Черный фосфор получается при сильном нагревании и при высоком давлении белого фосфора. Черный фосфор тяжелее других модификаций. Применяется очень редко – как полупроводник в составе фосфата галлия и индия в металлургии.
36. Оксиды фосфора и фосфорные кислоты
Элемент фосфор образует ряд оксидов, наиболее важными из них являются оксид фосфора (III) P2O3 и оксид фосфора (V) P2O5.
Оксид фосфора (III), или фосфористый ангидрид (P2O3) получают при медленном окислении фосфора, сжигая его в недостатке кислорода. Представляет собой воскообразную кристаллическую белую массу с температурой плавления 22,5 °C. Ядовит.
Химические свойства:
1) вступает в реакцию с холодной водой, образуя при этом фосфористую кислоту H3PO3;
2) взаимодействуя с щелочами, образует соли – фосфиты;
3) является сильным восстановителем.
Взаимодействуя с кислородом, окисляется до оксида фосфора (V) P2O5.
Оксид фосфора (V), или фосфорный ангидрид (P2O5) получают при горении фосфора на воздухе или в кислороде. Представляет собой белый кристаллический порошок, с температурой плавления 36 °C.
Химические свойства:
1) взаимодействуя с водой, образует орто-фосфорную кислоту H3PO4;
2) имея свойства кислотного оксида, вступает в реакции с основными оксидами и гидроксидами;
3) способен к поглощению паров воды.
Фосфорные кислоты.
Фосфорному ангидриду соответствует несколько кислот. Главная из них – ортофосфорная кислота H3PO4. Фосфорная кислота обезвоженная представлена в виде бесцветных прозрачных кристаллов, имеющих температуру плавления 42,35 °C и хорошо растворяющихся в воде.
Образует три вида солей:
1) средние соли – ортофосфаты;
2) кислые соли с одним атомом водорода;
3) кислые соли с двумя атомами водорода.
Получение фосфорной кислоты:
1) в лаборатории: 3P + 5HNO3 + 2H2O = 3H3PO4 +5NO?;
2) в промышленности: а) термический метод; б) экстракционный метод: Ca3(PO4)2 + 3H2SO4 = CaSO4? + 2 H3PO4.
Природные фосфаты восстанавливают до свободного фосфора, который сжигают на воздухе, либо в кислороде. Продукт реакции растворяют в воде.
Остальные фосфорные кислоты в зависимости от способа соединения групп PO4 образуют 2 вида кислот: полифосфорные кислоты, которые состоят из цепочек – PO3—О—PO3—... и метафосфорные кислоты, которые состоят из колец, образованных PO4.
Применение: ортофосфорную кислоту используют при производстве удобрений, химических реактивов, органических соединений, для приготовления защитных покрытий на металлах. Фосфаты используют в производстве эмалей и фармацевтике. Метафосфаты входят в состав моющих средств.
37. Минеральные удобрения
Минеральные удобрения – неорганические вещества, в основном соли, включающие в себя необходимые для растений элементы питания и используемые для повышения плодородия почвы. Бывают простые (азотные, фосфорные, калийные, микроудобрения) и комплексные.
Простые (односторонние) удобрения содержат один главный питательный элемент – азотные удобрения (аммиачная селитра), фосфорные удобрения (простой и двойной суперфосфаты), калийные удобрения (КСl) и др.
Комплексные (многосторонние) удобрения содержат два или три главных питательных элемента и по их числу называются двойными (азотно-фосфорные, фосфорно-калийные и др.) либо тройными или полными (например, азотно-фосфорно-калийные).
Сложными называются комплексные удобрения, полученные в результате взаимодействия исходных неорганических солей, кристаллизацией или сплавлением основных компонентов, смешением простых и сложных удобрений.
В зависимости от агрегатного состояния минеральные удобрения бывают:
1) жидкие;
2) твердые;
3) порошковидные (размер частиц < 1 мм);
4) кристаллические (> 0,5 мм);
5) гранулированные (1–4 мм).
По концентрации действующих веществ минеральные удобрения подразделяются на:
1) низкоконцентрированные (до 25 %);
2) концентрированные (до 60 %);
3) высококонцентрированные (более 60 %).
Производство минеральных удобрений – важная отрасль химической промышленности. Наиболее важными минеральными удобрениями считаются фосфорные (суперфосфат, двойной суперфосфат, преципитат).
Суперфосфат получают из размолотого фосфорита, смешивая его с серной кислотой, и непрерывно перемешивают:
Суперфосфат легкорастворим в воде.
Двойной суперфосфат получают в результате разложения природного фосфата под воздействием фосфорной кислоты:
В этом удобрении отсутствует сульфат кальция, упрощая внесение удобрения в почву.
Преципитат – фосфорное удобрение, компонентом которого является гидрофосфат кальция.
Указанные выше минеральные удобрения являются простыми. Сложные минеральные удобрения более перспективны.
Аммофос получается в результате взаимодействия фосфорной кислоты и аммиака – NH4H2PO4 или (NH4)2H2PO4.
Нитрофоска получается при сплавлении гидрофосфата аммония, нитрата аммония и хлорида (сульфата) натрия.
38. Углерод и его свойства
Углерод (С) – типичный неметалл; в периодической системе находится в 2-м периоде IV группе, главной подгруппе. Порядковый номер 6, Ar = 12,011 а.е.м., заряд ядра +6. Физические свойства: углерод образует множество аллотропных модификаций: алмаз – одно из самых твердых веществ, графит, уголь, сажа.
Химические свойства: электронная конфигурация: 1s22s22p2. На электронной оболочке атома – 6 электронов; на внешнем валентном уровне – 4 электрона. Наиболее характерные степени окисления: +4, +2 – в неорганических соединениях, – 4, -2 – в органических. Углерод в любом гибридном состоянии способен использовать все свои валентные электроны и орбитали. У 4-валентного углерода нет неподеленных электронных пар и нет свободных орбиталей – углерод химически относительно устойчив. Характерно несколько типов гибридизации: sp, sp2, sp3. При низких температурах углерод инертен, но при нагревании его активность возрастает. Углерод – хороший восстановитель, но соединяясь с металлами и образуя карбиды, он выступает окислителем:
Углерод (кокс) вступает в реакции с оксидами металлов:
Таким образом выплавляют металл из руды. При очень высоких температурах углерод реагирует со многими неметаллами. Огромное количество органических соединений он образует с водородом – углеводороды. В присутствии никеля (Ni) углерод, реагируя с водородом, образует предельный углеводород – метан: С + Н2 = СН4.
При взаимодействии с серой образует сероуглерод: С + 2S2 = СS2.
При температуре электрической дуги углерод соединяется с азотом, образуя ядовитый газ дициан: 2С + N2 = С2N2?.
В соединении с водородом дициан образует синильную кислоту – НСN. С галогенами углерод реагирует в зависимости от их химической активности, образуя галогениды. На холоде реагирует со фтором: С + 2F2 = СF2.
При 2000 °C в электропечи углерод соединяется с кремнием, образуя карборунд: Si + C = SiC.
Нахождение в природе: свободный углерод встречается в виде алмаза и графита. В виде соединений углерод находится в составе минералов: мела, мрамора, известняка – СаСО3, доломита – MgCO3?CaCO3; гидрокарбонатов – Mg(НCO3)2 и Са(НCO3)2, СО2 входит в состав воздуха; углерод является главной составной частью природных органических соединений – газа, нефти, каменного угля, торфа, входит в состав органических веществ, белков, жиров, углеводов, аминокислот, входящих в состав живых организмов.
39. Аллотропные модификации углерода
Углерод образует 5 аллотропных модификаций: кубический алмаз, гексагональный алмаз, графит и две формы карбина. Гексагональный алмаз найден в метеоритах (минерал лонсдейлит) и получен искусственно при очень высоком давлении и длительном нагревании.
Алмаз – самый твердый из всех природных веществ – используют для резки стекла и для бурения горных пород. Алмаз – прозрачное, бесцветное, кристаллическое вещество, обладающее высокой светопреломляемостью. Алмазы образуют отдельные кристаллы, образующие кубическую гранецентрированную решетку – одна половина атомов в кристалле расположена в вершинах и центрах граней одного куба, а другая – в вершинах и центрах граней другого куба, смещенного относительно первого в направлении его пространственной диагонали. sp3-гибридизация. Атомы образует трехмерную тетраэдрическую сетку, где они связаны ковалентными связями.
Из простых веществ алмаз имеет максимальное число атомов, расположенных плотно друг к другу, отчего он прочный и твердый. Прочность связей в углеродных тетраэдрах (?-связи) обуславливает высокую химическую устойчивость алмаза. На него действует лишь F2 и O2 при 800 °C.
