Qué es el P4O10: pentóxido de fósforo
Pentóxido de fósforo es el nombre común del compuesto con fórmula química P4O10. El pentóxido de fósforo es un compuesto covalente formado por 4 átomos de fósforo (P) y 10 átomos de oxígeno (O). A veces se denomina pentóxido de difósforo, anhídrido fosfórico y decóxido de tetra fósforo.
«Sin el fósforo, no habría pensamientos». – Ludwig Buchner
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El pentóxido de fósforo es una sustancia sólida, blanca y cerosa a temperatura ambiente y se presenta en 4 estructuras cristalinas distintas. Es un anhídrido del ácido fosfórico y es muy higroscópico, lo que significa que absorbe fácilmente el agua de la atmósfera circundante. Como tal, el pentóxido de fósforo se utiliza a menudo como desecante para mantener los lugares secos y libres de humedad en el aire.
Mientras se almacena, el pentóxido de fósforo reaccionará con la atmósfera para formar una piel de ácido fosfórico alrededor del compuesto. Esta capa de ácido puede impedir que el pentóxido de fósforo extraiga agua del aire, lo que puede hacer que sea menos eficaz como desecante. Para evitarlo, el pentóxido de fósforo suele procesarse en forma granular para su uso como desecante. Históricamente, el pentóxido de fósforo se creaba a través de una reacción con fósforo blanco y oxígeno, pero otros métodos de producción más eficientes han tenido prioridad.
Fórmula molecular frente a fórmula empírica
Un lector avispado puede notar algo extraño. ¿Por qué el compuesto con la fórmula química P4O10 se llama pentóxido de fósforo? Después de todo, pent- es el prefijo de la nomenclatura química que significa «cinco», y la fórmula P4O10 indica claramente que hay 10 oxígenos. ¿Qué significa?
En química, hay dos tipos de fórmulas químicas, la fórmula molecular y la fórmula empírica. Ambas representan los constituyentes atómicos de un determinado compuesto, pero de forma diferente. La fórmula molecular indica el tipo y el número de átomos de una sola molécula independiente del compuesto. La fórmula empírica indica la proporción entera más simple de elementos en un compuesto. Dos compuestos pueden tener fórmulas moleculares diferentes y la misma fórmula empírica, como el acetileno (C2H2) y el benceno (C6H6), que comparten la fórmula empírica de CH. Asimismo, la fórmula empírica del etileno (C2H4) y del buteno (C4H8) es CH2. La fórmula molecular de un compuesto es igual o es un número entero múltiplo de su fórmula empírica.
A veces, el nombre común de un compuesto se deriva de su fórmula empírica en lugar de su fórmula molecular. Tal es el caso del dióxido de fósforo. El pentóxido de fósforo tiene una fórmula molecular de P4O10 y, por tanto, una fórmula empírica de P2O5. El «pent-» de «pentóxido» proviene de la fórmula empírica P2O5.
En el caso del pentóxido de fósforo, las moléculas con una fórmula de P2O5 se asociarán entre sí para formar moléculas más grandes de P4O10. Por lo tanto, aunque la fórmula molecular del pentóxido de fósforo es P4O10, se sigue llamando pentóxido de fósforo por su fórmula empírica P2O5.
Pentóxido de fósforo: Propiedades físicas
«¿Quién sabe si no es cierto que el fósforo y la mente no son la misma cosa?». – Stendhal
El pentóxido de fósforo es único porque puede existir hasta en 4 polimorfos distintos. La forma más común es una sola molécula de P4O10, que se forma a partir de la cohesión de dos moléculas más pequeñas de P2O5. El P2O5 tiene una configuración molecular muy inestable, por lo que dos moléculas se unen para formar una sola molécula más grande de P4O10, y se organizan según el siguiente diagrama:
Esta configuración particular está estructurada como 4 tetraedros, cada uno de los cuales comparte un cateto con otro. Cada tetraedro está compuesto por un átomo de fósforo central rodeado por 4 átomos de oxígeno, donde se comparten los tres átomos de oxígeno base de cada tetraedro. Una sola molécula de pentóxido de fósforo se parece un poco a una pequeña célula hexagonal con átomos de oxígeno terminales que sobresalen de los lados. La particular configuración de las moléculas hace que el pentóxido de fósforo sea menos denso que la mayoría de los sólidos cristalinos, con una densidad de sólo 2,3 g/cm3. La estructura geométrica del pentóxido de fósforo es similar a la del cristal de hidrocarburo adamantano y tiene un punto de fusión relativamente alto para compuestos con enlaces covalentes, de 340 °C. El punto de ebullición del pentóxido de fósforo es sólo 20 °C más alto que su punto de fusión, por lo que a menudo se salta la fusión y se sublima directamente en un gas.
La célula hexagonal de una molécula de pentóxido de fósforo se mantiene unida por débiles fuerzas de van der Waals -la atracción electrostática entre moléculas. El pentóxido de fósforo contiene 6 enlaces P-O-P y 4 enlaces P=O. Las interacciones dipolo-dipolo de los enlaces P-O-P son las que mantienen unida la molécula. Los enlaces P-O-P son polares con una valencia negativa en el átomo de oxígeno.
Todos los polimorfos del pentóxido de fósforo se basan en disposiciones tetraédricas de los átomos de fósforo y oxígeno. Generalmente se forman con dobles enlaces P=O como la forma o’-(P2O5) que se muestra a continuación.
Muchos de los polimorfos tienen una disposición molecular ligeramente diferente a la del pentóxido de fósforo normal. Por ejemplo, la forma «O» estable consiste en arreglos cíclicos de anillos P6O6, similares a la estructura de varios minerales de silicato. Uno de los polimorfos del pentóxido de fósforo es un vidrio amorfo creado por la fusión de dos polimorfos diferentes.
Pentóxido de fósforo: Propiedades químicas
El pentóxido de fósforo es un compuesto polar. La diferencia de electronegatividad entre el oxígeno y el fósforo es de 1,4, lo que hace que los enlaces P-O sean bastante polares por naturaleza. A pesar de que el pentóxido de fósforo es polar, no se disuelve con el agua porque sufre una hidrólisis exotérmica. El pentóxido de fósforo es un anhídrido, lo que significa que se forma al eliminar el agua (H2O) de un compuesto. El pentóxido de fósforo es el anhídrido correspondiente del ácido fosfórico (H3PO4) y reaccionará violentamente con el agua para formar fosfórico, según la ecuación:
P4O10 + 6H2O → 4H3PO4
La entalpía de cambio de esta reacción es de -177 kJ/mol, lo que significa que por cada mol de P4O10 se liberan 177 kJ de energía en forma de calor. Esta reacción con el agua es uno de los principales métodos para producir cantidades industriales de ácido fosfórico, un ingrediente extremadamente importante en los fertilizantes.
El pentóxido de fósforo no es combustible y no reacciona con el oxígeno para producir una llama. Sin embargo, la reacción de hidrólisis del pentóxido de fósforo con el agua y las sustancias que contienen agua, como la madera, es muy exotérmica y puede liberar suficiente energía para catalizar una reacción de combustión entre el material que contiene agua y la atmósfera. El pentóxido de fósforo es muy corrosivo para el metal y formará varios óxidos metálicos y fosfatos cuando entre en contacto con los metales. También es muy corrosivo para los tejidos humanos y puede causar quemaduras químicas e inflamación respiratoria, incluso a bajas concentraciones.
Pentóxido de fósforo: Producción y uso
Históricamente el método principal de formación de pentóxido de fósforo es a través de la combustión de fósforo elemental y oxígeno. El fósforo blanco, uno de los alótropos del fósforo elemental, está formado por moléculas compuestas por 4 átomos de fósforo dispuestos en una estructura tetraédrica. El tetra fósforo elemental se quema en el oxígeno para formar pentóxido de fósforo de acuerdo con la siguiente reacción:
P4 + 5O2 → P4O10
La mayor parte del pentóxido de fósforo que se produce de esta manera es para hacer ácido fosfórico, aunque los métodos recientes han eliminado la necesidad de empezar con el fósforo blanco para hacer ácido fosfórico.
El principal uso del pentóxido de fósforo es como desecante. Como reacciona fácilmente con el agua, el pentóxido de fósforo puede extraer trazas de agua de la atmósfera para mantener un espacio seco y sin humedad. La hidrólisis del agua con el pentóxido de fósforo crea una capa gomosa de ácido fosfórico que puede inhibir sus propiedades de eliminación de agua. Por ello, la mayor parte del pentóxido de fósforo utilizado con fines industriales se fabrica en forma granular. No es posible formar pentóxido de fósforo a través de la deshidratación del ácido fosfórico, ya que el calor necesario para catalizar la reacción es suficiente para hervir cualquier exceso de agua.
Las propiedades desecantes del pentóxido de fósforo se utilizan a menudo para convertir una serie de ácidos en sus correspondientes anhídridos. Por ejemplo, el pentóxido de fósforo convierte el ácido nítrico (HNO3) en su anhídrido pentóxido de dinitrógeno (N2O5). También convertirá el ácido sulfúrico (H2SO4) en trióxido de azufre (SO3) eliminando un oxígeno y dos hidrógenos; una sola molécula de agua, y convertirá el perclorato de hidrógeno (HClO4) en heptóxido de dicloro (Cl2O7).
«Definimos la química orgánica como la química de los compuestos de carbono». – August Kekule
La mayor parte del pentóxido de fósforo que no se utiliza como desecante se emplea como reactivo intermedio para crear otros compuestos. En química orgánica, el pentóxido de fósforo se utiliza para deshidratar compuestos orgánicos, como la conversión de amidas en nitrilos, una clase importante de moléculas orgánicas utilizadas en la fabricación de caucho y en procedimientos de laboratorio.
En resumen, el pentóxido de fósforo es un compuesto covalente anhídrido que se forma a través de la combustión de fósforo elemental y oxígeno. El pentóxido de fósforo es altamente higroscópico, por lo que extraerá agua del entorno cercano y reaccionará para formar ácido fosfórico. El pentóxido de fósforo se utiliza normalmente como desecante industrial y desempeña un papel como reactivo intermedio para convertir los ácidos en sus homólogos anhídridos. Aunque una sola molécula del compuesto tiene una fórmula molecular de P4O10, se sigue llamando pentóxido de fósforo por su fórmula empírica P2O5. El pentóxido de fósforo es único porque existe en varios polimorfos diferentes que tienen distintas geometrías moleculares. La forma más común es una célula hexagonal compuesta por 4 tetraedros de fósforo distintos. El pentóxido de fósforo es corrosivo para los metales y puede dañar los tejidos humanos incluso en pequeñas concentraciones.