Страница 158 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Сопоставьте свойства белого и красного фосфора.

Белый и красный фосфор являются аллотропными модификациями одного и того же химического элемента — фосфора. Однако из-за различий в строении их свойства кардинально отличаются.

Строение

Белый фосфор имеет молекулярную кристаллическую решетку. Его структурной единицей является тетраэдрическая молекула $P_4$. Связи внутри этих молекул ковалентные и прочные, но сами молекулы связаны между собой слабыми межмолекулярными силами (силами Ван-дер-Ваальса). Красный фосфор имеет полимерное строение. Это аморфное вещество, состоящее из длинных, связанных друг с другом цепочек атомов фосфора, образующих сложную пространственную структуру.

Ответ: Белый фосфор имеет молекулярное строение ($P_4$), а красный фосфор — полимерное (аморфное).

Внешний вид и физические свойства

Белый фосфор — это мягкое, похожее на воск вещество белого или слегка желтоватого цвета, которое можно резать ножом. Он имеет невысокую температуру плавления (44,1 °C) и плотность около $1,82 \text{ г/см}^3$. Красный фосфор — это порошок от тёмно-красного до фиолетового цвета. Он не плавится при атмосферном давлении, а возгоняется (сублимирует) при нагревании до температуры около 416 °C. Его плотность ($ \approx 2,34 \text{ г/см}^3$) выше, чем у белого фосфора.

Ответ: Белый фосфор — мягкое, воскообразное, легкоплавкое вещество, в то время как красный фосфор — твёрдый, тугоплавкий порошок с большей плотностью.

Растворимость

Из-за молекулярного строения белый фосфор нерастворим в полярной воде, но хорошо растворяется в неполярных органических растворителях, например, в сероуглероде ($CS_2$) и бензоле. Красный фосфор, обладая полимерной структурой, нерастворим ни в воде, ни в органических растворителях, включая сероуглерод.

Ответ: Белый фосфор растворим в сероуглероде и других органических растворителях, а красный — практически нерастворим.

Химическая активность

Белый фосфор — одна из самых активных форм фосфора. Он медленно окисляется кислородом воздуха уже при комнатной температуре, что вызывает свечение в темноте (хемилюминесценция). Легко самовоспламеняется на воздухе при слабом нагреве (около 34-40 °C), поэтому его хранят под слоем воды. Красный фосфор химически гораздо менее активен. Он не светится в темноте и воспламеняется только при сильном нагревании (выше 250 °C).

Ответ: Белый фосфор — чрезвычайно активен, самовоспламеняется и светится в темноте; красный фосфор — значительно менее активен и стабилен на воздухе.

Токсичность

Белый фосфор — сильнейший яд. Его летальная доза для взрослого человека составляет всего 0,05–0,15 грамма. При контакте с кожей он вызывает тяжёлые, долго не заживающие ожоги. Красный фосфор, в отличие от белого, практически нетоксичен и не представляет опасности для организма.

Ответ: Белый фосфор очень ядовит, а красный фосфор не ядовит.

2. Как вы думаете, какую кристаллическую решётку имеет белый фосфор? Мотивируйте свой ответ.

Решение

Белый фосфор имеет молекулярную кристаллическую решётку.

Этот вывод основывается на его строении и физических свойствах. В узлах кристаллической решётки белого фосфора находятся отдельные молекулы состава $P_4$, имеющие форму тетраэдра. Внутри этих молекул атомы фосфора соединены прочными ковалентными неполярными связями. Однако сами молекулы $P_4$ в кристалле связаны между собой только слабыми межмолекулярными силами (силами Ван-дер-Ваальса).

Именно слабость межмолекулярных связей объясняет характерные физические свойства белого фосфора, которые типичны для веществ с молекулярной решёткой: низкая температура плавления ($44,1 \text{ °C}$), малая твёрдость (мягкое, воскообразное вещество, которое можно резать ножом), летучесть и нерастворимость в воде, но растворимость в неполярных растворителях (например, в сероуглероде).

Ответ: белый фосфор имеет молекулярную кристаллическую решётку.

3. Какое применение находит фосфор в повседневной жизни?

Фосфор и его соединения находят широкое применение в различных сферах повседневной жизни, от продуктов питания и бытовой химии до фундаментальных биологических процессов в нашем организме. Ниже перечислены основные области его использования.

Производство спичек

Это одно из самых классических и узнаваемых применений фосфора. Боковая поверхность спичечного коробка, так называемая "тёрка", содержит красный фосфор ($P_n$), клей и наполнитель (например, стеклянный порошок). Головка спички содержит горючее вещество и сильный окислитель, чаще всего бертолетову соль ($KClO_3$). При трении головки о тёрку происходит локальный нагрев, вызывающий реакцию между красным фосфором и окислителем, что приводит к воспламенению головки спички.

Сельское хозяйство (удобрения)

Фосфор является одним из трёх жизненно важных макроэлементов для растений, наряду с азотом (N) и калием (K). Поэтому его соединения, в первую очередь фосфаты, являются основой для производства фосфорных удобрений (например, суперфосфата $Ca(H_2PO_4)_2 \cdot H_2O$, аммофоса $NH_4H_2PO_4 + (NH_4)_2HPO_4$). Эти удобрения вносятся в почву для повышения урожайности сельскохозяйственных культур, что напрямую влияет на производство продуктов питания, которые мы потребляем каждый день.

Пищевая промышленность

Соединения фосфора широко используются в качестве пищевых добавок:

• Ортофосфорная кислота ($H_3PO_4$) — применяется как регулятор кислотности (пищевая добавка E338), особенно в газированных напитках типа "кола", для придания им характерного терпкого, кисловатого вкуса.
• Фосфаты и полифосфаты (E339-E343, E450-E452) — используются в самых разных продуктах. В плавленых сырах они выступают в роли солей-плавителей, предотвращая отделение жира. В мясных и колбасных изделиях они являются влагоудерживающими агентами, делая продукт сочнее. В пекарской промышленности фосфаты входят в состав разрыхлителей теста (пекарских порошков).

Моющие и чистящие средства

Долгое время фосфаты, особенно триполифосфат натрия ($Na_5P_3O_{10}$), были ключевым компонентом синтетических моющих средств (стиральных порошков, таблеток для посудомоечных машин). Они эффективно смягчают жесткую воду, связывая ионы кальция ($Ca^{2+}$) и магния ($Mg^{2+}$), что значительно повышает моющую способность поверхностно-активных веществ (ПАВ). Однако из-за экологических проблем (попадая в водоемы, фосфаты вызывают их бурное "цветение" — эвтрофикацию), их использование во многих странах сильно ограничено или полностью запрещено.

Биологическая роль и медицина

Фосфор — незаменимый биогенный элемент. В организме человека он выполняет важнейшие функции:

• Входит в состав костной ткани и зубов в виде гидроксиапатита $Ca_5(PO_4)_3(OH)$.
• Является частью нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), которые несут генетическую информацию.
• Входит в состав АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты) — универсального источника энергии для всех процессов в клетках.
• Является компонентом фосфолипидов, из которых построены клеточные мембраны.

В медицине соединения фосфора применяются в составе некоторых лекарств, а также в зубных пастах для укрепления и реминерализации эмали.

Ответ: В повседневной жизни фосфор и его соединения применяются для производства спичек (красный фосфор), как важнейший компонент минеральных удобрений в сельском хозяйстве, в пищевой промышленности в качестве регуляторов кислотности, эмульгаторов и разрыхлителей (ортофосфорная кислота и фосфаты), в составе моющих средств (хотя применение ограничено), а также играет ключевую биологическую роль в организме человека, являясь основой костной ткани, ДНК, РНК и клеточной энергии (АТФ).

4. Какие вещества нанесены на головку спички и на торцевые стороны спичечного коробка?

Вещества на головке спички

Головка современной безопасной спички представляет собой сложную смесь веществ. Основными компонентами являются: окислитель — чаще всего это бертолетова соль (хлорат калия, $KClO_3$), которая при нагревании выделяет кислород, необходимый для горения; горючее вещество — обычно используется сера ($S$) или сульфид сурьмы(III) ($Sb_2S_3$), которые легко воспламеняются в присутствии кислорода; а также связующие и наполнители — клей (например, животный), молотое стекло (для увеличения трения), оксид железа(III) ($Fe_2O_3$) или диоксид марганца ($MnO_2$), которые также могут выступать катализаторами реакции и придавать цвет.

Ответ: На головку спички нанесены окислитель (хлорат калия $KClO_3$), горючие вещества (сера $S$ или сульфид сурьмы(III) $Sb_2S_3$), а также связующие вещества (клей) и наполнители (молотое стекло).

Вещества на торцевых сторонах спичечного коробка

Поверхность для зажигания спичек, называемая "тёркой", наносится на боковые стороны коробка и также имеет специальный состав. Главный компонент — это красный фосфор ($P$). В отличие от своего аллотропного видоизменения, белого фосфора, он не ядовит и относительно безопасен, воспламеняясь только от значительного локального нагрева, возникающего при трении. Для увеличения силы трения и обеспечения нужной температуры для воспламенения фосфора в состав "тёрки" добавляют наполнитель, такой как порошок стекла или мелкозернистый песок (диоксид кремния, $SiO_2$). Все эти компоненты скреплены вместе с помощью клея. При чиркании спичкой о коробок, трение вызывает воспламенение красного фосфора, что, в свою очередь, поджигает горючую смесь на головке спички.

Ответ: На торцевые стороны спичечного коробка нанесены красный фосфор ($P$), наполнитель для увеличения трения (молотое стекло или песок) и связующее вещество (клей).

*5.
Почему белый фосфор светится в темноте?

Свечение белого фосфора в темноте — это явление, которое называется хемилюминесценцией. Это испускание света в результате химической реакции, а не из-за поглощенной ранее световой энергии (как в случае фосфоресценции, несмотря на созвучное название).

Причиной свечения является медленное окисление фосфора кислородом воздуха. Процесс можно разбить на несколько этапов:

1. Высокая реакционная способность. Белый фосфор состоит из молекул $P_4$, имеющих форму тетраэдра. Химические связи в такой молекуле сильно напряжены, что делает белый фосфор очень активным веществом, легко вступающим в реакции.

2. Окисление. На поверхности фосфора начинается медленная реакция с кислородом ($O_2$), который находится в воздухе.

3. Образование возбужденных молекул. Реакция окисления протекает в несколько стадий. В ходе промежуточных стадий образуются нестабильные частицы (например, $PO$, $(PO)_2$, $HPO$) в электронно-возбужденном состоянии. Это означает, что их электроны находятся на более высоких энергетических уровнях, чем в обычном, стабильном состоянии.

4. Излучение света. Возбужденное состояние нестабильно. Молекулы стремятся вернуться в свое основное, стабильное состояние с меньшей энергией. При этом переходе избыток энергии выделяется в виде квантов света (фотонов). Совокупность этих фотонов мы и воспринимаем как постоянное, слабое свечение, обычно бледно-зеленого цвета.

Суммарное уравнение реакции полного окисления фосфора до оксида фосфора(V) выглядит так:

$P_4 + 5O_2 \rightarrow P_4O_{10}$

Важно понимать, что свечение вызывают именно промежуточные стадии этой реакции, а не образование конечного продукта.

Ответ: Белый фосфор светится в темноте из-за химической реакции медленного окисления кислородом воздуха. Этот процесс, называемый хемилюминесценцией, сопровождается образованием промежуточных продуктов в возбужденном состоянии, которые при переходе в стабильное состояние испускают энергию в виде света.

6. Какую массу фосфорного ангидрида можно получить сжиганием 9,1 г фосфора?

Дано:

масса фосфора $m(P) = 9.1$ г

Найти:

массу фосфорного ангидрида $m(P_2O_5)$ — ?

Решение:

1. Запишем уравнение реакции горения фосфора. При сжигании фосфора в избытке кислорода образуется оксид фосфора(V), также известный как фосфорный ангидрид:

$4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5$

2. Рассчитаем молярные массы фосфора (P) и оксида фосфора(V) ($P_2O_5$), используя относительные атомные массы из периодической таблицы химических элементов: $Ar(P) \approx 31$ а.е.м., $Ar(O) \approx 16$ а.е.м.

Молярная масса фосфора:

$M(P) = 31$ г/моль

Молярная масса оксида фосфора(V):

$M(P_2O_5) = 2 \cdot Ar(P) + 5 \cdot Ar(O) = 2 \cdot 31 + 5 \cdot 16 = 62 + 80 = 142$ г/моль

3. Согласно уравнению реакции, из 4 моль атомарного фосфора образуется 2 моль оксида фосфора(V). Мы можем использовать это соотношение для составления пропорции по массам.

Масса 4 моль фосфора, вступающих в реакцию:

$m(4P) = 4 \text{ моль} \cdot 31 \text{ г/моль} = 124$ г

Масса 2 моль оксида фосфора(V), образующихся в результате реакции:

$m(2P_2O_5) = 2 \text{ моль} \cdot 142 \text{ г/моль} = 284$ г

4. Составим и решим пропорцию, чтобы определить массу ($x$) фосфорного ангидрида, получаемого из 9,1 г фосфора:

Из $124$ г $P$ образуется $284$ г $P_2O_5$

Из $9.1$ г $P$ образуется $x$ г $P_2O_5$

$\frac{9.1 \text{ г}}{124 \text{ г}} = \frac{x \text{ г}}{284 \text{ г}}$

Выразим $x$:

$x = \frac{9.1 \text{ г} \cdot 284 \text{ г}}{124 \text{ г}} = \frac{2584.4}{124} \text{ г} \approx 20.84$ г

Округляя результат до одного знака после запятой, получаем 20,8 г.

Ответ:

масса фосфорного ангидрида, которую можно получить, равна 20,8 г.

7. Сколько молекул содержится в 24,8 г белого фосфора?

Дано:

масса белого фосфора $m(P_4) = 24,8$ г

постоянная Авогадро $N_A = 6,02 \times 10^{23}$ моль⁻¹

Найти:

число молекул $N(P_4)$

Решение:

1. Для того чтобы найти число молекул в определенной массе вещества, необходимо сначала найти количество вещества (в молях), а затем умножить его на число Авогадро. Белый фосфор имеет молекулярное строение, его химическая формула — $P_4$.

2. Рассчитаем молярную массу белого фосфора ($M(P_4)$). Согласно периодической таблице, относительная атомная масса фосфора ($Ar(P)$) составляет примерно 31.

$M(P_4) = 4 \times Ar(P) = 4 \times 31 \text{ г/моль} = 124 \text{ г/моль}$

3. Найдем количество вещества ($\nu$) белого фосфора в образце массой 24,8 г по формуле:

$\nu = \frac{m}{M}$

$\nu(P_4) = \frac{24,8 \text{ г}}{124 \text{ г/моль}} = 0,2 \text{ моль}$

4. Теперь вычислим число молекул ($N$) в 0,2 моль белого фосфора, зная, что в 1 моле любого вещества содержится $6,02 \times 10^{23}$ молекул (число Авогадро).

$N = \nu \times N_A$

$N(P_4) = 0,2 \text{ моль} \times 6,02 \times 10^{23} \text{ моль⁻¹} = 1,204 \times 10^{23}$

Ответ: в 24,8 г белого фосфора содержится $1,204 \times 10^{23}$ молекул.

8. Рассчитайте массовую долю фосфора в следующих соединениях: гидроксоапатит $Ca_5(OH)(PO_4)_3$ (входит в состав костей), фторапатит $Ca_5F(PO_4)_3$ (входит в состав зубной эмали) и аденозинфосфат $C_{10}H_{14}N_5O_7P$ (входит в состав клеток и тканей).

Дано:

гидроксиапатит – $Ca_5(OH)(PO_4)_3$

фторапатит – $Ca_5F(PO_4)_3$

аденозинфосфат – $C_{10}H_{14}N_5O_7P$

Найти:

$\omega(P)$ – массовую долю фосфора в каждом соединении.

Решение:

Массовая доля элемента в сложном веществе ($\omega$) вычисляется по формуле:

$\omega(Э) = \frac{n \cdot Ar(Э)}{Mr(\text{вещества})} \cdot 100\%$

где $n$ — число атомов данного элемента в формульной единице вещества, $Ar(Э)$ — относительная атомная масса элемента, а $Mr(\text{вещества})$ — относительная молекулярная (формульная) масса вещества.

Для расчетов используем округленные значения относительных атомных масс из Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева:

$Ar(Ca) = 40$; $Ar(O) = 16$; $Ar(H) = 1$; $Ar(P) = 31$; $Ar(F) = 19$; $Ar(C) = 12$; $Ar(N) = 14$.

гидроксиапатит

1. Найдем относительную формульную массу гидроксиапатита $Ca_5(OH)(PO_4)_3$:

$Mr(Ca_5(OH)(PO_4)_3) = 5 \cdot Ar(Ca) + 1 \cdot Ar(O) + 1 \cdot Ar(H) + 3 \cdot (Ar(P) + 4 \cdot Ar(O)) = 5 \cdot 40 + 16 + 1 + 3 \cdot (31 + 4 \cdot 16) = 200 + 17 + 3 \cdot (31 + 64) = 217 + 3 \cdot 95 = 217 + 285 = 502$

2. В одной формульной единице гидроксиапатита содержится 3 атома фосфора.

3. Рассчитаем массовую долю фосфора:

$\omega(P) = \frac{3 \cdot Ar(P)}{Mr(Ca_5(OH)(PO_4)_3)} \cdot 100\% = \frac{3 \cdot 31}{502} \cdot 100\% = \frac{93}{502} \cdot 100\% \approx 18.53\%$

Ответ: массовая доля фосфора в гидроксиапатите составляет 18.53%.

фторапатит

1. Найдем относительную формульную массу фторапатита $Ca_5F(PO_4)_3$:

$Mr(Ca_5F(PO_4)_3) = 5 \cdot Ar(Ca) + 1 \cdot Ar(F) + 3 \cdot (Ar(P) + 4 \cdot Ar(O)) = 5 \cdot 40 + 19 + 3 \cdot (31 + 4 \cdot 16) = 200 + 19 + 3 \cdot (31 + 64) = 219 + 3 \cdot 95 = 219 + 285 = 504$

2. В одной формульной единице фторапатита содержится 3 атома фосфора.

3. Рассчитаем массовую долю фосфора:

$\omega(P) = \frac{3 \cdot Ar(P)}{Mr(Ca_5F(PO_4)_3)} \cdot 100\% = \frac{3 \cdot 31}{504} \cdot 100\% = \frac{93}{504} \cdot 100\% \approx 18.45\%$

Ответ: массовая доля фосфора в фторапатите составляет 18.45%.

аденозинфосфат

1. Найдем относительную молекулярную массу аденозинфосфата $C_{10}H_{14}N_5O_7P$ (аденозинмонофосфата, АМФ):

$Mr(C_{10}H_{14}N_5O_7P) = 10 \cdot Ar(C) + 14 \cdot Ar(H) + 5 \cdot Ar(N) + 7 \cdot Ar(O) + 1 \cdot Ar(P) = 10 \cdot 12 + 14 \cdot 1 + 5 \cdot 14 + 7 \cdot 16 + 1 \cdot 31 = 120 + 14 + 70 + 112 + 31 = 347$

2. В одной молекуле аденозинфосфата содержится 1 атом фосфора.

3. Рассчитаем массовую долю фосфора:

$\omega(P) = \frac{1 \cdot Ar(P)}{Mr(C_{10}H_{14}N_5O_7P)} \cdot 100\% = \frac{1 \cdot 31}{347} \cdot 100\% = \frac{31}{347} \cdot 100\% \approx 8.93\%$

Ответ: массовая доля фосфора в аденозинфосфате составляет 8.93%.