов при нагревании с углем и песком в электрических печах.

Уравнение процесса можно записать так:

Ca₃(PO₄)₂ + 3SiO₂ + 5C → 3CaSiO₃ + 2P + 5CO

На практике часто записывают уравнение с образованием молекулы белого фосфора P₄:

2Ca₃(PO₄)₂ + 6SiO₂ + 10C → 6CaSiO₃ + P₄ + 10CO

В этой реакции углерод восстанавливает фосфор из соединения до простого вещества.

Фосфор существует в нескольких аллотропных формах:

Белый фосфор — очень ядовитый, мягкий, легко воспламеняется, светится в темноте. Его хранят под водой.

Красный фосфор — менее активный и менее опасный, чем белый. Используется, например, в производстве спичек.

Черный фосфор — наиболее устойчивая форма, по свойствам напоминает графит.

Применение фосфора

Фосфор применяют:

в производстве спичек;

в производстве фосфорной кислоты;

для получения фосфорных удобрений;

в металлургии;

в химической промышленности;

для получения различных соединений фосфора.

Красный фосфор используют в спичечной промышленности. Он входит в состав намазки на боковой поверхности спичечного коробка.

Белый фосфор из-за своей ядовитости и высокой активности применяется ограниченно.

Получение и применение фосфорной кислоты

Фосфорную кислоту получают несколькими способами.

Первый способ — взаимодействие оксида фосфора(V) с водой:

P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄

Второй способ — взаимодействие природных фосфатов с серной кислотой:

Ca₃(PO₄)₂ + 3H₂SO₄ → 2H₃PO₄ + 3CaSO₄

Фосфорная кислота применяется:

для производства минеральных удобрений;

в пищевой промышленности как добавка E338;

для получения фосфатов;

для очистки металлов от ржавчины;

в производстве моющих средств;

в химической промышленности.

Фосфорные удобрения

Одно из главных применений соединений фосфора — производство удобрений. Фосфор необходим растениям для роста корней, цветения и образования плодов.

Основные фосфорные удобрения:

Простой суперфосфат

Получают действием серной кислоты на фосфат кальция:

Ca₃(PO₄)₂ + 2H₂SO₄ → Ca(H₂PO₄)₂ + 2CaSO₄

В составе простого суперфосфата есть растворимый дигидрофосфат кальция и гипс.

Двойной суперфосфат

Получают действием фосфорной кислоты на фосфат кальция:

Ca₃(PO₄)₂ + 4H₃PO₄ → 3Ca(H₂PO₄)₂

Двойной суперфосфат содержит больше питательного вещества, потому что в нем нет большого количества гипса.

Преципитат

Это гидрофосфат кальция:

CaHPO₄

Его получают при нейтрализации фосфорной кислоты соединениями кальция.

Фосфоритная мука

Это измельченные природные фосфориты. Она содержит главным образом Ca₃(PO₄)₂ и применяется как удобрение на кислых почвах.

Оксиды фосфора

Фосфор образует оксиды, важнейший из которых — оксид фосфора(V):

P₂O₅

Более точная молекулярная формула часто записывается как:

P₄O₁₀

Получение:

4P + 5O₂ → 2P₂O₅

Или:

P₄ + 5O₂ → P₄O₁₀

Оксид фосфора(V) является кислотным оксидом. При взаимодействии с водой образует фосфорную кислоту:

P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄

Его применяют как водоотнимающее средство и для получения фосфорной кислоты.

Хлориды фосфора

Фосфор образует соединения с хлором, например:

PCl₃ — хлорид фосфора(III)
PCl₅ — хлорид фосфора(V)

Получение:

2P + 3Cl₂ → 2PCl₃

2P + 5Cl₂ → 2PCl₅

Эти вещества применяются в органическом синтезе и для получения других соединений фосфора.

Итог

Фосфорная кислота H₃PO₄ — трехосновная кислота, поэтому она образует средние и кислые соли. Средние соли называются фосфатами, например Na₃PO₄ и Ca₃(PO₄)₂. Кислые соли бывают двух типов: дигидрофосфаты, например NaH₂PO₄, и гидрофосфаты, например Na₂HPO₄.

Фосфор получают из природных фосфатов восстановлением углем в присутствии песка. Сам фосфор и его соединения применяются главным образом для производства фосфорной кислоты, удобрений, спичек, фосфатов, моющих средств и различных химических продуктов.