Номер 259, страница 219 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

7.259. Полученный из раствора осадок среднего фосфата кальция в течение нескольких часов превращается в гидроксиапатит. Запишите уравнение реакции.

Решение

Процесс превращения осадка среднего фосфата кальция (ортофосфата кальция) в гидроксиапатит, происходящий в водном растворе, является реакцией гидролиза. Средний фосфат кальция, имеющий химическую формулу $Ca_3(PO_4)_2$, менее стабилен, чем гидроксиапатит, и со временем самопроизвольно переходит в более устойчивую форму, которой является гидроксиапатит с формулой $Ca_{10}(PO_4)_6(OH)_2$.

Для составления уравнения реакции необходимо учесть, что в ходе этого превращения изменяется соотношение атомов кальция к атомам фосфора (Ca/P). В исходном фосфате кальция это соотношение составляет $3/2 = 1.5$. В конечном продукте, гидроксиапатите, соотношение $Ca/P$ равно $10/6 \approx 1.67$. Увеличение этого соотношения в твердой фазе означает, что часть фосфат-ионов переходит в раствор, образуя ортофосфорную кислоту ($H_3PO_4$).

Запишем схему реакции и уравняем её, подобрав стехиометрические коэффициенты:

$a \cdot Ca_3(PO_4)_2 + b \cdot H_2O \rightarrow c \cdot Ca_{10}(PO_4)_6(OH)_2 + d \cdot H_3PO_4$

Чтобы найти коэффициенты, будем действовать пошагово:

1. Сбалансируем фосфор ($P$) и кальций ($Ca$). Возьмем 10 молекул $Ca_3(PO_4)_2$ и 3 молекулы $Ca_{10}(PO_4)_6(OH)_2$.
Слева: $10 \cdot 3 = 30$ атомов $Ca$ и $10 \cdot 2 = 20$ фосфатных групп ($PO_4$).
Справа: $3 \cdot 10 = 30$ атомов $Ca$ и $3 \cdot 6 = 18$ фосфатных групп ($PO_4$) в составе гидроксиапатита.

$10 Ca_3(PO_4)_2 + b \cdot H_2O \rightarrow 3 Ca_{10}(PO_4)_6(OH)_2 + d \cdot H_3PO_4$

2. Разница в количестве фосфатных групп ($20 - 18 = 2$) должна быть скомпенсирована образованием ортофосфорной кислоты. Следовательно, коэффициент $d$ перед $H_3PO_4$ равен 2.

$10 Ca_3(PO_4)_2 + b \cdot H_2O \rightarrow 3 Ca_{10}(PO_4)_6(OH)_2 + 2 H_3PO_4$

3. Теперь сбалансируем атомы водорода ($H$) и кислорода ($O$), которые входят в состав воды и гидроксильных групп.
Справа в продуктах: $3 \cdot 2 = 6$ атомов $H$ в гидроксильных группах и $2 \cdot 3 = 6$ атомов $H$ в фосфорной кислоте. Всего $6 + 6 = 12$ атомов $H$.
Следовательно, слева должно быть также 12 атомов $H$, что соответствует 6 молекулам воды ($b = 6$).

$10 Ca_3(PO_4)_2 + 6 H_2O \rightarrow 3 Ca_{10}(PO_4)_6(OH)_2 + 2 H_3PO_4$

4. Проведем проверку по атомам кислорода ($O$).
Слева: $10 \cdot (4 \cdot 2) + 6 \cdot 1 = 80 + 6 = 86$ атомов $O$.
Справа: в гидроксиапатите $3 \cdot (6 \cdot 4 + 2) = 3 \cdot 26 = 78$ атомов $O$; в фосфорной кислоте $2 \cdot 4 = 8$ атомов $O$. Всего $78 + 8 = 86$ атомов $O$.
Баланс по кислороду соблюдается.

Итоговое уравнение реакции превращения фосфата кальция в гидроксиапатит:

Ответ: $10 Ca_3(PO_4)_2 + 6 H_2O \rightarrow 3 Ca_{10}(PO_4)_6(OH)_2 + 2 H_3PO_4$