Co to jest P4O10: pięciotlenek fosforu
Pięciotlenek fosforu to potoczna nazwa związku o wzorze chemicznym P4O10. Pięciotlenek fosforu jest związkiem kowalencyjnym, który składa się z 4 atomów fosforu (P) i 10 atomów tlenu (O). Czasami określa się go jako pentatlenek difosforu, bezwodnik fosforowy i dekatlenek tetrafosforu.
„Bez fosforu nie byłoby myśli.” – Ludwig Buchner
ADWODOROTLENEK
Pięciotlenek fosforu jest stałą, białą, woskową substancją w temperaturze pokojowej i występuje w 4 wyraźnych strukturach krystalicznych. Jest bezwodnikiem kwasu fosforowego i jest bardzo higroskopijny, co oznacza, że łatwo absorbuje wodę z otaczającej atmosfery. Jako takie, pięciotlenek fosforu jest często używany jako środek osuszający, aby utrzymać miejsca suche i wolne od wilgoci zawartej w powietrzu.
Podczas przechowywania, pięciotlenek fosforu będzie reagować z atmosferą, tworząc skórę kwasu fosforowego wokół związku. Ta warstwa kwasu może zapobiec pięciotlenku fosforu z rysunek wody z powietrza, co może uczynić go mniej skuteczne jako środek osuszający. Aby temu zapobiec, pięciotlenek fosforu jest zwykle przetwarzany na postać granulatu do stosowania jako środek osuszający. Historycznie, pięciotlenek fosforu został stworzony poprzez reakcję z białym fosforem i tlenem, ale inne bardziej wydajne metody produkcji miały pierwszeństwo.
Molecular Vs. Empirical Formula
Bystry czytelnik może zauważyć coś dziwnego. Co to jest związek o wzorze chemicznym P4O10 o nazwie pięciotlenek fosforu? Po tym wszystkim, pent- jest przedrostek nomenklatury chemicznej, co oznacza „pięć”, a wzór P4O10 wyraźnie wskazuje, że istnieje 10 oksygenów. Co z tego wynika?
W chemii istnieją dwa rodzaje wzorów chemicznych, wzór cząsteczkowy i wzór empiryczny. Oba przedstawiają składniki atomowe danego związku, ale w różny sposób. Wzór molekularny mówi o rodzaju i liczbie atomów w wolnostojącej pojedynczej cząsteczce związku. Wzór empiryczny mówi o najprostszym całkowitym stosunku pierwiastków w związku. Dwa związki mogą mieć takie same różne wzory cząsteczkowe i taki sam wzór empiryczny, np. acetylen (C2H2) i benzen (C6H6), z których oba mają wzór empiryczny CH. Podobnie, wzór empiryczny zarówno etylenu (C2H4), jak i butenu (C4H8) to CH2. Wzór cząsteczkowy związku jest albo równy lub jest wielokrotnością liczby całkowitej jego wzoru empirycznego.
Niekiedy nazwa zwyczajowa związku pochodzi od jego wzoru empirycznego zamiast wzoru cząsteczkowego. Tak jest w przypadku dwutlenku fosforu. Pentatlenek fosforu ma wzór cząsteczkowy P4O10 i tak ma wzór empiryczny P2O5. The „pent-” w „pentoxide” pochodzi od wzoru empirycznego P2O5.
W przypadku pięciotlenku fosforu, cząsteczki o wzorze P2O5 będzie łączyć się ze sobą, tworząc większe cząsteczki P4O10. Więc nawet jeśli wzór molekularny pięciotlenku fosforu jest P4O10, to nadal jest nazywany pięciotlenek fosforu ze względu na jego wzór empiryczny P2O5.
Pięciotlenek fosforu: Właściwości fizyczne
„Kto wie, czy nie jest prawdą, że fosfor i umysł to nie to samo?” – Stendhal
Pięciotlenek fosforu jest wyjątkowy pod tym względem, że może występować aż w 4 odrębnych polimorfach. Najczęstszą formą jest pojedyncza cząsteczka P4O10, która powstaje z połączenia dwóch mniejszych cząsteczek P2O5. P2O5 ma bardzo niestabilną konfigurację molekularną, więc dwie cząsteczki będą łączyć się do większej pojedynczej cząsteczki P4O10, i zorganizować się zgodnie z następującym schematem:
Ta szczególna konfiguracja jest zbudowany jako 4 tetrahedra, każdy dzielący nogę z innym. Każdy czworościan składa się z centralnego atomu fosforu otoczonego przez 4 atomy tlenu, gdzie trzy podstawowe atomy tlenu każdego czworościanu są wspólne. Pojedyncza cząsteczka pięciotlenku fosforu wygląda trochę jak mała sześciokątna komórka z terminalnymi atomami tlenu wystającymi z boków. Szczególna konfiguracja cząsteczek sprawia, że pięciotlenek fosforu jest mniej gęsty niż większość krystalicznych ciał stałych, o gęstości tylko 2,3 g/cm3. Geometryczna struktura pięciotlenku fosforu jest podobny do kryształu węglowodoru adamantan i ma stosunkowo wysoką temperaturę topnienia dla związków związanych kowalencyjnie w 340 ° C. Temperatura wrzenia pięciotlenku fosforu jest tylko 20 ° C wyższa niż jego temperatura topnienia, więc często pomija topnienia i sublimacji bezpośrednio do gazu.
Hexagonalna komórka cząsteczki pięciotlenku fosforu jest utrzymywana razem przez słabe siły van der Waalsa – elektrostatyczne przyciąganie między cząsteczkami. Pięciotlenek fosforu zawiera 6 wiązań P-O-P i 4 wiązania P=O. Oddziaływania dipol-dipol wiązań P-O-P są tym, co utrzymuje cząsteczkę razem. Wiązania P-O-P są polarne z ujemną walencją na atomie tlenu.
Wszystkie polimorfy pięciotlenku fosforu są oparte wokół tetraedrycznych układów atomów fosforu i tlenu. Zazwyczaj są one utworzone z P=O wiązań podwójnych, takich jak o’-(P2O5) postaci pokazano poniżej.
Wiele z polimorfów mają nieco inny układ molekularny niż regularne pięciotlenku fosforu. Na przykład, stabilny „O” forma składa się z cyklicznych układów pierścieni P6O6, podobne do struktury różnych minerałów krzemianowych. Jednym z polimorfów pięciotlenku fosforu jest amorficzne szkło utworzone przez stopienie razem dwóch różnych polimorfów.
Pięciotlenek fosforu: Właściwości chemiczne
Pięciotlenek fosforu jest związkiem polarnym. Różnica elektronegativity między tlenem i fosforem jest 1,4, co sprawia, że wiązania P-O raczej polarny w przyrodzie. Mimo że pięciotlenek fosforu jest polarny, nie zostanie rozpuszczony przez wodę, ponieważ zamiast tego ulega egzotermicznej hydrolizie. Pięciotlenek fosforu jest bezwodnikiem, co oznacza, że powstaje poprzez usunięcie wody (H2O) z jakiegoś związku. Pięciotlenek fosforu jest odpowiednim bezwodnikiem kwasu fosforowego (H3PO4) i gwałtownie reaguje z wodą, tworząc fosfor, zgodnie z równaniem:
P4O10 + 6H2O → 4H3PO4
Entalpia przemiany tej reakcji wynosi -177 kJ/mol, co oznacza, że na każdy 1 mol P4O10 przypada 177 kJ energii uwolnionej w postaci ciepła. Ta reakcja z wodą jest jedną z głównych metod produkcji przemysłowych ilości kwasu fosforowego, niezwykle ważnego składnika nawozów sztucznych.
Pięciotlenek fosforu jest niepalny i nie będzie reagował z tlenem w celu wytworzenia płomienia. Jednak reakcja hydrolizy pięciotlenku fosforu z wodą i substancjami zawierającymi wodę, takimi jak drewno, jest bardzo egzotermiczna i może uwolnić wystarczająco dużo energii, aby katalizować reakcję spalania między materiałem zawierającym wodę a atmosferą. Pięciotlenek fosforu jest bardzo żrący dla metalu i w kontakcie z metalami tworzy różne tlenki metali i fosforany. Jest również bardzo żrący dla tkanek ludzkich i może powodować oparzenia chemiczne i zapalenie dróg oddechowych, nawet przy niskich stężeniach.
Phosphorus Pentoxide: Production and Use
Historycznie podstawową metodą tworzenia pięciotlenku fosforu jest spalanie pierwiastka fosforu i tlenu. Fosfor biały, jeden z alotropów fosforu pierwiastkowego, jest zbudowany z cząsteczek składających się z 4 atomów fosforu ułożonych w strukturze tetraedrycznej. Pierwiastek tetra fosforu spala się w tlenie, tworząc pięciotlenek fosforu zgodnie z następującą reakcją:
P4 + 5O2 → P4O10
Większość pięciotlenku fosforu produkowanego w ten sposób jest w celu wytworzenia kwasu fosforowego, chociaż ostatnie metody usunęły potrzebę rozpoczęcia z białego fosforu do produkcji kwasu fosforowego.
Główne zastosowanie pięciotlenku fosforu jest jako środek osuszający. Ponieważ łatwo reaguje z wodą, pięciotlenek fosforu może wyciągnąć śladowe ilości wody z atmosfery, aby utrzymać przestrzeń suchą i wolną od wilgoci. W wyniku hydrolizy wody z pięciotlenkiem fosforu powstaje gumowa warstwa kwasu fosforowego, która może hamować jego właściwości usuwania wody. Z tego powodu większość pięciotlenku fosforu używanego do celów przemysłowych jest produkowana w formie granulatu. Nie jest możliwe, aby utworzyć pięciotlenek fosforu poprzez odwodnienie kwasu fosforowego, ponieważ ciepło wymagane do katalizowania reakcji jest wystarczające do wrzenia z nadmiaru wody.
Właściwości osuszające pięciotlenku fosforu są często wykorzystywane do przekształcania szeregu kwasów do ich odpowiednich bezwodników. Na przykład, pięciotlenek fosforu przekształca kwas azotowy (HNO3) do jego bezwodnika pięciotlenku dinitrogenu (N2O5). Przekształci również kwas siarkowy (H2SO4) w trójtlenek siarki (SO3) przez usunięcie jednego tlenu i dwóch hydrogenów; jednej cząsteczki wody oraz przekształci nadchloran wodoru (HClO4) w heptotlenek dichloru (Cl2O7).
„Chemię organiczną definiujemy jako chemię związków węgla.” – August Kekule
Większość pięciotlenku fosforu, który nie jest używany jako środek osuszający, jest wykorzystywana jako pośredni reagent do tworzenia innych związków. W chemii organicznej pięciotlenek fosforu jest stosowany do odwadniania związków organicznych, jak na przykład przekształcanie amidów w nitryle, ważną klasę cząsteczek organicznych stosowanych w produkcji gumy i procedurach laboratoryjnych.
Podsumowując, pięciotlenek fosforu jest bezwodnym związkiem kowalencyjnym, który powstaje w wyniku spalania fosforu i tlenu. Pięciotlenek fosforu jest wysoce higroskopijny, więc będzie czerpać wodę z pobliskiego środowiska i reagować tworząc kwas fosforowy. Pięciotlenek fosforu jest zwykle stosowany jako przemysłowy środek osuszający i odgrywa rolę pośredniego reagenta w przekształcaniu kwasów w ich bezwodne odpowiedniki. Mimo, że pojedyncza cząsteczka związku ma wzór cząsteczkowy P4O10, nadal jest on nazywany pięciotlenkiem fosforu ze względu na jego wzór empiryczny P2O5. Pentatlenek fosforu jest wyjątkowy, ponieważ istnieje w kilku różnych polimorfów, które mają różne geometrie molekularne. Najczęstszą formą jest sześciokątna komórka składająca się z 4 odrębnych czworościanów fosforu. Pięciotlenek fosforu jest żrący dla metali i może uszkadzać tkanki ludzkie nawet w małych stężeniach.
.