Ce este P4O10: Pentoxidul de fosfor
Pentoxidul de fosfor este denumirea comună a compusului cu formula chimică P4O10. Pentaoxidul de fosfor este un compus covalent care este alcătuit din 4 atomi de fosfor (P) și 10 atomi de oxigen (O). Uneori este denumit pentoxid de difosfor, anhidridă fosforică și decoxid de tetrafosfor.
„Fără fosfor, nu ar exista gânduri.” – Ludwig Buchner
ADVERTISMENT
Pentoxidul de fosfor este o substanță solidă, albă, ceroasă, la temperatura camerei și se prezintă în 4 structuri cristaline distincte. Este o anhidridă a acidului fosforic și este foarte higroscopic, ceea ce înseamnă că absoarbe cu ușurință apa din atmosfera înconjurătoare. Ca atare, pentoxidul de fosfor este adesea folosit ca desicant pentru a menține locurile uscate și lipsite de umiditatea din aer.
În timp ce este depozitat, pentoxidul de fosfor va reacționa cu atmosfera pentru a forma o piele de acid fosforic în jurul compusului. Acest strat de acid poate împiedica pentoxidul de fosfor să extragă apa din aer, ceea ce îl poate face mai puțin eficient ca desicant. Pentru a preveni acest lucru, pentoxidul de fosfor este de obicei transformat într-o formă granulară pentru utilizarea ca desicant. Din punct de vedere istoric, pentoxidul de fosfor a fost creat printr-o reacție cu fosfor alb și oxigen, dar alte metode mai eficiente de producție au avut întâietate.
Formula moleculară vs. formula empirică
Un cititor avizat poate observa ceva ciudat. Ce reprezintă compusul cu formula chimică P4O10 numit pentoxid de fosfor? La urma urmei, pent- este prefixul din nomenclatura chimică care înseamnă „cinci”, iar formula P4O10 indică în mod clar că există 10 oxizi. Ce se întâmplă?
În chimie, există 2 tipuri de formule chimice, formula moleculară și formula empirică. Ambele reprezintă constituenții atomici ai unui anumit compus, dar în moduri diferite. Formula moleculară vă spune tipul și numărul de atomi dintr-o singură moleculă autonomă a compusului. Formula empirică indică cel mai simplu raport întreg de elemente dintr-un compus. 2 compuși pot avea aceleași formule moleculare diferite și aceeași formulă empirică, cum ar fi acetilena (C2H2) și benzenul (C6H6), care au în comun formula empirică CH. De asemenea, formula empirică atât pentru etilenă (C2H4), cât și pentru butenă (C4H8) este CH2. Formula moleculară a unui compus este fie egală cu formula sa empirică, fie este un multiplu întreg al formulei sale empirice.
Oriceori, denumirea comună a unui compus este derivată din formula sa empirică în loc de formula sa moleculară. Așa se întâmplă în cazul dioxidului de fosfor. Pentaoxidul de fosfor are formula moleculară P4O10 și, prin urmare, are formula empirică P2O5. „pent-” din „pentoxid” provine din formula empirică P2O5.
În cazul pentoxidului de fosfor, moleculele cu formula P2O5 se vor asocia unele cu altele pentru a forma molecule mai mari de P4O10. Astfel, chiar dacă formula moleculară a pentoxidului de fosfor este P4O10, acesta se numește în continuare pentoxid de fosfor din cauza formulei empirice P2O5.
Pentoxid de fosfor: Proprietăți fizice
„Cine știe dacă nu cumva este adevărat că fosforul și mintea nu sunt același lucru?” – Stendhal
Pentoxidul de fosfor este unic prin faptul că poate exista în până la 4 polimorfi distincți. Cea mai comună formă este o singură moleculă de P4O10, care se formează din coeziunea a două molecule mai mici de P2O5. P2O5 are o configurație moleculară foarte instabilă, astfel încât două molecule se vor uni pentru a forma o singură moleculă mai mare de P4O10 și se vor aranja conform următoarei diagrame:
Această configurație particulară este structurată ca 4 tetraedre, fiecare împărțind un picior cu alta. Fiecare tetraedru este compus dintr-un atom central de fosfor înconjurat de 4 atomi de oxigen, în care cei trei atomi de oxigen de bază ai fiecărui tetraedru sunt comuni. O singură moleculă de pentoxid de fosfor seamănă puțin cu o celulă hexagonală mică, cu atomi de oxigen terminali care ies în afară din părțile laterale. Configurația specială a moleculelor face ca pentoxidul de fosfor să fie mai puțin dens decât majoritatea solidelor cristaline, cu o densitate de numai 2,3 g/cm3. Structura geometrică a pentoxidului de fosfor este similară cu cea a cristalului de hidrocarburi adamantan și are un punct de topire relativ ridicat pentru compușii legați covalent, de 340 °C. Punctul de fierbere al pentoxidului de fosfor este cu numai 20 °C mai mare decât punctul său de topire, astfel încât adesea va sări peste topire și se va sublima direct într-un gaz.
Celula hexagonală a unei molecule de pentoxid de fosfor este ținută laolaltă de slabe forțe van der Waals – atracția electrostatică dintre molecule. Pentoxidul de fosfor conține 6 legături P-O-P și 4 legături P=O. Interacțiunile dipol-dipol ale legăturilor P-O-P sunt cele care mențin molecula laolaltă. Legăturile P-O-P sunt polare, cu o valență negativă pe atomul de oxigen.
Toate polimorfismele pentoxidului de fosfor se bazează pe aranjamente tetraedrice ale atomilor de fosfor și oxigen. În general, acestea sunt formate cu legături duble P=O, cum ar fi forma o’-(P2O5) prezentată mai jos.
Mulți polimorfi au un aranjament molecular ușor diferit de cel al pentoxidului de fosfor obișnuit. De exemplu, forma stabilă „O” constă în aranjamente ciclice de inele P6O6, asemănătoare cu structura diferitelor minerale de silicat. Unul dintre polimorfi de pentoxid de fosfor este o sticlă amorfă creată prin fuziunea oricăror două polimorfe diferite.
Pentoxid de fosfor: Proprietăți chimice
Pentoxidul de fosfor este un compus polar. Diferența de electronegativitate dintre oxigen și fosfor este de 1,4, ceea ce face ca legăturile P-O să fie mai degrabă de natură polară. Chiar dacă pentoxidul de fosfor este polar, acesta nu va fi dizolvat de apă, deoarece, în schimb, suferă o hidroliză exotermă. Pentoxidul de fosfor este o anhidridă, ceea ce înseamnă că se formează prin eliminarea apei (H2O) dintr-un compus. Pentaoxidul de fosfor este anhidrida corespunzătoare a acidului fosforic (H3PO4) și va reacționa violent cu apa pentru a forma acidul fosforic, conform ecuației:
P4O10 + 6H2O → 4H3PO4
Entalpia de schimbare a acestei reacții este de -177 kJ/mol, ceea ce înseamnă că pentru fiecare 1 mol de P4O10, se eliberează 177 kJ de energie sub formă de căldură. Această reacție cu apa este una dintre principalele metode de producere a cantităților industriale de acid fosforic, un ingredient extrem de important în îngrășăminte.
Pentoxidul de fosfor este incombustibil și nu va reacționa cu oxigenul pentru a produce o flacără. Cu toate acestea, reacția de hidroliză a pentoxidului de fosfor cu apa și substanțele care conțin apă, cum ar fi lemnul, este foarte exotermă și poate elibera suficientă energie pentru a cataliza o reacție de combustie între materialul care conține apă și atmosferă. Pentoxidul de fosfor este foarte coroziv pentru metale și va forma diverși oxizi metalici și metale fosfatice atunci când intră în contact cu metalele. Este, de asemenea, foarte coroziv pentru țesuturile umane și poate provoca arsuri chimice și inflamații respiratorii, chiar și la concentrații mici.
Pentoxid de fosfor: Producere și utilizare
În mod istoric, principala metodă de formare a pentoxidului de fosfor este prin arderea fosforului elementar și a oxigenului. Fosforul alb, unul dintre alotropii fosforului elementar, este alcătuit din molecule compuse din 4 atomi de fosfor dispuși într-o structură tetraedrică. Fosforul tetra elementar arde în oxigen pentru a forma pentoxid de fosfor conform următoarei reacții:
P4 + 5O2 → P4O10
Cel mai mult pentoxid de fosfor produs în acest mod este destinat fabricării acidului fosforic, deși metodele recente au eliminat necesitatea de a începe cu fosfor alb pentru a fabrica acidul fosforic.
Principala utilizare a pentoxidului de fosfor este ca desicant. Deoarece reacționează ușor cu apa, pentoxidul de fosfor poate extrage urme de apă din atmosferă pentru a menține un spațiu uscat și fără umiditate. Hidroliza apei cu pentoxidul de fosfor creează un strat gumos de acid fosforic care poate inhiba proprietățile sale de îndepărtare a apei. Acesta este motivul pentru care cea mai mare parte a pentoxidului de fosfor utilizat în scopuri industriale este fabricat sub formă granulară. Nu este posibil să se formeze pentoxid de fosfor prin deshidratarea acidului fosforic, deoarece căldura necesară pentru a cataliza reacția este suficientă pentru a elimina prin fierbere orice exces de apă.
Proprietățile de deshidratare ale pentoxidului de fosfor sunt adesea folosite pentru a transforma o serie de acizi în anhidridele lor corespunzătoare. De exemplu, pentoxidul de fosfor va transforma acidul azotic (HNO3) în anhidrida sa pentoxidul de diazot (N2O5). De asemenea, va transforma acidul sulfuric (H2SO4) în trioxid de sulf (SO3) prin îndepărtarea unui oxigen și a doi hidrogeni; o singură moleculă de apă și va transforma percloratul de hidrogen (HClO4) în heptoxid de diclor (Cl2O7).
„Definim chimia organică ca fiind chimia compușilor de carbon.” – August Kekule
Majoritatea pentoxidului de fosfor care nu este utilizat ca desicant este folosit ca reactant intermediar pentru a crea alți compuși. În chimia organică, pentoxidul de fosfor este utilizat pentru a deshidrata compușii organici, cum ar fi transformarea amidelor în nitrili, o clasă importantă de molecule organice utilizate în fabricarea cauciucului și în procedurile de laborator.
În rezumat, pentoxidul de fosfor este un compus covalent anhidrid care se formează prin arderea fosforului elementar și a oxigenului. Pentaoxidul de fosfor este foarte higroscopic, astfel încât va atrage apă din mediul apropiat și va reacționa pentru a forma acid fosforic. Pentaoxidul de fosfor este utilizat în mod normal ca desicant industrial și joacă un rol de reactant intermediar pentru a transforma acidul în omologii săi anhidrizi. Chiar dacă o singură moleculă a compusului are formula moleculară P4O10, acesta se numește în continuare pentoxid de fosfor din cauza formulei sale empirice P2O5. Pentaoxidul de fosfor este unic prin faptul că există în mai multe polimorfi diferiți care au geometrii moleculare diferite. Cea mai comună formă este o celulă hexagonală compusă din 4 tetraedre de fosfor distincte. Pentaoxidul de fosfor este coroziv pentru metale și poate afecta țesuturile umane chiar și în concentrații mici.
.