Co je P4O10: pentoxid fosforitý
Pentoxid fosforitý je běžný název pro sloučeninu s chemickým vzorcem P4O10. Pentoxid fosforitý je kovalentní sloučenina, která se skládá ze 4 atomů fosforu (P) a 10 atomů kyslíku (O). Někdy se označuje jako difosforový pentoxid, anhydrid fosforitý a tetrafosforový dekoxid.
„Bez fosforu by nebylo myšlenek“. – Ludwig Buchner
ADVERTISEMENT
Pentoxid fosforitý je při pokojové teplotě pevná, bílá, voskovitá látka, která má 4 různé krystalické struktury. Je to anhydrid kyseliny fosforečné a je velmi hygroskopický, což znamená, že snadno absorbuje vodu z okolní atmosféry. Proto se pentoxid fosforitý často používá jako vysoušedlo, které udržuje místa suchá a bez vzdušné vlhkosti.
Při skladování reaguje pentoxid fosforitý s atmosférou a vytváří kolem sloučeniny obal z kyseliny fosforečné. Tato vrstva kyseliny může zabránit tomu, aby pentoxid fosforitý nasával vodu ze vzduchu, což může snížit jeho účinnost jako vysoušedla. Aby se tomu zabránilo, je pentoxid fosforitý obvykle zpracováván do granulované formy pro použití jako vysoušeč. Historicky se pentoxid fosforitý vytvářel reakcí s bílým fosforem a kyslíkem, ale přednost dostaly jiné, účinnější způsoby výroby.
Molekulární vs. empirický vzorec
Bystrý čtenář si možná všimne něčeho zvláštního. Jak se sloučenina s chemickým vzorcem P4O10 jmenuje pentoxid fosforitý? Vždyť pent- je předpona chemického názvosloví, která znamená „pět“, a vzorec P4O10 jasně naznačuje, že je v něm 10 kyslíku. Co z toho vyplývá?
V chemii existují 2 druhy chemických vzorců, molekulový vzorec a empirický vzorec. Oba vyjadřují atomové složky dané sloučeniny, ale různým způsobem. Molekulový vzorec udává druh a počet atomů ve volně stojící jedné molekule sloučeniny. Empirický vzorec udává nejjednodušší celočíselný poměr prvků ve sloučenině. Dvě sloučeniny mohou mít stejně odlišné molekulové vzorce a stejný empirický vzorec, například acetylen (C2H2) a benzen (C6H6), které mají oba společný empirický vzorec CH. Podobně empirický vzorec ethylenu (C2H4) i butenu (C4H8) je CH2. Molekulový vzorec sloučeniny je buď roven jejímu empirickému vzorci, nebo je jeho celočíselným násobkem.
Někdy je běžný název sloučeniny odvozen z jejího empirického vzorce namísto molekulového vzorce. To je případ oxidu fosforečného. Pentoxid fosforitý má molekulový vzorec P4O10, a má tedy empirický vzorec P2O5. „Pent-“ ve slově „pentoxid“ pochází z empirického vzorce P2O5.
V případě pentoxidu fosforitého se molekuly se vzorcem P2O5 navzájem spojují a vytvářejí větší molekuly P4O10. Takže i když je molekulový vzorec pentoxidu fosforitého P4O10, stále se nazývá pentoxid fosforitý na základě empirického vzorce P2O5.
Pentoxid fosforitý: Fyzikální vlastnosti
„Kdo ví, zda není pravda, že fosfor a mysl nejsou totéž?“
. – Stendhal
Pentoxid fosforitý je jedinečný tím, že může existovat až ve 4 různých polymorfních formách. Nejběžnější formou je jediná molekula P4O10, která vzniká spojením dvou menších molekul P2O5. P2O5 má velmi nestabilní molekulární konfiguraci, takže se dvě molekuly spojí ve větší jedinou molekulu P4O10 a uspořádají se podle následujícího schématu:
Tato konkrétní konfigurace má strukturu 4 tetraedrů, z nichž každý sdílí jednu nohu s jiným. Každý tetraedr se skládá z centrálního atomu fosforu obklopeného 4 atomy kyslíku, přičemž tři základní atomy kyslíku každého tetraedru jsou společné. Jedna molekula pentoxidu fosforitého vypadá trochu jako malá šestiboká buňka s koncovými atomy kyslíku vyčnívajícími ze stran. Díky zvláštní konfiguraci molekul je pentoxid fosforu méně hustý než většina krystalických pevných látek, jeho hustota je pouze 2,3 g/cm3. Geometrická struktura pentoxidu fosforitého je podobná krystalu uhlovodíku adamantanu a má na kovalentně vázané sloučeniny poměrně vysokou teplotu tání 340 °C. Teplota varu pentoxidu fosforitého je pouze o 20 °C vyšší než jeho teplota tání, takže často přeskočí tání a sublimuje přímo na plyn.
ADVERTISEMENTŠestibokou molekulu pentoxidu fosforitého drží pohromadě slabé van der Waalsovy síly – elektrostatická přitažlivost mezi molekulami. Pentoxid fosforitý obsahuje 6 vazeb P-O-P a 4 vazby P=O. Molekulu drží pohromadě dipólově-dipólové interakce vazeb P-O-P. Vazby P-O-P jsou polární se zápornou valencí atomu kyslíku.
Všechny polymorfy pentoxidu fosforitého jsou založeny na tetraedrickém uspořádání atomů fosforu a kyslíku. Obvykle jsou tvořeny dvojnými vazbami P=O, jako je níže uvedená forma o‘-(P2O5).
Mnoho polymorfů má mírně odlišné molekulové uspořádání než běžný pentoxid fosforitý. Například stabilní forma „O“ se skládá z cyklického uspořádání kruhů P6O6, podobně jako struktura různých silikátových minerálů. Jedním z polymorfů pentoxidu fosforitého je amorfní sklo, které vzniká sloučením libovolných dvou různých polymorfů.
Pentoxid fosforitý:
Pentoxid fosforitý je polární sloučenina. Rozdíl elektronegativit kyslíku a fosforu je 1,4, takže vazby P-O mají spíše polární charakter. Přestože je pentoxid fosforitý polární, nerozpustí se ve vodě, protože místo toho podléhá exotermické hydrolýze. Pentoxid fosforitý je anhydrid, což znamená, že vzniká odstraněním vody (H2O) ze sloučeniny. Pentoxid fosforitý je odpovídajícím anhydridem kyseliny fosforečné (H3PO4) a prudce reaguje s vodou za vzniku fosforečnanu podle rovnice:
P4O10 + 6H2O → 4H3PO4
Entalpie změny této reakce je -177 kJ/mol, což znamená, že na každý 1 mol P4O10 se uvolní 177 kJ energie ve formě tepla. Tato reakce s vodou je jednou z hlavních metod výroby průmyslového množství kyseliny fosforečné, mimořádně důležité složky hnojiv.
Pentoxid fosforitý je nehořlavý a nereaguje s kyslíkem za vzniku plamene. Hydrolýzní reakce pentoxidu fosforu s vodou a látkami obsahujícími vodu, jako je dřevo, je však velmi exotermická a může uvolnit dostatek energie, aby katalyzovala reakci hoření mezi materiálem obsahujícím vodu a atmosférou. Pentoxid fosforitý je velmi korozivní vůči kovům a při kontaktu s kovy vytváří různé oxidy kovů a fosforečnany. Je také velmi korozivní pro lidské tkáně a může způsobit chemické popáleniny a záněty dýchacích cest, a to i při nízkých koncentracích.
Pentoxid fosforitý: Výroba a použití
Historicky je hlavní metodou vzniku pentoxidu fosforitého spalování elementárního fosforu a kyslíku. Bílý fosfor, jeden z alotropů elementárního fosforu, je tvořen molekulami složenými ze 4 atomů fosforu uspořádaných do tetraedrické struktury. Elementární tetrafosfor hoří v kyslíku za vzniku pentoxidu fosforitého podle následující reakce:
P4 + 5O2 → P4O10
Většina takto vyrobeného pentoxidu fosforitého je určena k výrobě kyseliny fosforečné, ačkoli nedávné metody odstranily nutnost začínat s bílým fosforem při výrobě kyseliny fosforečné.
Hlavní použití pentoxidu fosforitého je jako vysoušedla. Protože snadno reaguje s vodou, může pentoxid fosforu odčerpávat stopy vody z atmosféry a udržovat tak prostor suchý a bez vlhkosti. Hydrolýza vody s pentoxidem fosforu vytváří lepkavou vrstvu kyseliny fosforečné, která může potlačit jeho vlastnosti při odstraňování vody. Proto se většina pentoxidu fosforu používaného pro průmyslové účely vyrábí ve formě granulí. Není možné vytvořit pentoxid fosforitý dehydratací kyseliny fosforečné, protože teplo potřebné ke katalýze reakce stačí k vyvaření přebytečné vody.
Vysušovací vlastnosti pentoxidu fosforitého se často využívají k přeměně řady kyselin na odpovídající anhydridy. Například pentoxid fosforitý převede kyselinu dusičnou (HNO3) na její anhydrid dinitrogen pentoxid (N2O5). Převede také kyselinu sírovou (H2SO4) na oxid sírový (SO3) odstraněním jednoho kyslíku a dvou vodíků; jednu molekulu vody, a převede chlorovodík (HClO4) na heptoxid dichloru (Cl2O7).
„Organickou chemii definujeme jako chemii sloučenin uhlíku.“ – August Kekule
Většina pentoxidu fosforitého, který se nepoužívá jako vysoušedlo, se používá jako meziprodukt při tvorbě jiných sloučenin. V organické chemii se pentoxid fosforitý používá k dehydrataci organických sloučenin, například k přeměně amidů na nitrily, což je důležitá třída organických molekul používaných při výrobě gumy a v laboratorních postupech.
Shrnuto, pentoxid fosforitý je anhydridová kovalentní sloučenina, která vzniká spalováním elementárního fosforu a kyslíku. Pentoxid fosforitý je vysoce hygroskopický, takže nasává vodu z blízkého okolí a reaguje za vzniku kyseliny fosforečné. Pentoxid fosforitý se obvykle používá jako průmyslové vysoušedlo a hraje roli meziproduktu při přeměně kyselin na jejich anhydridové protějšky. I když má jedna molekula této sloučeniny molekulový vzorec P4O10, stále se nazývá pentoxid fosforitý na základě svého empirického vzorce P2O5. Pentoxid fosforitý je jedinečný tím, že existuje v několika různých polymorfních formách, které mají různou molekulovou geometrii. Nejběžnější formou je hexagonální buňka složená ze 4 různých fosforových tetraedrů. Pentoxid fosforitý je korozivní pro kovy a může poškodit lidskou tkáň i v malých koncentracích
.