Электронная формула фосфора: свойства удивительного элемента

Фосфор - один из самых удивительных и загадочных элементов нашей планеты. Узнайте в этой статье о его электронной формуле и многочисленных свойствах.

Общая информация о фосфоре

Фосфор был открыт в 1669 году гамбургским алхимиком Хеннигом Брандом. Он искал философский камень и вместо этого получил светящееся белое вещество, которое назвал "холодным огнем".

В периодической системе Д.И. Менделеева фосфор находится в 15 группе, 3 периоде. Его порядковый номер - 15, поэтому в нейтральном состоянии ядро атома фосфора содержит 15 протонов и 15 электронов.

Электронная формула фосфора выглядит так: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³.

На внешнем энергетическом уровне находятся 5 электронов. Из них 2 электрона заполняют s-орбиталь, а 3 электрона - p-орбиталь. Незавершенная p-орбиталь определяет валентность фосфора, равную 3.

При нормальных условиях фосфор находится в твердом агрегатном состоянии. Это кристаллическое вещество, плотность которого зависит от аллотропной модификации. Например, плотность белого фосфора составляет около 1,8 г/см3. Фосфор не растворяется в воде, но хорошо растворяется в органических растворителях.

Химически фосфор очень активен. Он легко окисляется кислородом воздуха даже при комнатной температуре с испусканием света. Также фосфор вступает в реакции с галогенами, серой, некоторыми металлами.

• 4P + 5O₂ → 2P₂O₅ (окисление кислородом)
• 2P + 3Cl₂ → 2PCl₃ (взаимодействие с хлором)

В живых организмах фосфор выполняет важнейшие функции, входя в состав ДНК, АТФ, клеточных мембран. Он необходим для жизнедеятельности любого организма.

В промышленности соединения фосфора широко используются для производства удобрений, кормовых добавок, моющих средств. Также фосфор применяют в пищевой промышленности в качестве пищевой добавки E338.

Аллотропные модификации фосфора

Фосфор способен существовать в нескольких аллотропных модификациях, отличающихся друг от друга строением, физическими и химическими свойствами. Рассмотрим основные из них.

Белый фосфор

Белый фосфор представляет собой белое воскообразное вещество, легко режущееся ножом. Его молекулы имеют тетраэдрическое строение с формулой P₄.

Эта модификация фосфора обладает высокой химической активностью и ядовита. На воздухе белый фосфор медленно окисляется с испусканием зеленоватого свечения.

Получают белый фосфор путем восстановления фосфоритов углем при высокой температуре с последующей конденсацией паров под водой:

2Ca₃(PO₄)₂ + 10C → P₄ + 10CO + 6CaO

Из-за высокой реакционной способности и токсичности применение белого фосфора ограничено. Его используют для синтеза некоторых пестицидов, а также в пиротехнике.

Красный фосфор

Красный фосфор представляет собой темно-красные или фиолетовые кристаллы. Это полимер со структурой P_n, где n может достигать 1000.

По сравнению с белым фосфором, красный фосфор значительно менее химически активен и практически нетоксичен. Он не светится на воздухе и не самовоспламеняется при температуре ниже 250°С.

Получают красный фосфор нагреванием белого фосфора без доступа воздуха или обработкой парами свинца.

Благодаря химической стабильности, красный фосфор широко используется в промышленности. Его добавляют в термообработанные мясные изделия, а также используют для изготовления спичечных головок.

Черный фосфор

Черный фосфор представляет собой черные блестящие кристаллы, похожие на графит. Он имеет самую высокую плотность среди модификаций фосфора - 2,69 г/см3.

В отличие от белого фосфора, черный фосфор абсолютно инертен химически. Его невозможно поджечь без предварительного сильного нагревания в кислородной атмосфере.

Получают черный фосфор воздействием высокого давления порядка 10 000 атм и температуры 200°С на белый фосфор.

Из-за высокой химической стабильности применение черного фосфора пока ограничено. В будущем его можно использовать в микроэлектронике благодаря полупроводниковым свойствам.

Как видно из таблицы, аллотропные модификации фосфора сильно различаются по свойствам. Это объясняется разницей в строении их молекул, что находит отражение в электронных формулах.

Например, для белого фосфора электронная формула выглядит так:

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³

А для красного фосфора она значительно сложнее из-за наличия цепочечных и кластерных структур с высоким значением n:

(P_n)_x, где n = 100..1000

Поэтому для разных модификаций фосфора приходится составлять электронные формулы, отражающие особенности их молекулярного строения.