Qu’est-ce que le P4O10 : Pentoxyde de phosphore
Le pentoxyde de phosphore est le nom commun du composé dont la formule chimique est P4O10. Le pentoxyde de phosphore est un composé covalent qui se compose de 4 atomes de phosphore (P) et de 10 atomes d’oxygène (O). Il est parfois appelé pentoxyde de diphosphore, anhydride phosphorique et décoxyde de tétraphosphore.
« Sans phosphore, il n’y aurait pas de pensées. » – Ludwig Buchner
ADVERTISSEMENT
Le pentoxyde de phosphore est une substance solide, blanche, cireuse à température ambiante et se présente sous 4 structures cristallines distinctes. C’est un anhydride de l’acide phosphorique et il est très hygroscopique, ce qui signifie qu’il absorbe facilement l’eau de l’atmosphère environnante. En tant que tel, le pentoxyde de phosphore est souvent utilisé comme dessiccateur pour garder les endroits secs et exempts d’humidité en suspension dans l’air.
Lorsqu’il est stocké, le pentoxyde de phosphore va réagir avec l’atmosphère pour former une peau d’acide phosphorique autour du composé. Cette couche d’acide peut empêcher le pentoxyde de phosphore d’aspirer l’eau de l’air, ce qui peut le rendre moins efficace en tant que dessiccateur. Pour éviter cela, le pentoxyde de phosphore est généralement transformé en granulés pour être utilisé comme déshydratant. Historiquement, le pentoxyde de phosphore était créé via une réaction avec le phosphore blanc et l’oxygène, mais d’autres méthodes de production plus efficaces ont pris le dessus.
Formule moléculaire vs formule empirique
Un lecteur avisé peut remarquer quelque chose d’étrange. Pourquoi le composé de formule chimique P4O10 est-il nommé pentoxyde de phosphore ? Après tout, pent- est le préfixe de la nomenclature chimique qui signifie « cinq », et la formule P4O10 indique clairement qu’il y a 10 oxygènes. Que se passe-t-il ?
En chimie, il existe 2 types de formules chimiques, la formule moléculaire et la formule empirique. Toutes deux représentent les constituants atomiques d’un composé donné mais de manière différente. La formule moléculaire vous indique le type et le nombre d’atomes d’une seule molécule libre du composé. La formule empirique vous indique le rapport entier le plus simple des éléments dans un composé. Deux composés peuvent avoir des formules moléculaires différentes et la même formule empirique, comme l’acétylène (C2H2) et le benzène (C6H6), qui partagent tous deux la formule empirique de CH. De même, la formule empirique de l’éthylène (C2H4) et du butène (C4H8) est CH2. La formule moléculaire d’un composé est soit égale à sa formule empirique, soit un multiple entier de celle-ci.
Parfois, le nom commun d’un composé est dérivé de sa formule empirique au lieu de sa formule moléculaire. C’est le cas du dioxyde de phosphore. Le pentoxyde de phosphore a une formule moléculaire de P4O10 et donc une formule empirique de P2O5. Le « pent- » dans « pentoxyde » vient de la formule empirique P2O5.
Dans le cas du pentoxyde de phosphore, les molécules ayant une formule de P2O5 s’associeront les unes aux autres pour former des molécules plus grandes de P4O10. Ainsi, même si la formule moléculaire du pentoxyde de phosphore est P4O10, il est toujours appelé pentoxyde de phosphore en raison de sa formule empirique P2O5.
Pentoxyde de phosphore : Propriétés physiques
« Qui sait s’il n’est pas vrai que le phosphore et l’esprit ne sont pas la même chose ? ». – Stendhal
Le pentoxyde de phosphore est unique en ce qu’il peut exister jusqu’à 4 polymorphes distincts. La forme la plus courante est une seule molécule de P4O10, qui se forme à partir de la cohésion de deux molécules plus petites de P2O5. P2O5 a une configuration moléculaire très instable, donc deux molécules vont s’unir pour pour une plus grande molécule unique de P4O10, et s’arranger selon le schéma suivant :
Cette configuration particulière est structurée comme 4 tétraèdres, chacun partageant une patte avec un autre. Chaque tétraèdre est composé d’un atome de phosphore central entouré de 4 atomes d’oxygène, où les trois atomes d’oxygène de base de chaque tétraèdre sont partagés. Une seule molécule de pentoxyde de phosphore ressemble un peu à une petite cellule hexagonale dont les atomes d’oxygène terminaux dépasseraient des côtés. La configuration particulière des molécules rend le pentoxyde de phosphore moins dense que la plupart des solides cristallins, avec une densité de seulement 2,3 g/cm3. La structure géométrique du pentoxyde de phosphore est similaire à celle de l’adamantane, un cristal d’hydrocarbure, et son point de fusion est relativement élevé pour des composés à liaison covalente, soit 340 °C. Le point d’ébullition du pentoxyde de phosphore est seulement 20 °C plus élevé que son point de fusion, de sorte qu’il sautera souvent la fusion et se sublimera directement en un gaz.
La cellule hexagonale d’une molécule de pentoxyde de phosphore est maintenue ensemble par de faibles forces de van der Waals – l’attraction électrostatique entre les molécules. Le pentoxyde de phosphore contient 6 liaisons P-O-P et 4 liaisons P=O. Les interactions dipôle-dipôle des liaisons P-O-P sont ce qui maintient la molécule ensemble. Les liaisons P-O-P sont polaires avec une valence négative sur l’atome d’oxygène.
Tous les polymorphes du pentoxyde de phosphore sont basés autour d’arrangements tétraédriques des atomes de phosphore et d’oxygène. Ils sont généralement formés avec des doubles liaisons P=O, comme la forme o’-(P2O5) présentée ci-dessous.
Plusieurs des polymorphes ont un arrangement moléculaire légèrement différent de celui du pentoxyde de phosphore ordinaire. Par exemple, la forme stable « O » consiste en des arrangements cycliques d’anneaux P6O6, semblables à la structure de divers minéraux de silicate. L’un des polymorphes du pentoxyde de phosphore est un verre amorphe créé par la fusion de deux polymorphes différents quelconques.
Pentoxyde de phosphore : Propriétés chimiques
Le pentoxyde de phosphore est un composé polaire. La différence d’électronégativité entre l’oxygène et le phosphore est de 1,4, ce qui rend les liaisons P-O plutôt polaires par nature. Même si le pentoxyde de phosphore est polaire, il ne sera pas dissous par l’eau car il subit plutôt une hydrolyse exothermique. Le pentoxyde de phosphore est un anhydride, ce qui signifie qu’il est formé en retirant l’eau (H2O) d’un composé. Le pentoxyde de phosphore est l’anhydride correspondant de l’acide phosphorique (H3PO4) et réagira violemment avec l’eau pour former du phosphorique, selon l’équation :
P4O10 + 6H2O → 4H3PO4
L’enthalpie de changement de cette réaction est de -177 kJ/mol, ce qui signifie que pour chaque 1 mole de P4O10, 177 kJ d’énergie sont libérés sous forme de chaleur. Cette réaction avec l’eau est l’une des principales méthodes pour produire des quantités industrielles d’acide phosphorique, un ingrédient extrêmement important dans les engrais.
Le pentoxyde de phosphore est incombustible et ne réagira pas avec l’oxygène pour produire une flamme. Cependant, la réaction d’hydrolyse du pentoxyde de phosphore avec l’eau et les substances contenant de l’eau comme le bois est très exothermique et peut libérer suffisamment d’énergie pour catalyser une réaction de combustion entre la matière contenant de l’eau et l’atmosphère. Le pentoxyde de phosphore est très corrosif pour les métaux et forme divers oxydes métalliques et phosphates métalliques lorsqu’il est mis en contact avec des métaux. Il est également très corrosif pour les tissus humains et peut provoquer des brûlures chimiques et des inflammations respiratoires, même à de faibles concentrations.
Pentoxyde de phosphore : Production et utilisation
Historiquement, la principale méthode de formation du pentoxyde de phosphore est la combustion du phosphore élémentaire et de l’oxygène. Le phosphore blanc, un des allotropes du phosphore élémentaire, est constitué de molécules composées de 4 atomes de phosphore disposés selon une structure tétraédrique. Le tétra-phosphore élémentaire brûle dans l’oxygène pour former du pentoxyde de phosphore selon la réaction suivante :
P4 + 5O2 → P4O10
La plupart du pentoxyde de phosphore produit de cette manière a pour but de fabriquer de l’acide phosphorique, bien que des méthodes récentes aient supprimé la nécessité de commencer avec du phosphore blanc pour fabriquer de l’acide phosphorique.
La principale utilisation du pentoxyde de phosphore est comme dessiccant. Parce qu’il réagit facilement avec l’eau, le pentoxyde de phosphore peut attirer les traces d’eau de l’atmosphère pour garder un espace sec et sans humidité. L’hydrolyse de l’eau avec le pentoxyde de phosphore crée une couche gommeuse d’acide phosphorique qui peut inhiber ses propriétés d’élimination de l’eau. C’est pourquoi la plupart des pentoxydes de phosphore utilisés à des fins industrielles sont fabriqués sous forme de granulés. Il n’est pas possible de former du pentoxyde de phosphore via la déshydratation de l’acide phosphorique, car la chaleur nécessaire pour catalyser la réaction est suffisante pour faire bouillir tout excès d’eau.
Les propriétés déshydratantes du pentoxyde de phosphore sont souvent utilisées pour convertir un certain nombre d’acides en leurs anhydrides correspondants. Par exemple, le pentoxyde de phosphore convertira l’acide nitrique (HNO3) en son anhydride, le pentoxyde de diazote (N2O5). Il convertira également l’acide sulfurique (H2SO4) en trioxyde de soufre (SO3) en retirant un oxygène et deux hydrogènes ; une seule molécule d’eau, et il convertira le perchlorate d’hydrogène (HClO4) en heptoxyde de dichlore (Cl2O7).
« Nous définissons la chimie organique comme la chimie des composés du carbone. » – August Kekule
La majorité du pentoxyde de phosphore qui n’est pas utilisé comme dessiccateur est utilisé comme réactif intermédiaire pour créer d’autres composés. En chimie organique, le pentoxyde de phosphore est utilisé pour déshydrater les composés organiques, comme la conversion des amides en nitriles, une classe importante de molécules organiques utilisées dans la fabrication du caoutchouc et les procédures de laboratoire.
En résumé, le pentoxyde de phosphore est un composé covalent anhydride qui est formé par la combustion du phosphore élémentaire et de l’oxygène. Le pentoxyde de phosphore est très hygroscopique, il va donc attirer l’eau de l’environnement proche et réagir pour former de l’acide phosphorique. Le pentoxyde de phosphore est normalement utilisé comme déshydratant industriel et joue un rôle de réactif intermédiaire pour transformer les acides en leurs équivalents anhydrides. Même si une seule molécule du composé a une formule moléculaire de P4O10, il est toujours appelé pentoxyde de phosphore en raison de sa formule empirique P2O5. Le pentoxyde de phosphore est unique en ce qu’il existe sous plusieurs formes polymorphes différentes qui présentent des géométries moléculaires différentes. La forme la plus courante est une cellule hexagonale composée de 4 tétraèdres de phosphore distincts. Le pentoxyde de phosphore est corrosif pour les métaux et peut endommager les tissus humains même en petites concentrations.