Страница 126 - гдз по химии 8 класс рабочая тетрадь Габриелян, Сладков

1. Охарактеризуйте фосфор (изотоп ${}_{15}^{31}\text{P}$) по приведённому в учебнике плану характеристики элемента-неметалла.

1. Положение фосфора в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева

Фосфор (P) — химический элемент с порядковым номером 15. Он расположен в 3-м периоде (малом), в V группе, главной (А) подгруппе. Является p-элементом.

Соседи по периоду: слева — кремний (Si), справа — сера (S). Соседи по главной подгруппе: сверху — азот (N), снизу — мышьяк (As).

Электроотрицательность фосфора (2,19 по Полингу) больше, чем у кремния (1,90) и мышьяка (2,18), но меньше, чем у азота (3,04) и серы (2,58). Это определяет его типичные неметаллические свойства. По сравнению с азотом, неметаллические свойства фосфора выражены слабее.

Ответ: Фосфор (P) — элемент 3-го периода, VА группы, порядковый номер 15. Типичный неметалл.

2. Строение атома изотопа $_{15}^{31}P$

Дано:

Изотоп фосфора $_{15}^{31}P$

Найти:

Число протонов ($p^+$), нейтронов ($n^0$), электронов ($e^-$); электронную и электронно-графическую формулу; возможные степени окисления.

Решение:

Зарядовое число (порядковый номер) $Z=15$. Следовательно, в ядре атома содержится 15 протонов ($p^+=15$), а вокруг ядра в нейтральном атоме движется 15 электронов ($e^-=15$).

Массовое число изотопа $A=31$. Число нейтронов в ядре находим по формуле $N = A - Z$.

$N = 31 - 15 = 16$. В ядре содержится 16 нейтронов ($n^0=16$).

Электроны распределены по трём энергетическим уровням: $P \ )_2 )_8 )_5$.

Электронная формула атома фосфора: $1s^22s^22p^63s^23p^3$.

Электронно-графическая формула валентного (внешнего) уровня:

3s ⇅

3p ↑ ↑ ↑

На внешнем энергетическом уровне находится 5 валентных электронов. Для завершения уровня до 8 электронов атом фосфора может принять 3 электрона, проявляя низшую степень окисления -3. Также атом фосфора может отдавать 3 или 5 валентных электронов, проявляя степени окисления +3 и +5. В возбужденном состоянии один электрон с 3s-подуровня переходит на свободную 3d-орбиталь, и атом фосфора имеет 5 неспаренных электронов, что объясняет валентность V и степень окисления +5.

Возможные степени окисления: -3, 0, +1, +3, +5. Наиболее характерны: -3, +3, +5.

Ответ: Атом изотопа $_{15}^{31}P$ содержит 15 протонов, 16 нейтронов и 15 электронов. Электронная конфигурация $1s^22s^22p^63s^23p^3$. Характерные степени окисления: -3, +3, +5.

3. Простое вещество фосфор и его свойства

Фосфор образует несколько аллотропных модификаций, наиболее известные из которых — белый, красный и чёрный фосфор. Они отличаются строением кристаллической решётки и свойствами.

Белый фосфор ($P_4$) имеет молекулярную кристаллическую решётку, состоящую из тетраэдрических молекул $P_4$. Это белое воскообразное вещество, ядовитое, светится в темноте (хемилюминесценция). Очень активен химически, самовоспламеняется на воздухе.

Красный фосфор ($(P)_n$) имеет атомную кристаллическую решётку полимерного строения. Это порошок красно-бурого цвета, не ядовит, не светится в темноте, химически менее активен, чем белый.

Чёрный фосфор — наиболее устойчивая и наименее активная модификация. Имеет слоистую структуру, похожую на графит, обладает полупроводниковыми свойствами.

Ответ: Простое вещество фосфор — неметалл, существует в виде нескольких аллотропных модификаций (белый, красный, чёрный), различающихся по строению и активности.

4. Химические свойства фосфора

Фосфор проявляет как окислительные, так и восстановительные свойства.

1. Окислительные свойства (взаимодействие с металлами и менее электроотрицательными неметаллами):

$2P + 3Mg \rightarrow Mg_3P_2$ (фосфид магния)

2. Восстановительные свойства (взаимодействие с более электроотрицательными неметаллами — кислородом, галогенами, серой):

$4P + 5O_2 \ (избыток) \rightarrow 2P_2O_5$ (оксид фосфора(V))

$4P + 3O_2 \ (недостаток) \rightarrow 2P_2O_3$ (оксид фосфора(III))

$2P + 3Cl_2 \rightarrow 2PCl_3$ (хлорид фосфора(III))

3. Взаимодействие с сильными кислотами-окислителями и щелочами:

$3P + 5HNO_3 + 2H_2O \rightarrow 3H_3PO_4 + 5NO$ (фосфор окисляется до фосфорной кислоты)

$P_4 + 3KOH + 3H_2O \rightarrow PH_3\uparrow + 3KH_2PO_2$ (реакция диспропорционирования)

Ответ: Фосфор является и окислителем (в реакциях с металлами), и восстановителем (в реакциях с кислородом, галогенами), проявляя степени окисления от -3 до +5.

5. Высший оксид и соответствующий ему гидроксид

Высший оксид фосфора соответствует его высшей степени окисления +5 — это оксид фосфора(V), формула $P_2O_5$ (эмпирическая) или $P_4O_{10}$ (молекулярная). Это твёрдое белое вещество, обладающее сильными кислотными свойствами и являющееся мощным осушителем.

При взаимодействии с водой $P_2O_5$ образует кислоты. В зависимости от условий могут образовываться метафосфорная ($HPO_3$), пирофосфорная ($H_4P_2O_7$) или ортофосфорная ($H_3PO_4$) кислоты.

$P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4$ (ортофосфорная кислота)

Высший гидроксид фосфора — ортофосфорная (или просто фосфорная) кислота $H_3PO_4$. Это трёхосновная кислота средней силы. В отличие от азотной кислоты ($HNO_3$), она не проявляет сильных окислительных свойств.

Ответ: Высший оксид — $P_2O_5$ (кислотный оксид). Высший гидроксид — $H_3PO_4$ (ортофосфорная кислота, кислота средней силы).

6. Летучее водородное соединение

Летучее водородное соединение фосфора — фосфин (или фосфан) $PH_3$. В нём фосфор имеет низшую степень окисления -3.

Фосфин — это бесцветный, чрезвычайно ядовитый газ с резким неприятным запахом (напоминает запах тухлой рыбы). Основные свойства у фосфина выражены значительно слабее, чем у аммиака ($NH_3$). Он может реагировать с сильными кислотами, образуя соли фосфония:

$PH_3 + HCl \rightarrow PH_4Cl$ (хлорид фосфония)

Фосфин является сильным восстановителем, легко окисляется кислородом воздуха (иногда самовоспламеняется):

$2PH_3 + 4O_2 \rightarrow P_2O_5 + 3H_2O$

Ответ: Летучее водородное соединение — фосфин ($PH_3$), ядовитый газ со слабыми основными свойствами и сильными восстановительными свойствами.

2. $P_2O_5$ – ________ оксид, поэтому он взаимодействует:

а) со щелочами _______________________

б) с основными оксидами _______________________

в) с водой _______________________

$P_2O_5$ — кислотный оксид, поэтому он взаимодействует:

Решение

Оксид фосфора(V) ($P_2O_5$) — это оксид неметалла, в котором фосфор проявляет свою высшую степень окисления +5. Такому оксиду соответствует сильная кислота — ортофосфорная ($H_3PO_4$), поэтому $P_2O_5$ является кислотным оксидом. Как и все кислотные оксиды, он реагирует с веществами, обладающими основными свойствами (основаниями, основными и амфотерными оксидами), а также с водой.

а) со щелочами

Кислотные оксиды реагируют со щелочами (растворимыми основаниями) с образованием соли и воды. В реакции оксида фосфора(V) с гидроксидом натрия ($NaOH$) образуется фосфат натрия и вода.

Уравнение реакции: $P_2O_5 + 6NaOH \rightarrow 2Na_3PO_4 + 3H_2O$

Ответ: $P_2O_5 + 6NaOH \rightarrow 2Na_3PO_4 + 3H_2O$.

б) с основными оксидами

Кислотные оксиды вступают в реакцию соединения с основными оксидами, в результате которой образуется соль. Например, при взаимодействии оксида фосфора(V) с оксидом кальция ($CaO$) образуется соль фосфат кальция.

Уравнение реакции: $P_2O_5 + 3CaO \rightarrow Ca_3(PO_4)_2$

Ответ: $P_2O_5 + 3CaO \rightarrow Ca_3(PO_4)_2$.

в) с водой

Оксид фосфора(V) является кислотным ангидридом и очень активно реагирует с водой, образуя соответствующую кислоту — ортофосфорную. Эта реакция экзотермическая (протекает с выделением тепла).

Уравнение реакции: $P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4$

Ответ: $P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4$.

3. $H_3PO_4$ — фосфорная кислота, поэтому она взаимодействует:

а) со щелочами

б) с основными оксидами

в) с солями

— с образованием осадка

— с образованием газа

г) с амфотерными оксидами

д) с амфотерными гидроксидами

Фосфорная (ортофосфорная) кислота $H_3PO_4$ является трехосновной кислотой средней силы и проявляет все типичные свойства кислот.

а) со щелочами

Фосфорная кислота вступает в реакцию нейтрализации со щелочами (растворимыми основаниями), образуя соль и воду. В зависимости от мольного соотношения реагентов могут образовываться средние (фосфаты) или кислые соли (гидрофосфаты и дигидрофосфаты). Пример реакции полной нейтрализации с гидроксидом калия:

$H_3PO_4 + 3KOH \rightarrow K_3PO_4 + 3H_2O$

Ответ: $H_3PO_4 + 3KOH \rightarrow K_3PO_4 + 3H_2O$

б) с основными оксидами

Фосфорная кислота реагирует с оксидами металлов (основными оксидами), образуя соль и воду. Пример взаимодействия с оксидом магния:

$2H_3PO_4 + 3MgO \rightarrow Mg_3(PO_4)_2 \downarrow + 3H_2O$

Ответ: $2H_3PO_4 + 3MgO \rightarrow Mg_3(PO_4)_2 \downarrow + 3H_2O$

в) с солями

Фосфорная кислота вступает в реакции обмена с солями, если в результате образуется осадок, газ или более слабая кислота.

— с образованием осадка

Реакция идет, если образуется нерастворимый фосфат. Большинство фосфатов, кроме солей щелочных металлов и аммония, нерастворимы в воде. Пример реакции с нитратом серебра, в ходе которой выпадает характерный желтый осадок фосфата серебра:

$H_3PO_4 + 3AgNO_3 \rightarrow Ag_3PO_4 \downarrow + 3HNO_3$

Ответ: $H_3PO_4 + 3AgNO_3 \rightarrow Ag_3PO_4 \downarrow + 3HNO_3$

— с образованием газа

Фосфорная кислота, как более сильная кислота, вытесняет более слабые и летучие кислоты из их солей. Например, при реакции с карбонатами образуется неустойчивая угольная кислота, которая разлагается на углекислый газ и воду. Пример реакции с карбонатом натрия:

$2H_3PO_4 + 3Na_2CO_3 \rightarrow 2Na_3PO_4 + 3H_2O + 3CO_2 \uparrow$

Ответ: $2H_3PO_4 + 3Na_2CO_3 \rightarrow 2Na_3PO_4 + 3H_2O + 3CO_2 \uparrow$

г) с амфотерными оксидами

Фосфорная кислота взаимодействует с амфотерными оксидами, которые в реакции с кислотами проявляют основные свойства. Образуется соль и вода. Пример реакции с оксидом цинка:

$2H_3PO_4 + 3ZnO \rightarrow Zn_3(PO_4)_2 \downarrow + 3H_2O$

Ответ: $2H_3PO_4 + 3ZnO \rightarrow Zn_3(PO_4)_2 \downarrow + 3H_2O$

д) с амфотерными гидроксидами

Фосфорная кислота реагирует с амфотерными гидроксидами по типу реакции нейтрализации. Амфотерный гидроксид проявляет свойства основания, в результате чего образуется соль и вода. Пример реакции с гидроксидом алюминия:

$H_3PO_4 + Al(OH)_3 \rightarrow AlPO_4 \downarrow + 3H_2O$

Ответ: $H_3PO_4 + Al(OH)_3 \rightarrow AlPO_4 \downarrow + 3H_2O$