Оксид фосфора(V): свойства и применение¶

Оксид фосфора(V) (пентаоксид дифосфора, фосфорный ангидрид) — бинарное неорганическое соединение фосфора с кислородом, соответствующее высшей степени окисления фосфора +5. Химическая формула — P₂O₅ (в действительности молекула представляет собой димер P₄O₁₀). Представляет собой белый гигроскопичный порошок без запаха, один из сильнейших известных осушителей и важный промышленный продукт.

¶Физические свойства

В обычных условиях оксид фосфора(V) — белое аморфное или кристаллическое вещество. Существует в нескольких полиморфных модификациях. Наиболее распространённая гексагональная форма (H-форма) имеет плотность около 2,30 г/см³. Температура возгонки составляет approximately 360 °C; при нагревании в закрытом сосуде плавится при 420 °C под давлением. Кристаллическая решётка построена из молекул P₄O₁₀, в которых четыре атома фосфора расположены в вершинах тетраэдра, а шесть атомов кислорода — на рёбрах; ещё четыре атома кислорода связаны с фосфором двойными связями и направлены от вершин.

Вещество чрезвычайно гигроскопично. При контакте с водой происходит бурная реакция с выделением большого количества тепла и образованием фосфорных кислот. Растворимость в органических растворителях ограничена; в сероуглероде и хлороформе растворяется незначительно.

¶Химические свойства и реакции

Химическая активность P₂O₅ обусловлена высокой полярностью связей P–O и сильным стремлением к гидратации.

Взаимодействие с водой. В зависимости от количества воды и условий образуются разные кислоты:

• при избытке воды — ортофосфорная кислота: P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄;
• при ограниченном количестве воды — метафосфорная (HPO₃) или пирофосфорная (H₄P₂O₇) кислоты.

Реакция экзотермична, протекает со вспениванием и шипением.

Осушающее действие. P₂O₅ энергично отнимает воду от многих соединений, в том числе от тех, где вода не находится в свободном виде. Он способен дегидратировать азотную кислоту до азотного ангидрида N₂O₅, серную кислоту — до серного ангидрида SO₃, а также превращать амиды в нитрилы, спирты — в простые эфиры или алкены.

Кислотные свойства. Как кислотный оксид, P₂O₅ реагирует с основными оксидами и гидроксидами, образуя фосфаты. Например, со щёлочью: P₂O₅ + 6NaOH → 2Na₃PO₄ + 3H₂O.

Восстановление. При нагревании с углеродом или другими восстановителями восстанавливается до элементарного фосфора. С активными металлами может реагировать с образованием фосфидов и оксидов металлов.

Реакции с галогенидами. Используется для получения галогенангидридов кислот, например, хлористого тионила из сульфоксидов.

¶Получение

Промышленный способ получения — сжигание элементарного фосфора в избытке сухого воздуха или кислорода: 4P + 5O₂ → 2P₂O₅.

Процесс проводят в специальных камерах сгорания; образующийся оксид улавливают в электрофильтрах или циклонах. В лабораторных условиях P₂O₅ получают аналогичным образом — сжиганием фосфора в токе кислорода с последующей возгонкой. Важно, чтобы исходные вещества были тщательно высушены, так как даже следы влаги приводят к образованию кислотных примесей.

¶Применение

¶Осушитель

Главная область использования — осушение газов и жидкостей. P₂O₅ помещают в эксикаторы для создания безводной атмосферы, пропускают через него воздух, азот, аргон и другие газы перед проведением чувствительных к влаге синтезов. Он также применяется для осушения органических растворителей (эфиров, углеводородов), хотя для спиртов и аминов его использование ограничено из-за возможных побочных реакций.

¶Производство фосфорной кислоты

Растворение P₂O₅ в воде с последующей очисткой даёт высокочистую ортофосфорную кислоту, используемую в пищевой промышленности (регулятор кислотности E338) и для производства удобрений.

¶Органический синтез

В лабораторной практике P₂O₅ применяют как дегидратирующий агент: для получения нитрилов из амидов, ангидридов карбоновых кислот из соответствующих кислот, для циклизации некоторых соединений. Реакция Пакера — Кёнига с участием P₂O₅ используется в синтезе фосфатных эфиров.

¶Стекольная промышленность

Оксид фосфора(V) входит в состав фосфатных стёкол, обладающих особыми оптическими свойствами, а также используется как компонент шихты для обесцвечивания и осветления стекла.

¶Прочие применения

• В производстве поверхностно-активных веществ и присадок к маслам.
• Как компонент огнезащитных составов и антипиренов.
• В аналитической химии — для определения влаги (метод Фишера в модификациях) и как реагент.

¶Безопасность и меры предосторожности

P₂O₅ — едкое и опасное вещество. При попадании на кожу вызывает химические ожоги, при вдыхании пыли — поражение слизистых оболочек дыхательных путей. Опасность усиливается тем, что при контакте с влагой кожи или слизистых образуется фосфорная кислота, усугубляющая повреждение. ПДК в воздухе рабочей зоны — 1 мг/м³. Работать с веществом следует в вытяжном шкафу, в защитных очках, перчатках и респираторе. При возгорании тушить сухими средствами; применение воды недопустимо из-за бурной реакции.

Хранят P₂O₅ в герметично закрытой стеклянной или металлической таре в сухом помещении. Срок хранения ограничен из-за постепенной гидратации даже при соблюдении условий.

¶Интересные факты

• Молекула P₄O₁₀ — одна из немногих неорганических молекул, существующих в газовой фазе в неизменном виде.
• Способность P₂O₅ отнимать воду настолько велика, что он способен дегидратировать серную кислоту до SO₃, что невозможно для большинства других осушителей.
• Впервые оксид фосфора(V) был получен в XVII веке алхимиком Хеннигом Брандом при изучении свойств фосфора, хотя систематическое изучение соединения началось лишь в XIX веке.

¶Источники

• Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. — М.: Высшая школа, 2001.
• Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов: в 2 т. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008.
• Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Советская энциклопедия, 1992.
• Лидин Р. А., Молочко В. А., Андреева Л. Л. Химические свойства неорганических веществ. — М.: Химия, 2000.