Hvad er P4O10: Fosforpentoxid
Fosforpentoxid er det almindelige navn for en forbindelse med den kemiske formel P4O10. Fosforpentoxid er en kovalent forbindelse, der består af 4 fosfor (P)-atomer og 10 oxygen (O)-atomer. Den omtales undertiden som diphosphorpentoxid, fosforanhydrid og tetrafosfordecoxid.
“Uden fosfor ville der ikke være nogen tanker.” – Ludwig Buchner
ADVERTISEMENT
Phosphorpentoxid er et fast, hvidt, voksagtigt stof ved stuetemperatur og findes i 4 forskellige krystallinske strukturer. Det er et anhydrid af fosforsyre og er meget hygroskopisk, hvilket betyder, at det let absorberer vand fra den omgivende atmosfære. Som sådan bruges fosforpentoxid ofte som tørremiddel til at holde steder tørre og fri for luftbåren fugt.
Ved opbevaring reagerer fosforpentoxid med atmosfæren og danner en hud af fosforsyre omkring forbindelsen. Dette lag af syre kan forhindre fosforpentoxid i at trække vand ud af luften, hvilket kan gøre det mindre effektivt som tørremiddel. For at undgå dette forarbejdes fosforpentoxid normalt til en granuleret form til tørremiddelbrug. Historisk set blev fosforpentoxid fremstillet ved en reaktion med hvidt fosfor og ilt, men andre mere effektive produktionsmetoder har fået forrang.
Molekylær vs. empirisk formel
En kvik læser vil måske bemærke noget mærkeligt. Hvad er det for en forbindelse med den kemiske formel P4O10, der hedder fosforpentoxid? Pent- er jo et præfiks i den kemiske nomenklatur, der betyder “fem”, og formlen P4O10 angiver klart, at der er 10 oxygenatomer. Hvad giver det?
I kemien findes der to slags kemiske formler, nemlig den molekylære formel og den empiriske formel. Begge repræsenterer de atomare bestanddele i en given forbindelse, men på forskellige måder. Molekylformlen angiver arten og antallet af atomer i et fritstående enkeltmolekyle af forbindelsen. Den empiriske formel angiver det enkleste heltalsforhold mellem grundstofferne i en forbindelse. To forbindelser kan have samme forskellige molekylformler og samme empiriske formel, f.eks. acetylen (C2H2) og benzen (C6H6), som begge har den samme empiriske formel CH. På samme måde er den empiriske formel for både ethylen (C2H4) og buten (C4H8) CH2. En forbindelses molekylformel er enten lig med eller er et helt talmultiplikator af dens empiriske formel.
I nogle tilfælde er det almindelige navn for en forbindelse afledt af dens empiriske formel i stedet for dens molekylformel. Dette er tilfældet med phosphordioxid. Fosforpentoxid har molekylformlen P4O10 og har således den empiriske formel P2O5. “pent-” i “pentoxid” kommer fra den empiriske formel P2O5.
I tilfældet med fosforpentoxid vil molekyler med formlen P2O5 forbinde sig med hinanden og danne større molekyler af P4O10. Så selv om molekylformlen for fosforpentoxid er P4O10, kaldes det stadig for fosforpentoxid på grund af den empiriske formel P2O5.
Fosforpentoxid: Fysiske egenskaber
“Hvem ved, om det ikke er sandt, at fosfor og sind ikke er den samme ting?” – Stendhal
Phosphorpentoxid er enestående, idet det kan eksistere i op til 4 forskellige polymorfer. Den mest almindelige form er et enkelt molekyle af P4O10, som dannes ved samhørighed af to mindre P2O5-molekyler. P2O5 har en meget ustabil molekylær konfiguration, så to molekyler vil slutte sig sammen til et større enkeltmolekyle af P4O10 og arrangere sig i henhold til følgende diagram:
Denne særlige konfiguration er struktureret som 4 tetraedre, der hver deler et ben med et andet. Hver tetraeder er sammensat af et centralt fosforatom omgivet af 4 oxygenatomer, hvor de tre basale oxygenatomer i hver tetraeder er fælles. Et enkelt molekyle af fosforpentoxid ligner lidt en lille sekskantet celle med terminale oxygenatomer, der stikker ud fra siderne. Den særlige konfiguration af molekylerne gør fosforpentoxid mindre tæt end de fleste krystallinske faste stoffer, med en massefylde på kun 2,3 g/cm3. Den geometriske struktur af fosforpentoxid ligner kulbrintekrystallen adamantan, og den har et relativt højt smeltepunkt for kovalent bundne forbindelser på 340 °C. Kogepunktet for fosforpentoxid er kun 20 °C højere end smeltepunktet, så det vil ofte springe smeltning over og sublimere direkte til en gas.
Den sekskantede celle af et molekyle af fosforpentoxid holdes sammen af svage van der Waals-kræfter – den elektrostatiske tiltrækning mellem molekyler. Phosphorpentoxid indeholder 6 P-O-P-bindinger og 4 P=O-bindinger. Det er P-O-P-bindingernes dipol-dipol-interaktioner, der holder molekylet sammen. P-O-P-bindinger er polære med en negativ valens på oxygenatomet.
Alle polymorfer af fosforpentoxid er baseret på tetraedriske arrangementer af fosfor- og oxygenatomer. De er generelt dannet med P=O-dobbeltbindinger som f.eks. o’-(P2O5)-formen vist nedenfor.
Mange af polymorferne har en lidt anderledes molekylær disposition end almindelig fosforpentoxid. For eksempel består den stabile “O”-form af cykliske arrangementer af P6O6-ringe, svarende til strukturen i forskellige silikatmineraler. En af fosforpentoxidets polymorfer er et amorf glas, der dannes ved sammensmeltning af to forskellige polymorfer.
Phosphorpentoxid: Kemiske egenskaber
Phosphorpentoxid er en polær forbindelse. Elektronegativitetsforskellen mellem ilt og fosfor er 1,4, hvilket gør P-O-bindinger ret polære i naturen. Selv om fosforpentoxid er polært, vil det ikke blive opløst af vand, fordi det i stedet undergår en exoterm hydrolyse. Fosforpentoxid er et anhydrid, hvilket betyder, at det dannes ved at fjerne vand (H2O) fra en forbindelse. Fosforpentoxid er det tilsvarende anhydrid af fosforsyre (H3PO4) og vil reagere voldsomt med vand for at danne fosforsyre, i henhold til ligningen:
P4O10 + 6H2O → 4H3PO4
Forandringsenthalpien for denne reaktion er -177 kJ/mol, hvilket betyder, at der for hvert 1 mol P4O10 frigives 177 kJ energi i form af varme. Denne reaktion med vand er en af de vigtigste metoder til fremstilling af industrielle mængder fosforsyre, som er en yderst vigtig ingrediens i gødning.
Fosforpentoxid er ubrændbart og reagerer ikke med ilt til en flamme. Hydrolysereaktionen af fosforpentoxid med vand og vandholdige stoffer som f.eks. træ er imidlertid meget eksotermisk og kan frigive tilstrækkelig energi til at katalysere en forbrændingsreaktion mellem det vandholdige materiale og atmosfæren. Fosforpentoxid er meget korrosivt over for metal og danner forskellige metaloxider og fosfatmetaller, når det kommer i kontakt med metaller. Det er også meget ætsende for menneskeligt væv og kan forårsage kemiske forbrændinger og åndedrætsbetændelse, selv ved lave koncentrationer.
Fosforpentoxid: Produktion og anvendelse
Historisk set er den primære metode til dannelse af fosforpentoxid ved forbrænding af elementært fosfor og ilt. Hvid fosfor, en af allotroperne af elementær fosfor, består af molekyler bestående af 4 fosforatomer anbragt i en tetraedrisk struktur. Elementær tetraphosphor forbrændes i ilt for at danne fosforpentoxid i henhold til følgende reaktion:
P4 + 5O2 → P4O10
Det meste fosforpentoxid, der fremstilles på denne måde, er til fremstilling af fosforsyre, selv om nyere metoder har fjernet behovet for at starte med hvid fosfor for at fremstille fosforsyre.
Den vigtigste anvendelse af fosforpentoxid er som tørremiddel. Da det reagerer let med vand, kan fosforpentoxid trække spor af vand ud af atmosfæren for at holde et rum tørt og fugtfrit. Hydrolyse af vand med fosforpentoxid skaber et gummiagtigt lag af fosforsyre, som kan hæmme dets vandfjernende egenskaber. Det er derfor, at det meste fosforpentoxid, der anvendes til industrielle formål, fremstilles i granulatform. Det er ikke muligt at danne fosforpentoxid via dehydrering af fosforsyre, da den varme, der kræves for at katalysere reaktionen, er tilstrækkelig til at koge overskydende vand af.
Fosforpentoxidets tørreegenskaber anvendes ofte til at omdanne en række syrer til deres tilsvarende anhydrider. F.eks. vil fosforpentoxid omdanne salpetersyre (HNO3) til dens anhydrid dinitrogenpentoxid (N2O5). Det vil også omdanne svovlsyre (H2SO4) til svovltrioxid (SO3) ved at fjerne et ilt og to hydrogener; et enkelt vandmolekyle, og det vil omdanne hydrogenperchlorat (HClO4) til dichlorheptoxid (Cl2O7).
“Vi definerer organisk kemi som kemien af kulstofforbindelser.” – August Kekule
Størstedelen af fosforpentoxid, der ikke bruges som tørremiddel, bruges som en mellemreaktant til at skabe andre forbindelser. I organisk kemi bruges fosforpentoxid til at dehydrere organiske forbindelser, f.eks. til at omdanne amider til nitriler, en vigtig klasse af organiske molekyler, der anvendes i gummiproduktion og laboratorieprocedurer.
Sammenfattende er fosforpentoxid en anhydridkovalent forbindelse, der dannes via forbrænding af elementær fosfor og ilt. Fosforpentoxid er stærkt hygroskopisk, så det vil trække vand ud af det nærliggende miljø og reagere under dannelse af fosforsyre. Fosorpentoxid anvendes normalt som et industrielt tørremiddel og spiller en rolle som mellemreaktant i forbindelse med omdannelse af syre til deres anhydrid-modstykker. Selv om et enkelt molekyle af forbindelsen har molekylformlen P4O10, kaldes den stadig for fosforpentoxid på grund af dens empiriske formel P2O5. Fosorpentoxid er enestående, idet det findes i flere forskellige polymorfer med forskellige molekylære geometrier. Den mest almindelige form er en sekskantet celle bestående af 4 forskellige fosfortetraedre. Fosforpentoxid er ætsende over for metaller og kan skade menneskeligt væv selv i små koncentrationer.