Vad är P4O10: Fosforpentoxid
Fosforpentoxid är det vanliga namnet på föreningen med den kemiska formeln P4O10. Fosforpentoxid är en kovalent förening som består av 4 fosforatomer (P) och 10 syreatomer (O). Den kallas ibland för difosforpentoxid, fosforanhydrid och tetrafosfordekoxid.
”Utan fosfor skulle det inte finnas några tankar”. – Ludwig Buchner
ADVERTISEMENT
Fosforpentoxid är ett fast, vitt, vaxliknande ämne vid rumstemperatur och finns i 4 olika kristallina strukturer. Det är en anhydrid av fosforsyra och är mycket hygroskopiskt, vilket innebär att det lätt absorberar vatten från den omgivande atmosfären. Därför används fosforpentoxid ofta som torkmedel för att hålla platser torra och fria från luftburen fukt.
Vid lagring reagerar fosforpentoxid med atmosfären och bildar ett skinn av fosforsyra runt föreningen. Detta lager av syra kan hindra fosforpentoxid från att dra vatten ur luften, vilket kan göra den mindre effektiv som torkmedel. För att förhindra detta bearbetas fosforpentoxid vanligtvis till en granulär form för användning som torkmedel. Historiskt sett skapades fosforpentoxid genom en reaktion med vit fosfor och syre, men andra effektivare produktionsmetoder har fått företräde.
Molekylär och empirisk formel
En uppmärksam läsare kanske märker något märkligt. Vad är det för förening med den kemiska formeln P4O10 som heter fosforpentoxid? Pent- är trots allt prefixet i den kemiska nomenklaturen som betyder ”fem”, och formeln P4O10 visar tydligt att det finns 10 oxygener. Vad beror det på?
I kemin finns det två typer av kemiska formler, den molekylära formeln och den empiriska formeln. Båda representerar de atomära beståndsdelarna i en viss förening men på olika sätt. Molekylformeln anger typ och antal atomer i en fristående enskild molekyl av föreningen. Den empiriska formeln anger det enklaste heltalsförhållandet mellan grundämnena i en förening. Två föreningar kan ha samma olika molekylformler och samma empiriska formel, t.ex. acetylen (C2H2) och bensen (C6H6), som båda har den empiriska formeln CH. På samma sätt är den empiriska formeln för både eten (C2H4) och buten (C4H8) CH2. En förenings molekylformel är antingen lika med eller är en heltalsmultipel av dess empiriska formel.
I vissa fall härleds det vanliga namnet på en förening från den empiriska formeln i stället för från dess molekylformel. Så är fallet med fosfordioxid. Fosforpentoxid har molekylformeln P4O10 och har således empirisk formel P2O5. ”Pent-” i ”pentoxid” kommer från den empiriska formeln P2O5.
I fallet med fosforpentoxid kommer molekyler med formeln P2O5 att associera sig med varandra för att bilda större molekyler av P4O10. Så även om molekylformeln för fosforpentoxid är P4O10 kallas den fortfarande för fosforpentoxid på grund av dess empiriska formel P2O5.
Fosforpentoxid: Fysiska egenskaper
”Vem vet om det inte är sant att fosfor och sinne inte är samma sak?” – Stendhal
Fosforpentoxid är unik eftersom den kan existera i upp till 4 olika polymorfer. Den vanligaste formen är en enda molekyl av P4O10, som bildas genom sammanhållning av två mindre P2O5-molekyler. P2O5 har en mycket instabil molekylär konfiguration, så två molekyler kommer att gå samman till en större enskild molekyl av P4O10 och ordna sig enligt följande diagram:
Denna speciella konfiguration är strukturerad som fyra tetraeder, var och en delar ett ben med en annan. Varje tetraeder består av en central fosforatom omgiven av 4 syreatomer, där de tre bassyreatomerna i varje tetraeder delas. En enda molekyl av fosforpentoxid ser lite ut som en liten hexagonal cell med terminala syreatomer som sticker ut från sidorna. Molekylernas speciella konfiguration gör fosforpentoxid mindre tät än de flesta kristallina fasta ämnen, med en densitet på endast 2,3 g/cm3. Fosforpentoxidens geometriska struktur liknar kolvätekristallen adamantan och den har en relativt hög smältpunkt för kovalent bundna föreningar på 340 °C. Kokpunkten för fosforpentoxid är endast 20 °C högre än smältpunkten, så den hoppar ofta över smältningen och sublimerar direkt till en gas.
Den hexagonala cellen i en molekyl av fosforpentoxid hålls samman av svaga van der Waals-krafter – den elektrostatiska attraktionen mellan molekyler. Fosforpentoxid innehåller 6 P-O-P-bindningar och 4 P=O-bindningar. Det är P-O-P-bindningarnas dipol-dipolinteraktioner som håller ihop molekylen. P-O-P-bindningar är polära med en negativ valens på syreatomen.
Alla polymorfer av fosforpentoxid är baserade på tetraedriska arrangemang av fosfor- och syreatomer. De bildas i allmänhet med P=O dubbelbindningar såsom o’-(P2O5)-formen som visas nedan.
Många av polymorferna har ett något annorlunda molekylärt arrangemang än vanlig fosforpentoxid. Den stabila ”O”-formen består till exempel av cykliska arrangemang av P6O6-ringar, som liknar strukturen hos olika silikatmineraler. En av fosforpentoxidens polymorfer är ett amorft glas som skapas genom sammansmältning av två olika polymorfer.
Fosforpentoxid: Kemiska egenskaper
Fosforpentoxid är en polär förening. Elektronegativitetsskillnaden mellan syre och fosfor är 1,4, vilket gör P-O-bindningar ganska polära till sin natur. Även om fosforpentoxid är polär kommer den inte att lösas upp av vatten eftersom den istället genomgår exoterm hydrolys. Fosforpentoxid är en anhydrid, vilket innebär att den bildas genom att vatten (H2O) avlägsnas från en förening. Fosforpentoxid är motsvarande anhydrid av fosforsyra (H3PO4) och kommer att reagera våldsamt med vatten för att bilda fosforsyra, enligt ekvationen:
P4O10 + 6H2O → 4H3PO4
Förändringsenthalpin för denna reaktion är -177 kJ/mol, vilket innebär att för varje 1 mol P4O10 frigörs 177 kJ energi i form av värme. Denna reaktion med vatten är en av de viktigaste metoderna för att producera industriella mängder fosforsyra, en extremt viktig ingrediens i gödningsmedel.
Fosforpentoxid är obrännbar och reagerar inte med syre för att producera en flamma. Fosforpentoxids hydrolysreaktion med vatten och vatteninnehållande ämnen som trä är dock mycket exotermisk och kan frigöra tillräckligt med energi för att katalysera en förbränningsreaktion mellan det vatteninnehållande materialet och atmosfären. Fosforpentoxid är mycket korrosiv mot metall och bildar olika metalloxider och fosfatmetaller när den kommer i kontakt med metaller. Den är också mycket frätande för mänsklig vävnad och kan orsaka kemiska brännskador och andningsinflammation, även vid låga koncentrationer.
Fosforpentoxid: Produktion och användning
Historiskt sett är den primära metoden för att bilda fosforpentoxid genom förbränning av elementär fosfor och syre. Vit fosfor, en av allotroperna av elementär fosfor, består av molekyler som består av fyra fosforatomer arrangerade i en tetraederstruktur. Elementär tetrafosfor brinner i syre och bildar fosforpentoxid enligt följande reaktion:
P4 + 5O2 → P4O10
De flesta fosforpentoxider som framställs på detta sätt är avsedda för framställning av fosforsyra, även om nya metoder har gjort att man inte längre behöver börja med vit fosfor för att framställa fosforsyra.
Den huvudsakliga användningen av fosforpentoxid är som torkmedel. Eftersom det reagerar lätt med vatten kan fosforpentoxid dra ut spår av vatten ur atmosfären för att hålla ett utrymme torrt och fuktfritt. Hydrolysen av vatten med fosforpentoxid skapar ett gummiaktigt lager av fosforsyra som kan hämma dess vattenavskiljande egenskaper. Detta är anledningen till att den mesta fosforpentoxid som används för industriella ändamål tillverkas i granulär form. Det är inte möjligt att bilda fosforpentoxid via dehydrering av fosforsyra, eftersom den värme som krävs för att katalysera reaktionen är tillräcklig för att koka bort allt överskottsvatten.
Fosforpentoxids torkningsegenskaper används ofta för att omvandla ett antal syror till deras motsvarande anhydrider. Fosforpentoxid omvandlar till exempel salpetersyra (HNO3) till dess anhydrid dinitrogenpentoxid (N2O5). Den omvandlar också svavelsyra (H2SO4) till svaveltrioxid (SO3) genom att avlägsna ett syre och två väteämnen; en enda vattenmolekyl, och den omvandlar väteperklorat (HClO4) till diklorheptoxid (Cl2O7).
”Vi definierar organisk kemi som kemi av kolföreningar”. – August Kekule
Majoriteten av fosforpentoxid som inte används som torkmedel används som en mellanreaktant för att skapa andra föreningar. I organisk kemi används fosforpentoxid för att dehydratisera organiska föreningar, som att omvandla amider till nitriler, en viktig klass av organiska molekyler som används vid gummitillverkning och laboratorieprocedurer.”
Sammanfattningsvis är fosforpentoxid en kovalent anhydridförening som bildas genom förbränning av elementär fosfor och syre. Fosforpentoxid är mycket hygroskopisk, så den drar till sig vatten från den närliggande miljön och reagerar för att bilda fosforsyra. Fosforpentoxid används normalt som ett industriellt torkmedel och spelar en roll som en mellanreaktant för att omvandla syror till deras anhydridmotparter. Även om en enda molekyl av föreningen har molekylformeln P4O10 kallas den fortfarande för fosforpentoxid på grund av dess empiriska formel P2O5. Fosforpentoxid är unik eftersom den finns i flera olika polymorfer som har olika molekylära geometrier. Den vanligaste formen är en hexagonal cell som består av fyra distinkta fosfortetraeder. Fosforpentoxid är frätande för metaller och kan skada mänsklig vävnad även i små koncentrationer.