Страница 220 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

7.268. Объясните, почему фосфористая кислота является двухосновной. Приведите формулы кислых и средних солей этой кислоты. Назовите их.

Объяснение двухосновности фосфористой кислоты

Основность кислоты определяется количеством атомов водорода, способных замещаться на атомы металла с образованием соли. В молекуле фосфористой кислоты ($H_3PO_3$) содержится три атома водорода, однако не все они обладают кислотными свойствами.

Это связано со строением молекулы фосфористой кислоты. В ее структуре центральный атом фосфора связан с двумя гидроксильными группами ($-OH$), одним атомом кислорода через двойную связь ($P=O$) и одним атомом водорода напрямую ($P-H$).

Кислотные свойства проявляют только те атомы водорода, которые входят в состав гидроксильных групп ($-OH$), так как связь $O-H$ сильно поляризована из-за большой разницы в электроотрицательности кислорода и водорода. Атом водорода, связанный непосредственно с атомом фосфора, не является кислотным, поскольку связь $P-H$ практически неполярна (электроотрицательности фосфора и водорода почти одинаковы).

Таким образом, в реакциях с основаниями могут участвовать только два атома водорода из двух групп $-OH$. Именно поэтому фосфористая кислота является двухосновной. Ее диссоциация в водных растворах протекает ступенчато:

I ступень: $H_3PO_3 \rightleftharpoons H^+ + H_2PO_3^-$ (анион — гидрофосфит-ион)

II ступень: $H_2PO_3^- \rightleftharpoons H^+ + HPO_3^{2-}$ (анион — фосфит-ион)

Ответ: Фосфористая кислота является двухосновной, так как в ее молекуле только два из трех атомов водорода связаны с кислородом (входят в группы $-OH$) и способны к диссоциации, проявляя кислотные свойства. Третий атом водорода связан напрямую с фосфором и не является кислотным.

Формулы и названия кислых и средних солей

Поскольку фосфористая кислота является двухосновной, она образует два ряда солей: кислые (продукты неполного замещения атомов водорода) и средние (продукты полного замещения).

Кислые соли (гидрофосфиты)

Образуются при замещении одного кислотного атома водорода. Содержат анион $H_2PO_3^-$.
Примеры:
$NaH_2PO_3$ — гидрофосфит натрия
$KH_2PO_3$ — гидрофосфит калия
$Ca(H_2PO_3)_2$ — гидрофосфит кальция

Средние соли (фосфиты)

Образуются при замещении двух кислотных атомов водорода. Содержат анион $HPO_3^{2-}$.
Примеры:
$Na_2HPO_3$ — фосфит натрия
$K_2HPO_3$ — фосфит калия
$CaHPO_3$ — фосфит кальция

Ответ: Кислые соли фосфористой кислоты называются гидрофосфитами (например, гидрофосфит натрия $NaH_2PO_3$). Средние соли называются фосфитами (например, фосфит натрия $Na_2HPO_3$).

7.269. При дегидратации ортофосфорной кислоты образуется метафосфорная кислота. Запишите уравнение реакции. Координационное число фосфора в метафосфорной кислоте равно 4. Представьте формулу метафосфорной кислоты в виде полимера.

Уравнение реакции дегидратации ортофосфорной кислоты

Дегидратация (отщепление воды) ортофосфорной кислоты ($H_3PO_4$) при нагревании приводит к образованию полимерной метафосфорной кислоты ($(HPO_3)_n$) и воды ($H_2O$). Этот процесс является поликонденсацией, в ходе которой молекулы ортофосфорной кислоты соединяются друг с другом, образуя полимерную цепь.

Уравнение реакции в общем виде, где $n$ – степень полимеризации:

$n H_3PO_4 \xrightarrow{t°} (HPO_3)_n + n H_2O$

Ответ: $n H_3PO_4 \xrightarrow{t°} (HPO_3)_n + n H_2O$.

Формула метафосфорной кислоты в виде полимера

Метафосфорная кислота является полимером, эмпирическая формула которого $HPO_3$, а общая формула записывается как $(HPO_3)_n$.

Условие, что координационное число фосфора равно 4, означает, что каждый атом фосфора находится в центре тетраэдра, образованного четырьмя атомами кислорода (образуя фрагмент $PO_4$). Эти тетраэдры соединяются друг с другом в длинные цепи или циклы за счет образования "мостиковых" кислородных связей $P-O-P$.

Для линейной полиметафосфорной кислоты структурным звеном является группа $-[P(O)(OH)O]-$. В этом звене каждый атом фосфора связан двойной связью с одним концевым атомом кислорода ($=O$), простой связью с гидроксильной группой ($-OH$) и двумя простыми связями с мостиковыми атомами кислорода ($-O-$), которые соединяют его с соседними атомами фосфора в цепи. Такая структура полностью соответствует как общей формуле $(HPO_3)_n$, так и координационному числу фосфора, равному 4.

Ответ: Общая формула полимера метафосфорной кислоты — $(HPO_3)_n$. Ее структура представляет собой цепь или кольцо из соединенных тетраэдров $PO_4$. Формула повторяющегося звена в линейном полимере: $-[P(O)(OH)O]-$.

7.270. При нагревании ортофосфорной кислоты массой 25,119 г образовался твёрдый остаток массой 20,813 г, представляющий собой одну из метафос- форных кислот. Определите её молярную массу и составьте структурную формулу.

Дано:

$m(H_3PO_4) = 25,119 \text{ г}$

$m(\text{остатка}) = 20,813 \text{ г}$

В системе СИ массы будут в килограммах, но для химических расчетов удобнее использовать граммы, поэтому переводить не будем.

Найти:

$M(\text{кислоты}) - ?$

Структурная формула кислоты - ?

Решение:

При нагревании ортофосфорной кислоты происходит её дегидратация (отщепление воды). Запишем общую схему реакции:

$x H_3PO_4 \xrightarrow{t^\circ} \text{Продукт} + y H_2O$

1. Найдем массу выделившейся воды по закону сохранения массы:

$m(H_2O) = m(H_3PO_4) - m(\text{остатка}) = 25,119 \text{ г} - 20,813 \text{ г} = 4,306 \text{ г}$

2. Рассчитаем молярные массы ортофосфорной кислоты и воды. Будем использовать целочисленные атомные массы: $Ar(H) = 1$, $Ar(P) = 31$, $Ar(O) = 16$.

$M(H_3PO_4) = 3 \cdot 1 + 31 + 4 \cdot 16 = 98 \text{ г/моль}$

$M(H_2O) = 2 \cdot 1 + 16 = 18 \text{ г/моль}$

3. Найдем количество вещества (в молях) исходной кислоты и выделившейся воды:

$\nu(H_3PO_4) = \frac{m(H_3PO_4)}{M(H_3PO_4)} = \frac{25,119 \text{ г}}{98 \text{ г/моль}} \approx 0,256316 \text{ моль}$

$\nu(H_2O) = \frac{m(H_2O)}{M(H_2O)} = \frac{4,306 \text{ г}}{18 \text{ г/моль}} \approx 0,239222 \text{ моль}$

4. Найдем соотношение молей кислоты и воды, чтобы определить коэффициенты в уравнении реакции:

$\frac{\nu(H_3PO_4)}{\nu(H_2O)} = \frac{0,256316}{0,239222} \approx 1,0714...$

Это соотношение очень близко к дроби $\frac{15}{14} \approx 1,071428$. Следовательно, можно принять, что на 15 моль ортофосфорной кислоты выделяется 14 моль воды. То есть, $x = 15$, $y = 14$.

5. Составим уравнение реакции и определим формулу продукта:

$15 H_3PO_4 \rightarrow \text{Продукт} + 14 H_2O$

Для нахождения формулы продукта воспользуемся законом сохранения числа атомов каждого элемента:

• Атомы H: $15 \cdot 3 \rightarrow (\text{в продукте}) + 14 \cdot 2$. Число атомов H в продукте = $45 - 28 = 17$.
• Атомы P: $15 \cdot 1 \rightarrow (\text{в продукте})$. Число атомов P в продукте = 15.
• Атомы O: $15 \cdot 4 \rightarrow (\text{в продукте}) + 14 \cdot 1$. Число атомов O в продукте = $60 - 14 = 46$.

Таким образом, формула образовавшейся кислоты — $H_{17}P_{15}O_{46}$. Эта формула относится к классу полифосфорных кислот (общая формула $H_{n+2}P_nO_{3n+1}$, где $n=15$), а не метафосфорных (общая формула $(HPO_3)_n$), как указано в условии. Вероятно, в условии допущена неточность в терминологии.

6. Определим молярную массу полученной кислоты $H_{17}P_{15}O_{46}$:

$M(H_{17}P_{15}O_{46}) = 17 \cdot Ar(H) + 15 \cdot Ar(P) + 46 \cdot Ar(O) = 17 \cdot 1 + 15 \cdot 31 + 46 \cdot 16 = 17 + 465 + 736 = 1218 \text{ г/моль}$

7. Составим структурную формулу. Полифосфорная кислота $H_{17}P_{15}O_{46}$ представляет собой линейную цепь из 15 тетраэдров $PO_4$, соединенных между собой через атомы кислорода (кислородные мостики). Структуру можно описать следующим образом: это линейная цепь из 15 атомов фосфора, связанных 14 кислородными мостиками. Каждый атом фосфора также связан с одним терминальным атомом кислорода (двойная связь P=O). У двух концевых атомов фосфора есть по две гидроксильные группы (-OH), а у 13 внутренних атомов фосфора — по одной гидроксильной группе.

Её конденсированная структурная формула:

$(HO)_2P(O)-[O-P(O)(OH)]_{13}-O-P(O)(OH)_2$

Ответ: Молярная масса образовавшейся кислоты равна $1218 \text{ г/моль}$. Её формула $H_{17}P_{15}O_{46}$, она является полифосфорной кислотой. Структурная формула представляет собой линейную цепь из 15 фосфатных звеньев: $(HO)_2P(O)-[O-P(O)(OH)]_{13}-O-P(O)(OH)_2$.

7.271. Какая кислота называется пирофосфорной? Как её получают из ортофосфорной кислоты?

Какая кислота называется пирофосфорной? Пирофосфорной кислотой (также известной как дифосфорная кислота) является неорганическая кислота с химической формулой $H_4P_2O_7$. Она образуется в результате реакции конденсации двух молекул ортофосфорной кислоты ($H_3PO_4$) с отщеплением одной молекулы воды. По своей структуре она содержит два атома фосфора, соединенных через мостиковый атом кислорода (связь P–O–P). Пирофосфорная кислота представляет собой бесцветное кристаллическое вещество, гигроскопичное и хорошо растворимое в воде. Является четырехосновной кислотой средней силы.

Ответ: Пирофосфорная кислота – это неорганическая кислота с формулой $H_4P_2O_7$, которая является продуктом конденсации двух молекул ортофосфорной кислоты.

Как её получают из ортофосфорной кислоты? Пирофосфорную кислоту получают методом термической дегидратации (отщепления воды) из ортофосфорной кислоты. Этот процесс заключается в осторожном нагревании ортофосфорной кислоты до температуры примерно 200–300°C. В этих условиях две молекулы ортофосфорной кислоты реагируют между собой, образуя одну молекулу пирофосфорной кислоты и одну молекулу воды. Уравнение этой реакции:

$2H_3PO_4 \xrightarrow{200-300^\circ C} H_4P_2O_7 + H_2O$

Важно контролировать температуру, так как при более сильном нагревании (выше 300°C) процесс дегидратации продолжается, что приводит к образованию более сложных полифосфорных кислот, в частности, метафосфорной кислоты ($(HPO_3)_n$).

Ответ: Пирофосфорную кислоту получают путем нагревания ортофосфорной кислоты до температуры 200–300°C, в результате чего происходит реакция дегидратации.

7.272. Фосфор сожгли в избытке хлора. Полученный продукт растворили в избытке раствора карбоната натрия. К полученному раствору добавили раствор хлорида кальция. Наблюдали выпадение белого осадка. Запишите уравнения четырёх химических реакций. Какие два вещества входят в состав белого осадка?

Решение

Запишите уравнения четырёх химических реакций.

1. Сжигание фосфора в избытке хлора приводит к образованию высшего хлорида фосфора — пентахлорида фосфора ($PCl_5$):

$2P + 5Cl_2 \rightarrow 2PCl_5$

2. Полученный хлорид фосфора(V) растворяют в избыточном растворе карбоната натрия. В водной среде $PCl_5$ гидролизуется до фосфорной и соляной кислот, которые затем полностью нейтрализуются избытком карбоната натрия. Суммарное уравнение этого процесса выглядит следующим образом:

$2PCl_5 + 8Na_2CO_3 \rightarrow 2Na_3PO_4 + 10NaCl + 8CO_2 \uparrow$

В результате в растворе находятся продукты реакции — фосфат натрия ($Na_3PO_4$) и хлорид натрия ($NaCl$), а также избыток исходного реагента — карбоната натрия ($Na_2CO_3$).

3. К полученному раствору добавляют хлорид кальция ($CaCl_2$). Он вступает в реакцию ионного обмена с фосфатом натрия, образуя белый осадок фосфата кальция:

$2Na_3PO_4 + 3CaCl_2 \rightarrow Ca_3(PO_4)_2 \downarrow + 6NaCl$

4. Одновременно хлорид кальция реагирует с избытком карбоната натрия, находящимся в растворе, с образованием белого осадка карбоната кальция:

$Na_2CO_3 + CaCl_2 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + 2NaCl$

Ответ:

Четыре уравнения химических реакций:

1) $2P + 5Cl_2 \rightarrow 2PCl_5$

2) $2PCl_5 + 8Na_2CO_3 \rightarrow 2Na_3PO_4 + 10NaCl + 8CO_2 \uparrow$

3) $2Na_3PO_4 + 3CaCl_2 \rightarrow Ca_3(PO_4)_2 \downarrow + 6NaCl$

4) $Na_2CO_3 + CaCl_2 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + 2NaCl$

Какие два вещества входят в состав белого осадка?

Как показано в уравнениях 3 и 4, при добавлении хлорида кальция образуются две нерастворимые в воде соли белого цвета. Таким образом, белый осадок представляет собой смесь фосфата кальция ($Ca_3(PO_4)_2$) и карбоната кальция ($CaCO_3$).

Ответ: В состав белого осадка входят фосфат кальция ($Ca_3(PO_4)_2$) и карбонат кальция ($CaCO_3$).

7.273. Красный фосфор растворили в концентрированной азотной кислоте. К полученному раствору добавили избыток раствора гидроксида натрия. На образовавшийся раствор подействовали раствором хлорида кальция. Что представляет собой выпавший осадок? Запишите уравнения реакций.

Решение

Для ответа на вопрос необходимо последовательно рассмотреть все химические реакции, описанные в условии задачи.

1. Растворение красного фосфора в концентрированной азотной кислоте

Красный фосфор ($P$) является неметаллом и вступает в окислительно-восстановительную реакцию с концентрированной азотной кислотой ($HNO_3$), которая является сильным окислителем. Фосфор окисляется до своей высшей степени окисления +5, образуя ортофосфорную кислоту ($H_3PO_4$). Азот в составе азотной кислоты восстанавливается до степени окисления +4, образуя оксид азота(IV) ($NO_2$), который выделяется в виде бурого газа.

Уравнение реакции:

$P + 5HNO_3 (конц.) \rightarrow H_3PO_4 + 5NO_2 \uparrow + H_2O$

2. Добавление избытка раствора гидроксида натрия

К полученному раствору ортофосфорной кислоты добавляют избыток раствора гидроксида натрия ($NaOH$). Так как ортофосфорная кислота является трехосновной, а щелочь взята в избытке, происходит реакция полной нейтрализации. В результате образуется средняя соль — фосфат натрия ($Na_3PO_4$) и вода.

Уравнение реакции:

$H_3PO_4 + 3NaOH (изб.) \rightarrow Na_3PO_4 + 3H_2O$

3. Взаимодействие с раствором хлорида кальция

На последнем этапе к раствору фосфата натрия ($Na_3PO_4$) добавляют раствор хлорида кальция ($CaCl_2$). Происходит реакция ионного обмена, в ходе которой катионы кальция ($Ca^{2+}$) и фосфат-анионы ($PO_4^{3-}$) соединяются, образуя нерастворимую соль — фосфат кальция ($Ca_3(PO_4)_2$). Это вещество и выпадает в осадок белого цвета.

Уравнение реакции:

$2Na_3PO_4 + 3CaCl_2 \rightarrow Ca_3(PO_4)_2 \downarrow + 6NaCl$

Таким образом, конечным продуктом, выпавшим в осадок, является фосфат кальция.

Ответ:

Выпавший осадок представляет собой фосфат кальция ($Ca_3(PO_4)_2$).

Уравнения реакций:

$P + 5HNO_3 (конц.) \rightarrow H_3PO_4 + 5NO_2 \uparrow + H_2O$

$H_3PO_4 + 3NaOH \rightarrow Na_3PO_4 + 3H_2O$

$2Na_3PO_4 + 3CaCl_2 \rightarrow Ca_3(PO_4)_2 \downarrow + 6NaCl$

7.274. Какие продукты образуются при взаимодействии: а) фосфида алюминия с концентрированной азотной кислотой; б) фосфина с водным раствором перманганата калия; в) фосфина с раствором перманганата калия, подкисленным серной кислотой; г) белого фосфора с раствором хлорноватой кислоты; д) фосфида кальция с нейтральным раствором перманганата калия; е) фосфорноватистой кислоты с избытком нейтрального раствора перманганата калия? Запишите уравнения реакций.

а) фосфида алюминия с концентрированной азотной кислотой
Это окислительно-восстановительная реакция. Фосфид алюминия ($AlP$) является восстановителем (фосфор в степени окисления -3), а концентрированная азотная кислота ($HNO_3$) – сильный окислитель (азот в степени окисления +5). Фосфор окисляется до своей высшей степени окисления +5, образуя ортофосфорную кислоту ($H_3PO_4$). Азот из концентрированной кислоты восстанавливается до оксида азота(IV) ($NO_2$). Алюминий переходит в раствор в виде соли, нитрата алюминия ($Al(NO_3)_3$).
Процессы окисления и восстановления:
$P^{-3} - 8e^- \rightarrow P^{+5}$
$N^{+5} + 1e^- \rightarrow N^{+4}$
Суммарное уравнение реакции:
$AlP + 11HNO_3 \text{(конц.)} \rightarrow Al(NO_3)_3 + H_3PO_4 + 8NO_2\uparrow + 4H_2O$
Ответ: Продуктами реакции являются нитрат алюминия ($Al(NO_3)_3$), ортофосфорная кислота ($H_3PO_4$), оксид азота(IV) ($NO_2$) и вода ($H_2O$). Уравнение реакции: $AlP + 11HNO_3 \rightarrow Al(NO_3)_3 + H_3PO_4 + 8NO_2 + 4H_2O$.

б) фосфина с водным раствором перманганата калия
В этой реакции фосфин ($PH_3$) с фосфором в степени окисления -3 является восстановителем, а перманганат калия ($KMnO_4$) – окислителем (марганец в степени окисления +7). В нейтральной среде фосфор окисляется до степени окисления +5 (фосфат-ион), а марганец восстанавливается до степени окисления +4, образуя нерастворимый оксид марганца(IV) ($MnO_2$). Образующаяся ортофосфорная кислота вступает в реакцию с ионами калия, формируя смесь кислых и средних солей.
Процессы окисления и восстановления:
$P^{-3} - 8e^- \rightarrow P^{+5}$
$Mn^{+7} + 3e^- \rightarrow Mn^{+4}$
Сбалансированное уравнение с учётом конечных продуктов в растворе:
$3PH_3 + 8KMnO_4 \rightarrow 8MnO_2\downarrow + K_2HPO_4 + 2K_3PO_4 + 4H_2O$
Ответ: Продуктами реакции являются оксид марганца(IV) ($MnO_2$), гидрофосфат калия ($K_2HPO_4$), ортофосфат калия ($K_3PO_4$) и вода ($H_2O$). Уравнение реакции: $3PH_3 + 8KMnO_4 \rightarrow 8MnO_2 + K_2HPO_4 + 2K_3PO_4 + 4H_2O$.

в) фосфина с раствором перманганата калия, подкисленным серной кислотой
В кислой среде фосфин ($PH_3$, $P^{-3}$) окисляется перманганатом калия ($KMnO_4$, $Mn^{+7}$) до ортофосфорной кислоты ($H_3PO_4$, $P^{+5}$). Марганец в кислой среде восстанавливается до иона $Mn^{2+}$, который с сульфат-ионами из серной кислоты образует сульфат марганца(II) ($MnSO_4$). Калий также образует сульфат ($K_2SO_4$).
Процессы окисления и восстановления:
$P^{-3} - 8e^- \rightarrow P^{+5}$
$Mn^{+7} + 5e^- \rightarrow Mn^{+2}$
Уравнение реакции:
$5PH_3 + 8KMnO_4 + 12H_2SO_4 \rightarrow 5H_3PO_4 + 8MnSO_4 + 4K_2SO_4 + 12H_2O$
Ответ: Продуктами реакции являются ортофосфорная кислота ($H_3PO_4$), сульфат марганца(II) ($MnSO_4$), сульфат калия ($K_2SO_4$) и вода ($H_2O$). Уравнение реакции: $5PH_3 + 8KMnO_4 + 12H_2SO_4 \rightarrow 5H_3PO_4 + 8MnSO_4 + 4K_2SO_4 + 12H_2O$.

г) белого фосфора с раствором хлорноватой кислоты
Белый фосфор ($P_4$) – восстановитель (степень окисления 0). Хлорноватая кислота ($HClO_3$) – сильный окислитель (хлор в степени окисления +5). Фосфор окисляется до ортофосфорной кислоты ($H_3PO_4$, $P^{+5}$), а хлор восстанавливается до своей низшей степени окисления -1, образуя соляную кислоту ($HCl$).
Процессы окисления и восстановления:
$P_4^0 - 20e^- \rightarrow 4P^{+5}$
$Cl^{+5} + 6e^- \rightarrow Cl^{-1}$
Уравнение реакции:
$3P_4 + 10HClO_3 + 18H_2O \rightarrow 12H_3PO_4 + 10HCl$
Ответ: Продуктами реакции являются ортофосфорная кислота ($H_3PO_4$) и соляная кислота ($HCl$). Уравнение реакции: $3P_4 + 10HClO_3 + 18H_2O \rightarrow 12H_3PO_4 + 10HCl$.

д) фосфида кальция с нейтральным раствором перманганата калия
Фосфид кальция ($Ca_3P_2$) реагирует с перманганатом калия ($KMnO_4$) в нейтральной среде. Фосфор ($P^{-3}$) окисляется до фосфат-иона ($PO_4^{3-}$), который с ионами кальция образует нерастворимый ортофосфат кальция ($Ca_3(PO_4)_2$). Марганец ($Mn^{+7}$) восстанавливается до оксида марганца(IV) ($MnO_2$). В реакции также образуется гидроксид калия ($KOH$).
Процессы окисления и восстановления:
$2P^{-3} - 16e^- \rightarrow 2P^{+5}$
$Mn^{+7} + 3e^- \rightarrow Mn^{+4}$
Уравнение реакции:
$3Ca_3P_2 + 16KMnO_4 + 8H_2O \rightarrow 3Ca_3(PO_4)_2\downarrow + 16MnO_2\downarrow + 16KOH$
Ответ: Продуктами реакции являются ортофосфат кальция ($Ca_3(PO_4)_2$), оксид марганца(IV) ($MnO_2$) и гидроксид калия ($KOH$). Уравнение реакции: $3Ca_3P_2 + 16KMnO_4 + 8H_2O \rightarrow 3Ca_3(PO_4)_2 + 16MnO_2 + 16KOH$.

е) фосфорноватистой кислоты с избытком нейтрального раствора перманганата калия
Фосфорноватистая кислота ($H_3PO_2$) является восстановителем (фосфор в степени окисления +1). В нейтральном растворе перманганата калия ($KMnO_4$, $Mn^{+7}$) она окисляется до фосфатов (степень окисления фосфора +5). Марганец восстанавливается до оксида марганца(IV) ($MnO_2$). Из-за наличия в системе ионов калия и протонов от кислоты, образуется смесь кислых солей калия.
Процессы окисления и восстановления:
$P^{+1} - 4e^- \rightarrow P^{+5}$
$Mn^{+7} + 3e^- \rightarrow Mn^{+4}$
Уравнение реакции:
$3H_3PO_2 + 4KMnO_4 \rightarrow 4MnO_2\downarrow + 2KH_2PO_4 + K_2HPO_4 + 2H_2O$
Ответ: Продуктами реакции являются оксид марганца(IV) ($MnO_2$), дигидрофосфат калия ($KH_2PO_4$), гидрофосфат калия ($K_2HPO_4$) и вода ($H_2O$). Уравнение реакции: $3H_3PO_2 + 4KMnO_4 \rightarrow 4MnO_2 + 2KH_2PO_4 + K_2HPO_4 + 2H_2O$.

7.275. Запишите уравнения реакций, иллюстрирующие схему превращений.

Решение

Для осуществления указанных превращений необходимо идентифицировать неизвестные вещества M, X, Y, Z и составить соответствующие уравнения реакций.

1. Цепочка превращений H₃PO₄ ↔ X ↔ P

В данной цепи вещество X — это оксид фосфора(V), $P_2O_5$. Двусторонние стрелки указывают на возможность протекания реакций в прямом и обратном направлениях.

Реакция P → X: Окисление фосфора избытком кислорода.
$4P + 5O_2 \xrightarrow{t} 2P_2O_5$

Реакция X → P: Восстановление оксида фосфора(V) углеродом при высокой температуре (промышленный способ получения фосфора).
$2P_2O_5 + 10C \xrightarrow{1500^\circ C} P_4 + 10CO$

Реакция X → H₃PO₄: Взаимодействие оксида фосфора(V) с водой.
$P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4$

Реакция H₃PO₄ → X: Дегидратация ортофосфорной кислоты при сильном нагревании.
$2H_3PO_4 \xrightarrow{t > 300^\circ C} P_2O_5 + 3H_2O$

Ответ: X — оксид фосфора(V), $P_2O_5$.

2. Цепочка превращений P → M → PH₃

Фосфин ($PH_3$) можно получить гидролизом фосфидов металлов. Следовательно, вещество M — это фосфид металла, например, фосфид кальция, $Ca_3P_2$.

Реакция P → M: Синтез фосфида кальция из простых веществ при нагревании.
$2P + 3Ca \xrightarrow{t} Ca_3P_2$

Реакция M → PH₃: Гидролиз фосфида кальция кислотой.
$Ca_3P_2 + 6HCl \rightarrow 3CaCl_2 + 2PH_3\uparrow$

Ответ: M — фосфид кальция, $Ca_3P_2$.

3. Цепочка превращений P → Y → H₃PO₃

Фосфористая кислота ($H_3PO_3$) содержит фосфор в степени окисления +3. Ее можно получить гидролизом соединений фосфора(III). Вещество Y — хлорид фосфора(III), $PCl_3$.

Реакция P → Y: Прямой синтез хлорида фосфора(III).
$2P + 3Cl_2 \rightarrow 2PCl_3$

Реакция Y → H₃PO₃: Гидролиз хлорида фосфора(III).
$PCl_3 + 3H_2O \rightarrow H_3PO_3 + 3HCl$

Ответ: Y — хлорид фосфора(III), $PCl_3$.

4. Цепочка превращений P → Z → H₃PO₂

Фосфорноватистая кислота ($H_3PO_2$) содержит фосфор в степени окисления +1. Ее получают из ее солей — гипофосфитов. Вещество Z — гипофосфит, например, гипофосфит кальция, $Ca(H_2PO_2)_2$.

Реакция P → Z: Получение гипофосфита кальция в реакции диспропорционирования белого фосфора в суспензии гидроксида кальция при кипячении.
$2P_4 (\text{белый}) + 3Ca(OH)_2 + 6H_2O \xrightarrow{t} 3Ca(H_2PO_2)_2 + 2PH_3\uparrow$

Реакция Z → H₃PO₂: Вытеснение фосфорноватистой кислоты из соли более сильной кислотой, например, серной, с образованием нерастворимого сульфата кальция.
$Ca(H_2PO_2)_2 + H_2SO_4 \rightarrow 2H_3PO_2 + CaSO_4\downarrow$

Ответ: Z — гипофосфит кальция, $Ca(H_2PO_2)_2$.