Пентоксид фосфора (P₂O₅)¶
Пентоксид фосфора (P₂O₅, также оксид фосфора(V), ангидрид фосфорной кислоты) — бинарное неорганическое соединение фосфора с кислородом, один из наиболее распространённых оксидов фосфора. Наиболее стабильной молекулярной формой является соединение с формулой P₄O₁₀, однако по традиции в качестве эмпирической формулы используется P₂O₅. При нормальных условиях — белое кристаллическое вещество, обладающее крайне высокой гигроскопичностью и химической активностью.
¶Физические и химические свойства
Пентоксид фосфора — белый аморфный или кристаллический порошок без запаха. Молекулярная масса P₄O₁₀ составляет 283,89 г/моль, плотность — около 2,39 г/см³. Температура плавления зависит от кристаллической модификации и составляет 340–420 °C при давлении; при нагревании вещество возгоняется, не плавясь, при атмосферном давлении. В воде P₂O₅ растворяется бурно, с выделением большого количества тепла, превращаясь в ортофосфорную кислоту:
P₄O₁₀ + 6 H₂O → 4 H₃PO₄
При недостатке воды образуются метафосфорная (HPO₃) и пирофосфорная (H₄P₂O₇) кислоты. Реакция с водой настолько экзотермична, что пары воды над веществом видны в воздухе — из-за этого свойства пентоксид фосфора иногда называют «фосфорным ангидридом».
Соединение реагирует также с органическими соединениями, отнимая у них молекулы воды; это свойство лежит в основе его применения в качестве осушающего (дегидратирующего) агента в лабораторной практике. P₂O₅ реагирует с щелочами, образуя фосфаты, с некоторыми металлами при высоких температурах.
¶Строение молекулы
Молекула P₄O₁₀ имеет тетраэдрическую симметрию и образована четырьмя атомами фосфора, расположенными в вершинах тетраэдра, связанными между собой через атомы кислорода (мостиковые связи P–O–P). Каждый атом фосфора дополнительно связан с одним терминальным атомом кислорода (связью P=O). Всего в молекуле 10 атомов кислорода: 6 мостиковых и 4 терминальных. Средняя длина связи P–O (мостиковая) составляет около 1,60 Å, длина связи P=O — около 1,48 Å.
¶Кристаллические модификации
Пентоксид фосфора существует в нескольких кристаллических формах, различающихся способом упаковки молекул P₄O₁₀:
- α-форма — моноклинная, наиболее плотная, образуется при медленной конденсации пара;
- β-форма — тетрагональная, метастабильная, получается при быстрой конденсации;
- γ-форма — гексагональная, менее упорядоченная.
При длительном хранении β- и γ-формы медленно переходят в α-форму.
¶Получение
Промышленным способом получения пентоксида фосфора является сжигание белого фосфора (P₄) в избытке кислорода или воздуха:
P₄ + 5 O₂ → P₄O₁₀
Реакция идёт с образованием густого белого дыма. Альтернативный лабораторный метод — дегидратация ортофосфорной кислоты при нагревании выше 300 °C:
2 H₃PO₄ → P₄O₁₀ + 6 H₂O (при 350 °C)
¶Применение
Основная область применения пентоксида фосфора — производство ортофосфорной кислоты методом гидратации. Значительная часть мирового выпуска P₂O₅ направляется на получение фосфорных удобрений (суперфосфат, аммофос, фосфорная кислота как сырьё для комплексных удобрений).
В лабораторной химии P₂O₅ применяется как осушающий агент для газов и растворителей, а также как дегидратирующее средство для синтеза ангидридов кислот, нитрилов и других соединений. Благодаря способности связывать воду вещество используется в качестве индикатора влажности — при поглощении влаги оно образует капли фосфорной кислоты на поверхности.
В пищевой промышленности соединение зарегистрировано в качестве пищевой добавки Е338 (в форме фосфорной кислоты, получаемой из P₂O₅). Фосфорная кислота, в свою очередь, применяется в производстве безалкогольных напитков, в металлургии для травления и фосфатирования металлов, в нефтедобыче как компонент кислотных составов для обработки скважин.
¶Токсичность и обращение
Пентоксид фосфора относится к веществам 3-го класса опасности (умеренно опасные) по российской классификации. При контакте с влажными слизистыми оболочками и кожей вещество вызывает химические ожоги вследствие образования фосфорной кислоты. При вдыхании пыли раздражает дыхательные пути. Работы с P₂O₅ проводятся в вытяжном шкафу с применением средств индивидуальной защиты. Хранят вещество в герметичной таре, защищённой от влаги.
¶Роль в природе и промышленности
Фосфор, входящий в состав P₂O₅, является макроэлементом, необходимым для живых организмов (входит в состав ДНК, АТФ, костей). Содержание P₂O₅ в земной коре составляет около 0,28 %, в морской воде — следовые количества. Основные месторождения фосфоритов и апатитов, из которых промышленно получают фосфор и далее пентоксид, сосредоточены в России (Хибинские месторождения апатитов на Кольском полуострове, месторождения в Астраханской области, Западной Сибири), Марокко, Китае и США.
¶Историческая справка
Впервые пентоксид фосфора был получен в 1777 году немецким химиком Иоганном Готтлибом Ганом при прокаливании фосфора на воздухе. В XIX веке соединение стало важным продуктом для производства спичек, кислот и удобрений, что определило его промышленное значение.
¶Исторические источники
- Реми Г. Курс неорганической химии. — М.: Мир, 1972.
- Глинка Н. Л. Общая химия. — М.: Интеграл-Пресс.
- Хомченко Г. П. Химия для поступающих в вузы. — М.: Высшая школа.
- Справочник химика. Том 2. — Л.: Химия, 1964.