Mikä on P4O10: Fosforipentoksidi
Fosforipentoksidi on kemiallisen kaavan P4O10 omaavan yhdisteen yleisnimi. Fosforipentoksidi on kovalenttinen yhdiste, joka koostuu 4 fosfori- (P) atomista ja 10 happiatomista (O). Siitä käytetään joskus nimityksiä difosforipentoksidi, fosforianhydridi ja tetrafosforidekoksidi.
”Ilman fosforia ei olisi ajatuksia.” – Ludwig Buchner
VAROITUS
Fosforipentoksidi on huoneenlämmössä kiinteä, valkoinen, vahamainen aine, jolla on neljä erilaista kiderakennetta. Se on fosforihapon anhydridi ja hyvin hygroskooppinen, eli se imee helposti vettä ympäröivästä ilmakehästä. Näin ollen fosforipentoksidia käytetään usein kuivausaineena pitämään paikat kuivina ja vapaana ilmankosteudesta.
Varastoitaessa fosforipentoksidi reagoi ilmakehän kanssa muodostaen yhdisteen ympärille fosforihappokuorta. Tämä happokerros voi estää fosforipentoksidia vetämästä vettä ilmasta, mikä voi heikentää sen tehokkuutta kuivausaineena. Tämän estämiseksi fosforipentoksidi käsitellään yleensä rakeiseen muotoon kuivausainekäyttöä varten. Historiallisesti fosforipentoksidia valmistettiin valkoisen fosforin ja hapen reaktiolla, mutta muut tehokkaammat tuotantomenetelmät ovat saaneet etusijan.
Molekyylinen vs. empiirinen kaava
Tarkkasilmäinen lukija saattaa huomata jotain outoa. Mikä on kemiallisen kaavan P4O10 omaava yhdiste nimeltään fosforipentoksidi? Onhan pent- kemiallisen nimikkeistön etuliite, joka tarkoittaa ”viisi”, ja kaava P4O10 osoittaa selvästi, että siinä on 10 happigeeniä. Mistä se johtuu?
Kemiassa on kahdenlaisia kemiallisia kaavoja, molekyylikaava ja empiirinen kaava. Molemmat kuvaavat tietyn yhdisteen atomin rakenneosia, mutta eri tavoin. Molekyylikaava kertoo, millaisia ja kuinka monta atomia yhdisteen vapaassa yksittäisessä molekyylissä on. Empiirinen kaava kertoo yhdisteen alkuaineiden yksinkertaisimman kokonaislukusuhteen. Kahdella yhdisteellä voi olla sama molekyylikaava ja sama empiirinen kaava, kuten asetyleenillä (C2H2) ja bentseenillä (C6H6), joiden molempien empiirinen kaava on CH. Samoin sekä eteenin (C2H4) että buteenin (C4H8) empiirinen kaava on CH2. Yhdisteen molekyylikaava on joko yhtä suuri kuin sen empiirinen kaava tai se on sen empiirisen kaavan kokonaislukukerroin.
Joskus yhdisteen yleisnimi johdetaan molekyylikaavan sijasta sen empiirisestä kaavasta. Näin on esimerkiksi fosforidioksidin kohdalla. Fosforipentoksidin molekyylikaava on P4O10, joten sen empiirinen kaava on P2O5. Pentoksidissa oleva ”pent-” tulee empiirisestä kaavasta P2O5.
Fosforipentoksidin tapauksessa molekyylit, joiden kaava on P2O5, yhdistyvät toisiinsa muodostaen suurempia P4O10-molekyylejä. Vaikka fosforipentoksidin molekyylikaava on siis P4O10, sitä kutsutaan silti fosforipentoksidiksi sen empiirisen kaavan P2O5 vuoksi.
Fosforipentoksidi: Fysikaaliset ominaisuudet
”Kuka tietää, eikö ole totta, että fosfori ja mieli eivät ole sama asia?” – Stendhal
Fosforipentoksidi on ainutlaatuinen siinä mielessä, että se voi esiintyä jopa neljässä eri polymorfissa. Yleisin muoto on yksi molekyyli P4O10, joka muodostuu kahden pienemmän P2O5-molekyylin yhteenkuuluvuudesta. P2O5:llä on hyvin epävakaa molekyylikonfiguraatio, joten kaksi molekyyliä yhdistyy suuremmaksi yksittäiseksi P4O10-molekyyliksi ja järjestäytyy seuraavan kaavion mukaisesti:
Tämä erityinen konfiguraatio rakentuu neljäksi tetraedriksi, joista kukin jakaa yhden jalan toisen kanssa. Kukin tetraedri koostuu keskeisestä fosforiatomista, jota ympäröi 4 happiatomia, joissa kunkin tetraedrin kolme perushappiatomia on jaettu. Yksittäinen fosforipentoksidin molekyyli näyttää hieman pieneltä kuusikulmaiselta solulta, jonka sivuilta työntyvät päätehappiatomit. Molekyylien erityinen konfiguraatio tekee fosforipentoksidista vähemmän tiheää kuin useimmat kiteiset kiinteät aineet, sillä sen tiheys on vain 2,3 g/cm3. Fosforipentoksidin geometrinen rakenne on samankaltainen kuin hiilivetyjen kiteellä adamantaanilla, ja sen sulamispiste on kovalenttisesti sidotuille yhdisteille suhteellisen korkea, 340 °C:ssa. Fosforipentoksidin kiehumispiste on vain 20 °C korkeampi kuin sen sulamispiste, joten se jättää usein sulamisen väliin ja sublimoituu suoraan kaasuksi.
Fosforipentoksidimolekyylin heksagonaalista solukkoa pitävät koossa heikot van der Waalsin voimat – molekyylien välinen sähköstaattinen vetovoima. Fosforipentoksidi sisältää 6 P-O-P-sidosta ja 4 P=O-sidosta. P-O-P-sidosten dipoli-dipoli-vuorovaikutukset pitävät molekyylin koossa. P-O-P-sidokset ovat polaarisia, ja happiatomin valenssi on negatiivinen.
Kaikki fosforipentoksidin polymorfit perustuvat fosfori- ja happiatomien tetraedrijärjestelyihin. Ne muodostuvat yleensä P=O-kaksoissidoksilla, kuten alla esitetty o’-(P2O5)-muoto.
Monien polymorfien molekyylijärjestelyt poikkeavat hieman tavallisesta fosforipentoksidista. Esimerkiksi vakaa ”O”-muoto koostuu P6O6-renkaiden syklisistä järjestelyistä, jotka muistuttavat erilaisten silikaattimineraalien rakennetta. Yksi fosforipentoksidin polymorfi on amorfinen lasi, joka syntyy sulattamalla yhteen mitä tahansa kahta eri polymorfia.
Fosforipentoksidi: Kemialliset ominaisuudet
Fosforipentoksidi on polaarinen yhdiste. Hapen ja fosforin elektronegatiivisuusero on 1,4, joten P-O-sidokset ovat luonteeltaan melko polaarisia. Vaikka fosforipentoksidi on polaarinen, se ei liukene veteen, koska se sen sijaan käy läpi eksotermisen hydrolyysin. Fosforipentoksidi on anhydridi, mikä tarkoittaa, että se muodostuu poistamalla vettä (H2O) yhdisteestä. Fosforipentoksidi on fosforihapon (H3PO4) vastaava anhydridi, ja se reagoi väkivaltaisesti veden kanssa muodostaen fosforihappoa yhtälön mukaisesti:
P4O10 + 6H2O → 4H3PO4
Tämän reaktion muutosentalpia on -177 kJ/mol, mikä tarkoittaa, että jokaista yhtä moolia P4O10 kohti vapautuu 177 kJ energiaa lämmön muodossa. Tämä reaktio veden kanssa on yksi tärkeimmistä menetelmistä, joilla tuotetaan teollisia määriä fosforihappoa, joka on erittäin tärkeä lannoitteiden ainesosa.
Fosforipentoksidi on palamatonta eikä reagoi hapen kanssa liekkiä tuottaen. Fosforipentoksidin hydrolyysireaktio veden ja vettä sisältävien aineiden, kuten puun, kanssa on kuitenkin hyvin eksoterminen ja voi vapauttaa riittävästi energiaa katalysoimaan palamisreaktion vettä sisältävän aineen ja ilmakehän välillä. Fosforipentoksidi on hyvin syövyttävää metallille ja muodostaa erilaisia metallioksideja ja fosfaattimetalleja joutuessaan kosketuksiin metallien kanssa. Se on myös hyvin syövyttävää ihmiskudokselle ja voi aiheuttaa kemiallisia palovammoja ja hengitystietulehduksia jo pieninä pitoisuuksina.
Fosforipentoksidi: Fosforipentoksidi: Tuotanto ja käyttö
Historiallisesti fosforipentoksidin ensisijainen valmistusmenetelmä on alkuainemaisen fosforin ja hapen palaminen. Valkoinen fosfori, yksi alkuainefosforin allotroopeista, koostuu molekyyleistä, jotka koostuvat neljästä tetraedriseen rakenteeseen järjestetystä fosforiatomista. Alkuainetetrafosfori palaa hapessa muodostaen fosforipentoksidia seuraavan reaktion mukaisesti:
P4 + 5O2 → P4O10
Suurimmaksi osaksi tällä tavoin tuotettua fosforipentoksidia käytetään fosforihapon valmistukseen, vaikka viimeaikaiset menetelmät ovat poistaneet tarpeen lähteä liikkeelle valkoisesta fosforista fosforihapon valmistamiseksi.
Fosforipentoksidin pääasiallinen käyttötarkoitus on kuivausaineena. Koska se reagoi helposti veden kanssa, fosforipentoksidi voi vetää ilmakehästä vesijäämiä ja pitää tilan kuivana ja kosteudettomana. Veden hydrolysoituessa fosforipentoksidin kanssa muodostuu fosforihappoa sisältävä kumimainen kerros, joka voi estää fosforipentoksidin vedenpoisto-ominaisuudet. Tämän vuoksi suurin osa teolliseen käyttöön käytettävästä fosforipentoksidista valmistetaan rakeisessa muodossa. Fosforipentoksidia ei ole mahdollista muodostaa fosforihapon dehydraation kautta, sillä reaktion katalysoimiseen tarvittava lämpö riittää kiehuttamaan ylimääräisen veden pois.
Fosforipentoksidin kuivausaineominaisuuksia hyödynnetään usein useiden happojen muuntamisessa niiden vastaaviksi anhydrideiksi. Esimerkiksi fosforipentoksidi muuntaa typpihapon (HNO3) sen anhydridiksi, dityppioksidipentoksidiksi (N2O5). Se muuntaa myös rikkihapon (H2SO4) rikkitrioksidiksi (SO3) poistamalla yhden hapen ja kaksi vetygeeniä; yhden vesimolekyylin, ja se muuntaa vetyperkloraatin (HClO4) diklooriheptoksidiksi (Cl2O7).
”Määrittelemme orgaanisen kemian hiiliyhdisteiden kemiaksi.” – August Kekule
Suurinta osaa fosforipentoksidista, jota ei käytetä kuivausaineena, käytetään välireaktantteina muiden yhdisteiden muodostamiseen. Orgaanisessa kemiassa fosforipentoksidia käytetään orgaanisten yhdisteiden dehydratointiin, kuten amidien muuttamiseen nitriileiksi, joka on tärkeä orgaanisten molekyylien luokka, jota käytetään kumin valmistuksessa ja laboratoriomenetelmissä.
Yhteenvetona voidaan todeta, että fosforipentoksidi on kovalenttinen anhydridiyhdiste, joka muodostuu alkuainemuotoisen fosforin ja hapen palamisen kautta. Fosforipentoksidi on erittäin hygroskooppinen, joten se vetää vettä lähiympäristöstä ja reagoi muodostaen fosforihappoa. Fosforipentoksidia käytetään tavallisesti teollisena kuivausaineena, ja se toimii välireaktanttina happojen muuttamisessa anhydridiyhdisteiksi. Vaikka yhdisteen yhden molekyylin molekyylikaava on P4O10, sitä kutsutaan silti fosforipentoksidiksi sen empiirisen kaavan P2O5 perusteella. Fosforipentoksidi on ainutlaatuinen siinä mielessä, että sitä esiintyy useina eri polymorfioina, joilla on erilainen molekyyligeometria. Yleisin muoto on heksagonaalinen solu, joka koostuu neljästä erillisestä fosforin tetraedristä. Fosforipentoksidi syövyttää metalleja ja voi vahingoittaa ihmiskudosta jo pieninä pitoisuuksina.