Реферат: Фосфор и его соединения
Реферат: Фосфор и его соединения
Развилковская средняя школа с углубленным изучением отдельных предметов Экзаменационный реферат по химии на тему: «Фосфор и его соединения» Выполнила Буточкина Оля ученица 9 «д» класса Приняла Гилязетдинова Майя Ивановна Москва, 2002 г. План:Введение.............................. | 3 |
История развития фосфора........................ | 3 |
Природные соединения и получение фосфора................ | 4 |
Химические свойства........................ | 4 |
Аллотропные изменения......................... | 5 |
а) белый............................... | 6 |
б) красный.............................. | 7 |
в) черный.............................. | 7 |
Оксиды фосфора.......................... | 7 |
Ортофосфорная кислота......................... | 9 |
Ортофосфаты............................ | 11 |
Фосфор в организме человека...................... | 11 |
Спички............................... | 12 |
Фосфорные удобрения......................... | 12 |
Заключение............................. | 14 |
1. Значение фосфора.......................... | 14 |
2. Применение фосфора....................... | 15 |
Список используемой литературы..................... | 17 |
История открытия фосфора
По иронии судьбы фосфор открывался несколько раз. Причем всякий раз получали его из . мочи. Есть упоминания о том, что арабский алхимик Альхильд Бехиль (XII век) открыл фосфор при перегонке мочи в смеси с глиной, известью и углем. Однако датой открытия фосфора считается 1669 год. Гамбургский алхимик- любитель Хеннинг Бранд, разорившийся купец, мечтавший с помощью алхимии поправить свои дела, подвергал обработке самые разнообразные продукты. Предполагая, что физиологические продукты могут содержать «первичную материю», считавшейся основой философского камня, Бранд заинтересовался человеческой мочей. Он собрал около тонны мочи из солдатских казарм и выпаривал ее до образования сиропообразной жидкости. Эту жидкость он вновь дистиллировал и получил тяжелое красное «уринное масло», которое перегонялось с образованием твердого остатка. Нагревая последний, без доступа воздуха, он заметил образование белого дыма, оседавшего на стенках сосуда и ярко светившего в темноте. Бранд назвал полученное им вещество фосфором, что в переводе с греческого означает «светоносец». Несколько лет «рецепт приготовления» фосфора хранился в строжайшем секрете и был известен лишь нескольким алхимикам. В третий раз фосфор открыл Р.Бойль в 1680 году. В несколько модифицированном виде старинный метод получения фосфора использовали и в XVIII столетии: нагреванию подвергали смесь мочи с оксидом свинца (PbO), поваренной солью (NaCl), поташом (K2CO3) и углем (C). Лишь 1777 году К.В.Шееле заработал способ получения фосфора из рога и костей животных.Природные соединения и получение фосфора
По распространенности в земной коре фосфор опережает азот, серу и хлор. В отличие от азота фосфор, из-за большой химической активности встречается в природе только в виде соединений. Наиболее важные минералы фосфора - апатит Са 5Х(РО4)3 (Х - фтор, реже хлор и гидрооксильная группа) и фосфорит основой которого является Са3(РО4) 2. Крупнейшее месторождение апатитов находится на Кольском полуострове, в районе Хибинских гор. Залежи фосфоритов находятся в районе гор Каратау, в Московской, Калужской, Брянской областях и в других местах. Фосфор входит в состав некоторых белковых веществ, содержащихся в генеративных органах растений, в нервных и костных тканях организмов животных и человека. Особенно богаты фосфором мозговые клетки. В наши дни фосфор производят в электрических печах, восстанавливая апатит углем в присутствии кремнезема: Ca3(PO4)2+3SiO2+5C®3CaSiO3+5CO+P2. Пары фосфора при этой температуре почти полностью состоят из молекул Р2 , которые при охлаждении конденсируются в молекулы Р4.Химические свойства
Электронная конфигурация атома фосфора 1S22S22P63S23P33d0 Наружный электронный слой содержит 5 электронов. Наличием трех неспаренных электронов на внешнем энергетическом уровне объясняет то, что в нормальном, невозбужденном состоянии валентность фосфора равна 3. Но на третьем энергетическом уровне имеются вакантные ячейки d-орбиталей, поэтому при переходе в возбужденное состояние 3S-электроны будут разъединяться, переходить на d подуровень, что приводит к образованию 5-ти неспаренных элементов. Таким образом, валентность фосфора в возбужденном состоянии равна 5. В соединениях фосфор обычно проявляет степень окисления +5, реже +3, -3. 1. Реакции с кислородом: 4P0 + 5O2 2P2+5O5 (при недостатке кислорода: 4P0 + 3O2 2P2+3O3) 2. С галогенами и серой: 2P0 + 3Cl2 ® 2P+3Cl3 P0 + 5S P2+5S5 (галогениды фосфора легко разлагаются водой, например: PCl3 + 3H2O ® H3PO3 + 3HCl PCl5 + 4H2O ® H3PO4 + 5HCl) 3. С азотной кислотой: 3P0 + 5HN+5O3 + 2H2O ® 3H3P+5O4 + 5N+2O 4. С металлами образует фосфиды, в которых фосфор проявляет степень окисления - 3: 2P0 + 3Mg ® Mg3P2-3 (фосфид магния легко разлагается водой Mg3P2 + 6H2O ® 3Mg(OH)2 + 2PH3 (фосфин)) 3Li + P ® Li3P-3 5. Со щелочью: 4P + 3NaOH + 3H2O ® PH3 + 3NaH2PO2 В реакциях (1,2,3) - фосфор выступает как восстановитель, в реакции (4) - как окислитель; реакция (5) - пример реакции диспропорционирования. Фосфор может быть как восстановителем, так и окислителем.Аллотропные изменения
В свободном состоянии фосфор образует несколько аллотропных видоизменений. Это объясняется тем, что атомы фосфора способны, взаимно соединяясь, образовывать кристаллические решетки различного типа. Таблица 1 Физические свойства фосфораАллотропная модификация | Плотность, г/см3 | tпл, 0C | Tкип, 0C | Внешний вид и характерные признаки |
Белый | 1,73 | 44,1 | 280,5 | Белый кристаллический порошок, ядовит, самовозгорается на воздухе. При 280—300°С переходит в красный |
Красный | 2,3 | 590 | Возгоняется около 400°С | Красный кристаллический или аморфный порошок, неядовит. При 220°С и 12 × 108 Па переходит в черный фосфор. Загорается на воздухе только при поджигании |
Черный | 2,7 | При нагревании переходит в красный фосфор | Графитоподобная структура. При нормальных условиях — полупроводник, под давлением проводит электрический ток как металл |
Оксид фосфора (V)
Фосфор образует несколько оксидов. Важнейшим из них является оксид фосфора (V) P4O10 (Рис.4). Часто его формулу пишут в упрощенном виде – P2O5. В структуре этого оксида сохраняется тетраэдрическое расположение атомов фосфора. |
P2+5O5 Фосфорный ангидрид (оксид фосфора (V))
Белые кристаллы, t0пл.= 5700С, t0 кип.= 6000C, r = 2,7 г/см3. Имеет несколько модификаций. В парах состоит из молекул P4H10, очень гигроскопичен (используется как осушитель газов и жидкостей).Получение
4P + 5O2 ® 2P2O5Химические свойства
Все химические свойства кислотных оксидов: реагирует с водой, основными оксидами и щелочами 1) P2O5 + H2O ®2HPO3 (метафосфорная кислота) P2O5 + 2H2O ® H4P2O7 (пирофосфорная кислота) P2O5 + 3H2O ® 2H3PO4 (ортофосфорная кислота) 2) P2O5 + 3BaO ® Ba3(PO4)2 В зависимости от избытка щелочи образует средние и кислые соли: гидрофосфат натрия дигидрофосфат натрия Благодаря исключительной гигроскопичности оксид фосфора (V) используется в лабораторной и промышленной технике в качестве осушающего и дегидратирующего средства. По своему осушающему действию он превосходит все остальные вещества. От безводной хлорной кислоты отнимает химически связанную воду с образованием ее ангидрида: Ортофосфорная кислота. Известно несколько кислот, содержащих фосфор. Важнейшая из них — ортофосфорная кислота Н3РО4 (Рис.5). Безводная ортофосфорная кислота представляет собой светлые прозрачные кристаллы, при комнатной температуре расплывающиеся на воздухе. Температура плавления 42,350С. С водой фосфорная кислота образует растворы любых концентраций. Ортофосфорной кислоте соответствует следующая структурная формула: НО ОН Р О ОН В лаборатории ортофосфорную кислоту получают окислением фосфора 30%-ной азотной кислотой: В промышленности ортофосфорную кислоту получают двумя способами: экстракционным и термическим. 1. В основе экстракционного метода лежит обработка измельченных природных фосфатов серной кислотой: Ортофосфорная кислота затем отфильтровывается и концентрируется упариванием. 2. Термический метод состоит в восстановлении природных фосфатов до свободного фосфора с последующим его сжиганием до Р4О10 и растворением последнего в воде. Производимая по данному методу ортофосфорная кислота характеризуется более высокой чистотой и повышенной концентрацией (до 80% массовых). Физические свойства. Ортофосфорная кислота — твердое, бесцветное, кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде. Химические свойства ортофосфорной кислоты представлены в табл.2: Таблица 2 Химические свойства ортофосфорной кислотыОбщие с другими кислотами | Специфические |
1. Водный раствор кислоты изменяет окраску индикаторов. Диссоциация происходит ступенчато: Легче всего идет диссоциация по первой ступени и труднее всего – по третьей 2. Реагирует с металлами, расположенными в вытеснительном ряду до водорода: 3. Реагирует с основными оксидами: 4. Реагирует с основаниями и аммиаком; если кислота взята в избытке, то образуются кислые соли: гидрофосфат натрия дигидрофосфат натрия 5. Реагирует с солями слабых кислот: | 1. При нагревании постепенно превращается в метафосфорную кислоту: двуфосфорная кислота 2. При действии раствора нитрата серебра (I) появляется желтый осадок: желтый осадок 3. Ортофосфорная кислота играет большую роль в жизнедеятельности животных и растений. Ее остатки входят в состав аденозинтрифосфорной кислоты АТФ. При разложении АТФ выделяется большое количество энергии. |
одновалентные | двухвалентные | трехвалентные |
Ме3РО4 | Ортофосфаты Ме3(РО4)2 | Ме3РО4 |
Ме2НРО4 | Гидроортофосфаты МеНРО4 | Ме2(НРО4)3 |
МеН2РО4 | Дигидроортофосфаты Ме(Н2РО4)2 | Ме(Н2РО4)3 |
Фосфор в организме человека
В теле человека массой 70 кг. Содержится около 780 г. фосфора. В виде фосфатов кальция фосфор присутствует в костях человека и животных. Входит он и в состав белков, фосфолипидов, нуклеиновых кислот; соединения фосфора участвуют в энергетическом обмене (аденизинтрифосфорная кислота, АТФ). Ежедневная потребность человеческого организма в фосфоре составляет 1,2 г. Основное его количество мы потребляем с молоком и хлебом (в 100 г. хлеба содержится примерно 200 мг. фосфора). Наиболее богаты фосфором рыба, фасоль и некоторые виды сыра. Интересно, что для правильного питания необходимо соблюдать баланс между количеством потребляемого фосфора и кальцием: оптимальное соотношение в этих элементах пищи составляет 1,5¸1. Избыток богатой фосфором пищи приводит к вымыванию кальция из костей, а при избытке кальция развивается мочекаменная болезнь.Спички
Зажигательная поверхность спичечного коробка покрыта смесью красного фосфора и порошка стекла. В состав спичечной головки входят окислители (PbO2, KСlO3, BaCrO4) и восстановители (S, Sb2S3 ). При трении от зажигательной поверхности смесь, нанесенная на спичку, воспламеняется: Первые фосфорные спички – с головкой из белого фосфора – были созданы лишь 1827 г. Такие спички загорались при трении о любую поверхность, что нередко приводило к пожарам. Кроме того, белый фосфор очень ядовит. Описаны случаи отравления фосфорными спичками как из-за неосторожного обращения, так и с целью самоубийства: для этого достаточно было съесть несколько спичечных головок. Вот почему на смену фосфорным спичкам пришли безопасные, которые верно служат нам и по сей день. Промышленное производство безопасных спичек началось в Швеции в 60-х гг. XIX века.Фосфорные удобрения
Минеральные удобрения – источник различных питательных элементов для растений и свойств почвы, в первую очередь азота, фосфора и калия, а затем кальция, магния, серы, железа. Фосфор входит в состав многих органических соединений в растениях. Фосфорное питание регулирует рост и развитие растений. Сырьем для производства фосфорных удобрений, фосфора и всех фосфорных соединений служат апатитовые и фосфоритовые руды. Состав апатитов чаще всего выражается формулой Са5(РО4)3F (фторапатит). Фосфориты отличаются от фторапатитов тем, что в них вместо ионов F- содержатся ионы ОН- или . Фосфориты обычно содержат больше примесей, чем фторапатит. В дореволюционной России были известны и разрабатывались лишь маломощные месторождения фосфоритов низкого качества. Поэтому событием огромного народнохозяйственного значения было открытие в 20-х годах месторождения апатита на Кольском полуострове в Хибинах. Здесь построена крупная обогатительная фабрика, которая разделяет добываемую горную породу на концентрат с высоким содержанием фосфора и примеси – «нефелиновые хвосты», используемые для производства алюминия, соды, поташа и цемента. Мощные месторождения фосфоритов открыты в Южном Казахстане, в горах Каратау. Самое дешевое фосфорное удобрение – это тонко измельченный фосфорит – фосфоритная мука. Фосфор содержится в ней в виде нерастворимого в воде фосфата кальция Са3(РО4)2. Поэтому фосфориты усваиваются не всеми растениями и не на всех почвах. Основную массу добываемых фосфорных руд перерабатывают химическими методами в вещества, доступные всем растениям на любой почве. Это водорастворимые фосфаты кальция: Двойной суперфосфат (цвет и внешний вид сходен с простым суперфосфатом – серый мелкозернистый порошок). Получается при действии на природный фосфат фосфорной кислоты: По сравнению с простым суперфосфатом он не содержит СаSО4 и является значительно концентрированным удобрением (содержит до 50% Р2О5 ). Преципитат – содержит 35-40% Р2О5. Получается при нейтрализации фосфорной кислоты раствором гидроксида кальция: Применяется на кислых почвах. Аммофос – сложное удобрение, содержащее азот (до 15% N) и фосфор (до 58% Р2О5) в виде NH4H2PO4 и (NH4)2HPO4. Получается при нейтрализации фосфорной кислоты аммиаком. Раньше в течение более 100 лет в качестве фосфорного удобрения широко использовали так называемый простой суперфосфат, который образуется при действии серной кислоты на природный фосфат кальция: В этом случае в реакцию с фосфатом кальция вступает относительно меньше серной кислоты, чем при получении из него фосфорной кислоты. Получается смесь дигидрофосфата кальция и сульфата кальция. Это удобрение с массовой долей Р 2О5 не выше 20%. Сейчас простой суперфосфат производится в сравнительно небольших масштабах на ранее построенных заводах. Примеры фосфорных удобрений даны в табл.4. Таблица 4 Удобрения, содержащие фосфорНазвание удобрения | Химический состав |
Простые | |
Суперфосфат двойной | |
Суперфосфат простой | |
Фосфоритная мука | |
Костяная мука | |
Преципитат | |
Шлак мартеновский печей | Сложный состав. Содержит P,Ca, Si, C, Fe и др. элементы |
Комплексные | |
Аммофос | |
Аммофоска | |
Нитроаммофос |