Классификация и правило основности
Молекулы кислот фосфора представляют собой тетраэдр. Ключевое правило, определяющее их свойства, гласит: диссоциировать и замещаться на металл могут исключительно атомы водорода в составе гидроксильных групп (–OH). Водород, связанный напрямую с атомом фосфора (связь P–H), в образовании солей не участвует.
Исходя из этого правила, выделяют три основные кислоты:
- Фосфорноватистая кислота ($H_3PO_2$). Содержит одну группу –OH и две связи P–H. Является одноосновной. Образует соли — гипофосфиты.
- Фосфористая кислота ($H_3PO_3$). Содержит две группы –OH и одну связь P–H. Является двухосновной. Образует соли — фосфиты.
- Ортофосфорная (фосфорная) кислота ($H_3PO_4$). Все три атома водорода входят в состав групп –OH. Это трехосновная кислота, образующая фосфаты.
Диссоциация ортофосфорной кислоты
Фосфорная кислота диссоциирует в водных растворах ступенчато. На первой ступени она ведет себя как кислота средней силы: при концентрации 0,1 моль/л степень диссоциации достигает около 20%. На этой стадии образуются катион водорода и дигидрофосфат-ион ($H_2PO_4^-$).
На второй ступени, где отщепляется второй протон, она становится уже слабой кислотой. Третья ступень диссоциации выражена крайне слабо — по своей силе на этом этапе соединение едва превосходит обычную воду.
Растворимость фосфатов
Растворимость солей фосфорной кислоты в воде подчиняется четкой закономерности. Средние соли (трехзамещенные фосфаты) практически не растворяются в воде. Исключение составляют лишь соли однозарядных ионов, например, щелочных металлов. Кислые же соли (одно- и двухзамещенные) растворяются значительно лучше.
Эта разница связана со строением кристаллической решетки: при переходе от $PO_4^{3-}$ к $H_2PO_4^-$ заряд аниона снижается, что делает ионные связи менее прочными и облегчает растворение.
| Соль | Формула | Тип соли | Растворимость при 20 °C (мг/л) |
|---|---|---|---|
| Фосфат кальция | $Ca_3(PO_4)_2$ | Нерастворима | 0,2 |
| Гидрофосфат кальция | $CaHPO_4$ | Малорастворима | 70 |
| Дигидрофосфат кальция | $Ca(H_2PO_4)_2$ | Хорошо растворима | 15 000 |
Химические свойства: гидролиз и нагревание
Растворимые средние фосфаты подвержены сильнейшему гидролизу. Интересным примером является трехзамещенный фосфат аммония — в водном растворе он просто не существует. Ион аммония ($NH_4^+$) обладает более сильными кислотными свойствами, чем гидрофосфат-ион. Из-за этого аммоний отдает свой протон фосфату, в результате чего выделяется аммиак ($NH_3$).
При нагревании твердых солей их устойчивость зависит от типа. Средние соли металлов s-блока переносят нагрев хорошо. А вот кислые соли термически неустойчивы и вступают в реакции дегидратации (конденсации):
- Гидрофосфаты теряют воду и превращаются в дифосфаты (пирофосфаты).
- Дигидрофосфаты претерпевают ступенчатые изменения: сначала переходят в кислые дифосфаты, а при дальнейшем нагревании образуют полимерные метафосфаты.
Получение и биологическая роль
В промышленности фосфорную кислоту получают реакцией обменного разложения. Природные минералы (апатит или фосфорит, содержащие $Ca_3(PO_4)_2$) обрабатывают серной кислотой. В зависимости от точного соотношения реагентов можно получить чистую ортофосфорную кислоту либо ценные кислые соли — удобрения (преципитат или суперфосфат).
С точки зрения биологии, для нормального протекания биохимических реакций живым организмам нужен исключительно «неорганический» фосфор, где присутствует связь фосфора с кислородом. Фосфорорганические соединения (со связью P–C) в большинстве своем крайне токсичны и применяются в сельском хозяйстве как ядохимикаты и инсектициды.
Чтобы быстро определить основность кислоты фосфора по формуле, вычтите единицу из числа атомов кислорода. H3PO2 (2 кислорода − 1) = одноосновная. H3PO3 (3 − 1) = двухосновная. H3PO4 (4 − 1) = трехосновная.
Вопросы с занятий и экзамена
Почему фосфористая кислота (H3PO3) является двухосновной, если в ней три атома водорода?
В молекуле фосфористой кислоты только два атома водорода связаны с кислородом (образуют гидроксильные группы). Третий водород связан напрямую с фосфором, поэтому он не способен отщепляться в растворе и замещаться на металл.
Существует ли в воде средний фосфат аммония?
Нет, в водном растворе он распадается. Катион аммония работает как более сильная кислота, чем гидрофосфат-анион, поэтому отдает ему протон с образованием аммиака.
Почему кислые соли кальция растворяются лучше средних?
Чем меньше заряд аниона (у дигидрофосфата он -1, а у среднего фосфата -3), тем слабее кристаллическая решетка соли. Менее прочная структура гораздо легче разрушается молекулами воды.
Что ещё разобрать по теме
- Процессы полимеризации: образование дифосфорной, трифосфорной и метафосфорных кислот.
- Написание уравнений реакций нейтрализации различных кислот фосфора избытком гидроксида калия.
- Особенности расчетов стехиометрии при промышленном синтезе суперфосфата и преципитата.
- Токсикологические механизмы отравления фосфорорганическими соединениями.
Разберите тему целиком в курсе «Химия»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Кислоты фосфора и фосфаты» и ещё 2 998 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 90 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Глава 11. Элементы группы VA»
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.