Фосфор

Положение в периодической системе и строение атома

Фосфор является ближайшим аналогом азота и располагается в VA группе. Электроотрицательность этого неметалла относительно невелика, но химическая активность высока — он легко окисляется, формируя крайне стабильные соединения с кислородом.

Ключевое отличие от азота заключается в валентных возможностях. Как и азот, фосфор может проявлять валентность III. Однако наличие свободных 3d-орбиталей позволяет атому распаривать электроны при возбуждении. Благодаря этому фосфор способен повышать свою валентность до V.

Нахождение в природе и биологическое значение

По количественному содержанию на планете фосфор сопоставим с серой и азотом, однако он сильно рассеян. Природные запасы его соединений конечны. В свободном виде элемент не встречается из-за склонности к быстрому окислению; он существует только в виде фосфатов (главные минералы — фосфорит и апатит).

Для человека фосфор является важнейшим биогенным элементом. Все его функции в организме реализуются через фосфатную группу ($PO_4^{3-}$):

• Структурная функция: костная ткань служит главным хранилищем фосфатов, где они присутствуют в форме минерала гидроксиапатита.
• Хранение информации: остатки фосфорной кислоты сшивают мономеры в полинуклеотидах (РНК и ДНК).
• Энергетический обмен: процесс присоединения фосфатных остатков (фосфорилирование) жизненно необходим для протекания множества биохимических реакций и передачи энергии.

Важно: любые соединения фосфора, не относящиеся к классу фосфатов, обычно обладают высокой токсичностью.

Аллотропные модификации

Элемент образует три основные аллотропные формы: белую, красную и черную.

Белый фосфор ($P_4$) — мягкое воскообразное вещество, состоящее из тетраэдрических молекул. Углы между связями в молекуле составляют всего 60°, из-за чего связи искривляются (так называемые «бананообразные» связи). Это создает высокое внутреннее напряжение, наделяя вещество огромной потенциальной энергией. Белый фосфор крайне ядовит, реакционноспособен, светится в темноте и требует хранения под слоем воды.

Красный фосфор — полимер, образующийся при длительном нагревании белой модификации без доступа кислорода. Он представляет собой аморфную массу, не растворяется в органике и воде, нетоксичен и не склонен к самовозгоранию. Именно он наносится на боковые поверхности спичечных коробков.

Черный фосфор синтезируется под высоким давлением, имеет слоистую графитоподобную структуру и наименее активен.

Химические свойства

В отличие от инертного молекулярного азота, фосфор весьма активен. В реакциях он способен выступать как восстановителем, так и окислителем.

1. С неметаллами:
2. Окисляется кислородом. При медленном процессе образуется оксид фосфора(III), а при активном горении — оксид фосфора(V) ($P_4O_{10}$).
3. С галогенами дает летучие три- и пентагалогениды.
4. С водородом реагирует слабо, образуя токсичный газ фосфин ($PH_3$).

1. С металлами:

Проявляя окислительные свойства (степень окисления -3), фосфор реагирует с активными металлами (например, s-блока) при нагревании. Продуктами выступают фосфиды (например, красно-бурый фосфид кальция $Ca_3P_2$).

1. С сильными окислителями:

Легко реагирует с концентрированной азотной кислотой (до ортофосфорной кислоты) и бертолетовой солью.

1. Со щелочами:

Белый фосфор вступает в реакцию диспропорционирования при нагревании с растворами щелочей, одновременно понижая и повышая степень окисления с образованием фосфина и гипофосфитов.

Вопросы с занятий и экзамена

Что ещё разобрать по теме

• Особенности пространственного строения $P_4$: природа «бананообразных» связей
• Биохимические механизмы фосфорилирования органических молекул
• ОВР: диспропорционирование белого фосфора в щелочной среде
• Синтез гидроксиапатита и его роль в остеогенезе

Другие темы раздела «Глава 11. Элементы группы VA»

Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.