Номер A, страница 180 - гдз по химии 9 класс учебник Усманова, Сакарьянова

A

1. Дайте характеристику фосфору по месту его в Периодической системе, физическим и химическим свойствам.

2. Что такое аллотропия? Какие аллотропические видоизменения имеет фосфор? Найдите по рисункам, приведенным ниже, названия аллотропических видоизменений фосфора:

3. Каковы молекулярные формулы азота и фосфора? Почему азот встречается в свободном состоянии, а фосфор - только в связанном?

4. Определите степень окисления фосфора в следующих соединениях: $P_2O_5$, $PH_3$, $HPO_3$, $K_3PO_4$, $PCl_5$, $Ca_3P_2$, $Ca_3(PO_4)_2$.

1. Положение в Периодической системе:

Фосфор (P) — химический элемент с атомным номером 15. Он расположен в 3-м периоде, в 15-й группе (VА группе) Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Является p-элементом и неметаллом. Электронная конфигурация атома: $1s^22s^22p^63s^23p^3$. На внешнем энергетическом уровне находится 5 электронов, что определяет его валентность и степени окисления (от -3 до +5).

Физические свойства:

Фосфор существует в виде нескольких аллотропических модификаций, основными из которых являются белый, красный и черный фосфор.

• Белый фосфор ($P_4$): воскообразное, кристаллическое вещество от белого до светло-желтого цвета с чесночным запахом. Имеет молекулярную кристаллическую решетку, в узлах которой находятся молекулы $P_4$, имеющие форму тетраэдра. Ядовит, растворим в сероуглероде, нерастворим в воде. Светится в темноте за счет окисления кислородом воздуха (хемилюминесценция). Очень активен химически.
• Красный фосфор ($P_n$): порошок от красно-бурого до фиолетового цвета. Имеет полимерное строение. Не ядовит, нерастворим в воде и сероуглероде. Химически менее активен, чем белый фосфор.
• Черный фосфор: наиболее устойчивая модификация. Похож на графит, имеет слоистую структуру, является полупроводником. Жирный на ощупь. Самый химически неактивный из аллотропов фосфора.

Фосфор — химически активный неметалл. Его активность зависит от аллотропической модификации (убывает в ряду: белый > красный > черный).

• Взаимодействует с металлами, образуя фосфиды (проявляя степень окисления -3): $3Mg + 2P \rightarrow Mg_3P_2$.
• Взаимодействует с неметаллами. Горит в кислороде, образуя оксид фосфора(V) $P_2O_5$ при избытке кислорода или оксид фосфора(III) $P_2O_3$ при недостатке: $4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5$.
• Реагирует с галогенами: $2P + 3Cl_2 \rightarrow 2PCl_3$ (в избытке фосфора), $2P + 5Cl_2 \rightarrow 2PCl_5$ (в избытке хлора).
• Является восстановителем в реакциях с сильными кислотами-окислителями: $P + 5HNO_{3(конц.)} \rightarrow H_3PO_4 + 5NO_2\uparrow + H_2O$.
• Белый фосфор диспропорционирует в растворах щелочей при нагревании: $P_4 + 3KOH + 3H_2O \rightarrow PH_3\uparrow + 3KH_2PO_2$.

Ответ: Фосфор (P) — элемент 15-й группы, 3-го периода, неметалл. Существует в виде аллотропных модификаций (белый, красный, черный фосфор), отличающихся по строению и свойствам. Проявляет химическую активность, вступая в реакции с металлами и неметаллами; типичные степени окисления: -3, +3, +5.

2. Аллотропия — это способность химического элемента существовать в виде двух или более простых веществ, различных по строению и свойствам. Эти различные формы называются аллотропными модификациями или аллотропами. Аллотропия может быть обусловлена либо разным числом атомов в молекуле (например, кислород $O_2$ и озон $O_3$), либо различным строением кристаллических решеток (например, алмаз и графит у углерода).

Фосфор имеет несколько аллотропических видоизменений, главные из которых — белый, красный и черный фосфор.

Названия аллотропических видоизменений фосфора по рисункам:

а) Данная структура содержит атом серы (S), связанный с атомами фосфора (P). Вещество, содержащее атомы разных элементов, не является аллотропной модификацией. Это молекула гетероциклического соединения — сульфида фосфора. Следовательно, рисунок а) не изображает аллотропную модификацию фосфора.

б) Изображена слоистая структура, характерная для черного фосфора.

в) Изображена тетраэдрическая молекула $P_4$, что соответствует строению белого фосфора.

г) Изображена цепь из атомов фосфора, что является упрощенной моделью полимерного строения красного фосфора.

Ответ: Аллотропия — существование элемента в виде нескольких простых веществ. Фосфор имеет аллотропные модификации: белый, красный, черный. На рисунках изображены: а) не аллотропная модификация фосфора (сульфид фосфора); б) черный фосфор; в) белый фосфор; г) красный фосфор.

3. Молекулярная формула простого вещества азота — $N_2$. Фосфор в парообразном состоянии и в виде наиболее известной аллотропной модификации — белого фосфора — имеет молекулярную формулу $P_4$. Другие модификации, такие как красный и черный фосфор, являются полимерами, и их формулу условно записывают как $P_n$ или просто $P$.

Азот встречается в свободном состоянии (составляет около 78% атмосферы Земли), а фосфор — только в связанном состоянии (в виде минералов, например, фосфатов). Это объясняется различиями в прочности химических связей в их молекулах.

Молекула азота $N_2$ чрезвычайно прочна, так как два атома азота в ней связаны тройной связью ($N \equiv N$). Энергия разрыва этой связи очень велика (945 кДж/моль), что обусловливает химическую инертность азота при обычных условиях. Благодаря низкой реакционной способности, свободный азот сохранился в атмосфере.

В отличие от азота, атомы фосфора не способны образовывать прочные кратные связи друг с другом. В молекуле белого фосфора $P_4$ атомы соединены одинарными связями. Эти связи находятся под большим напряжением из-за малых валентных углов (60° в тетраэдре), что делает молекулу $P_4$ очень реакционноспособной. Фосфор легко окисляется кислородом воздуха и взаимодействует со многими другими веществами, поэтому в природе он существует исключительно в виде соединений.

Ответ: Молекулярная формула азота - $N_2$, белого фосфора - $P_4$. Азот встречается в свободном виде из-за высокой прочности тройной связи в молекуле $N_2$, что делает его инертным. Фосфор существует только в связанном виде из-за высокой реакционной способности его аллотропных модификаций, обусловленной слабыми и напряженными одинарными связями P-P.

4. Степень окисления фосфора в соединениях определяется исходя из правил: суммарная степень окисления в молекуле равна нулю; степень окисления кислорода обычно -2, водорода +1, щелочных металлов +1, щелочноземельных +2, галогенов -1.

• $P_2O_5$: Пусть степень окисления P равна $x$. $2x + 5(-2) = 0 \Rightarrow 2x - 10 = 0 \Rightarrow x = +5$.
• $PH_3$: Степень окисления H в соединениях с неметаллами равна +1. $x + 3(+1) = 0 \Rightarrow x + 3 = 0 \Rightarrow x = -3$.
• $HPO_3$: Степень окисления H равна +1, O равна -2. $1(+1) + x + 3(-2) = 0 \Rightarrow 1 + x - 6 = 0 \Rightarrow x = +5$.
• $K_3PO_4$: Степень окисления K равна +1, O равна -2. $3(+1) + x + 4(-2) = 0 \Rightarrow 3 + x - 8 = 0 \Rightarrow x = +5$.
• $PCl_5$: Степень окисления Cl равна -1. $x + 5(-1) = 0 \Rightarrow x - 5 = 0 \Rightarrow x = +5$.
• $Ca_3P_2$: Степень окисления Ca равна +2. $3(+2) + 2x = 0 \Rightarrow 6 + 2x = 0 \Rightarrow 2x = -6 \Rightarrow x = -3$.
• $Ca_3(PO_4)_2$: Степень окисления Ca равна +2, O равна -2. $3(+2) + 2(x + 4(-2)) = 0 \Rightarrow 6 + 2x - 16 = 0 \Rightarrow 2x = 10 \Rightarrow x = +5$.

Ответ: Степени окисления фосфора: $P_2O_5$ — +5; $PH_3$ — -3; $HPO_3$ — +5; $K_3PO_4$ — +5; $PCl_5$ — +5; $Ca_3P_2$ — -3; $Ca_3(PO_4)_2$ — +5.