Физикалық қасиеті
Фосфор: қасиеттері және аллотропиялық түрлері
Фосфор — реакцияға бейім, табиғатта бірнеше аллотропиялық түрі болатын бейметалл. Оның қасиеттері молекулалық құрылысына, агрегаттық күйіне және температураға қатты тәуелді.
Физикалық қасиеттері
Фосфордың негізгі аллотропиялық түрлері — ақ және қара фосфор. Сонымен қатар олардың аралық түрлері ретінде қызыл және күлгін фосфор да кездеседі.
Молекулалық құрылысы және температураға тәуелділік
- Фосфор атомдары P₂, P₄ немесе полимерлі P₂∞ түрінде біріге алады.
- P₂ молекуласы құрылысы жағынан N₂-ге ұқсас, бірақ тек өте жоғары температурада ғана тұрақты: 1000°C-тан жоғарыда тұрақтанып, 2000°C-тан жоғарыда атомдарға ыдырауы мүмкін.
- 1000°C-тан төмен жағдайда P₄ молекуласы тұрақты; ол тетраэдр пішінді болады.
- Сұйық, еріген күйінде және 800°C-қа дейінгі бу күйінде фосфор көбіне P₄ түрінде болады; 800°C-тан жоғарыда P₄ → 2P₂ диссоциациясы жүреді, ал 2000°C-тан жоғарыда P₂ → 2P ыдырауы күшейеді.
Ақ фосфор (α-модификация)
Ақ фосфор фосфор буын тез салқындатқанда түзіледі. Ол қатты, кристалдық зат: меншікті салмағы шамамен 1,82, балқу температурасы 44,1°C, қайнау температурасы 275°C.
Таза күйінде түссіз, ал тұрмыстық/өндірістік үлгілері көбіне сарғылт тартып, балауыз тәрізді болады. Төмен температурада морт, ал 150°C-тан жоғарыда жұмсарып, пышақпен оңай кесіледі.
Ерекше белгілері
- Ауада оңай тотығып, қараңғыда әлсіз жарық шығарады (люминесценция).
- Сәл қыздырса немесе үйкесе, тез тұтанады; жанғанда көп жылу бөледі.
- Тотығу кезінде бөлінген жылудың әсерінен өздігінен жануы мүмкін.
Қауіпсіздік және ерігіштік
- Өте күшті у, өзіне тән иісі бар.
- Тотығудан сақтау үшін су астында сақталады: суда ерімейді.
- Көміртек дисульфидінде және бензолда ериді.
Ақ фосфордың құрылымы
Ақ фосфордың кристалдық торы — молекулалық тор. Оның молекуласы төрт атомнан тұрады және дұрыс үш қырлы пирамидаға ұқсас: әрбір атом пирамиданың төбелерінде орналасады. Молекулалық торлы заттарға тән қасиет ретінде ақ фосфор жеңіл балқиды және ұшқыш.
Қызыл фосфор
Ақ фосфорды 280–340°C аралығында ауа қатыстырмай қыздырса, ол аллотропиялық екінші түрге — қызыл фосфорға айналады. Сонымен қатар ақ фосфорды ұзақ сақтағанда жарықтың әсерінен өте баяу қызыл фосфорға ауысуы мүмкін; сатудағы ақ фосфордың сарғыш тартуы осы құбылыспен түсіндіріледі.
- Қызыл фосфор ақ фосфордан өзгеше: оны әдеттегідей балқыту қиын, қыздырғанда тікелей буға айналуы мүмкін (шамамен 416°C маңында сублимация/булану байқалады).
- Буын жинап салқындатса, қайтадан ақ фосфор түзіледі.
- Ауада өте баяу тотығады, қараңғыда жарық шығармайды.
- Тек жоғары температурада (шамамен 260°C-тан жоғары) жанады.
- Көміртек дисульфидінде де, бензолда да ерімейді; улы емес.
- Меншікті салмағы шамамен 2,20; құрылысы полимерленген, күрделірек жүйе ретінде қарастырылады.
Қара фосфор
Қара фосфорды алу үшін ақ фосфорды шамамен 200°C-та және өте жоғары қысымда (≈1,2×10¹⁰ Па) қыздырады. Кейінгі зерттеулерде қысымсыз жағдайда сынап катализаторы көмегімен алу тәсілдері де көрсетілген.
Қара фосфордың құрылымында атомдар коваленттік байланыспен байланысып, алтыбұрышты торлы қабаттар түзуі мүмкін. Құрылымының өзгешелігі оның қасиеттерін басқа аллотроптардан айқын ажыратады.
Химиялық қасиеттері
Химиялық қасиеті бойынша фосфор — өте реакцияласқыш элемент. Ол көптеген заттармен тікелей қосылып, едәуір мөлшерде жылу бөледі. Ең оңай әрекеттесетін жұптардың қатарына оттек, галогендер, күкірт және кейбір металдар жатады.
Құрылым мен белсенділік байланысы
Жай заттардың белсенділігі олардың құрылымына өте тәуелді. Ақ фосфор мен қызыл фосфордың химиялық белсенділігінің айырмасы айқын: ақ фосфор ауада оңай тотығып, тіпті өздігінен тұтанып кетуі мүмкін, ал қызыл фосфордың тұтануы үшін жоғарырақ температура қажет (шамамен 240°C-тан жоғары).
Ақ фосфор тотығу кезінде қараңғыда жарық шығарады — бұл құбылыста химиялық энергияның бір бөлігі тікелей жарық энергиясына айналады.
Тікелей қосылу реакциялары (мысалдар)
Күкіртпен
2P + 3S → P₂S₃
Металмен (кальций)
2P + 3Ca → Ca₃P₂
Хлормен (аралық сатылар мүмкін)
PCl₃ + Cl₂ → PCl₅
Ескерту: реакциялар нақты жағдайларға (температура, реагенттердің артық мөлшері, орта) тәуелді түрде әртүрлі өнімдер бере алады.
Фосфидтер және фосфиннің түзілуі
Фосфордың металдармен қосылыстары фосфидтер деп аталады. Олар сумен әрекеттесіп, сарымсақ иісті, өте улы және тұрақсыз газ — фосфин (PH₃) түзеді:
Ca₃P₂ + 6H₂O → 3Ca(OH)₂ + 2PH₃↑