Номер 262, страница 219 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

7.262. Для получения фосфора в промышленности можно использовать реакцию взаимодействия гидроксиапатита с кварцевым песком и углём или реакцию фосфорной кислоты с углём. Запишите уравнения реакций. Какую роль играют уголь и кварцевый песок в этих реакциях?

Решение

В задаче описаны два промышленных способа получения белого фосфора. Рассмотрим каждый из них.

Реакция взаимодействия гидроксоапатита с кварцевым песком и углём

Это основной промышленный (электротермический) способ получения фосфора. В качестве сырья используют природные фосфаты, такие как фосфориты и апатиты. Основным компонентом этих минералов является гидроксоапатит, химический состав которого можно упрощенно представить формулой фосфата кальция $Ca_3(PO_4)_2$. Процесс ведут в электрических печах при температуре около $1500^{\circ}C$ путем прокаливания шихты, состоящей из фосфатного сырья, кокса (угля) и кварцевого песка.

Уравнение реакции:

$2Ca_3(PO_4)_2 + 6SiO_2 + 10C \xrightarrow{1500^{\circ}C} 6CaSiO_3 + P_4\uparrow + 10CO\uparrow$

Пары фосфора, образующиеся в реакции, отводятся и конденсируются под водой.

Реакция фосфорной кислоты с углём

Фосфор также можно получить восстановлением фосфорной кислоты углём при сильном нагревании. Этот метод менее распространен в промышленности по сравнению с первым. При высокой температуре фосфорная кислота ($H_3PO_4$) вначале дегидратируется с образованием оксида фосфора(V) ($P_4O_{10}$), который затем восстанавливается избытком углерода до элементарного фосфора.

Суммарное уравнение реакции:

$4H_3PO_4 + 10C \xrightarrow{t} P_4\uparrow + 10CO\uparrow + 6H_2O$

Роль угля и кварцевого песка в этих реакциях

Уголь (углерод, $C$) в обоих процессах играет роль восстановителя. Он отдает электроны, восстанавливая фосфор из его высшей степени окисления +5 (в составе фосфат-иона $PO_4^{3-}$ или фосфорной кислоты $H_3PO_4$) до степени окисления 0 в простом веществе (молекулярный фосфор $P_4$). Сам углерод при этом окисляется, образуя угарный газ ($CO$).

Кварцевый песок (диоксид кремния, $SiO_2$) используется только в первом процессе (электротермическом). Он выполняет функцию кислотного флюса. Его роль заключается в связывании оксида кальция ($CaO$), который является побочным продуктом реакции и имеет высокую температуру плавления. Диоксид кремния, будучи кислотным оксидом, реагирует с основным оксидом кальция, образуя силикат кальция ($CaSiO_3$). Это вещество при температуре процесса находится в жидком состоянии (шлак), что позволяет легко отделить его от фосфора. Таким образом, $SiO_2$ не только облегчает разделение продуктов, но и смещает равновесие реакции вправо, способствуя более полному восстановлению фосфора при более низкой температуре.

Ответ:

Уравнение реакции взаимодействия гидроксоапатита (в виде $Ca_3(PO_4)_2$) с кварцевым песком и углём: $2Ca_3(PO_4)_2 + 6SiO_2 + 10C \xrightarrow{t} 6CaSiO_3 + P_4 + 10CO$.

Уравнение реакции фосфорной кислоты с углём: $4H_3PO_4 + 10C \xrightarrow{t} P_4 + 10CO + 6H_2O$.

Роль реагентов: уголь в обеих реакциях является восстановителем фосфора из степени окисления +5 до 0; кварцевый песок в первой реакции является кислотным флюсом, который связывает оксид кальция в легкоплавкий силикатный шлак.