Mi a P4O10: Foszforpentoxid
A foszforpentoxid a P4O10 kémiai képletű vegyület általános neve. A foszforpentoxid egy kovalens vegyület, amely 4 foszfor (P) atomból és 10 oxigén (O) atomból áll. Néha difoszfor-pentoxid, foszforsav-anhidrid és tetrafoszfor-dekoxid néven is említik.
“Foszfor nélkül nem lennének gondolatok”. – Ludwig Buchner
ADVERTISMENT
A foszforpentoxid szobahőmérsékleten szilárd, fehér, viaszos anyag, amely 4 különböző kristályszerkezetben fordul elő. A foszforsav anhidridje és nagyon higroszkópos, ami azt jelenti, hogy könnyen felveszi a vizet a környező légkörből. Ezért a foszforpentoxidot gyakran használják szárítószerként, hogy a helyeket szárazon és a levegőben lévő nedvességtől mentesen tartsák.
Tárolás közben a foszforpentoxid reakcióba lép a légkörrel, és a vegyület körül foszforsavburok képződik. Ez a savréteg megakadályozhatja, hogy a foszforpentoxid vizet vonjon ki a levegőből, ami miatt kevésbé hatékony szárítószerként. Ennek elkerülése érdekében a foszforpentoxidot általában szemcsés formában dolgozzák fel a nedvszívóanyagként való felhasználáshoz. Történelmileg a foszforpentoxidot fehér foszfor és oxigén reakciójával állították elő, de más, hatékonyabb előállítási módszerek kerültek előtérbe.
Molekuláris kontra empirikus képlet
A figyelmes olvasónak feltűnhet valami furcsa. Mi a foszforpentoxidnak nevezett P4O10 kémiai képletű vegyület? Hiszen a pent- a kémiai nómenklatúra “ötöt” jelentő előtagja, és a P4O10 képlet egyértelműen jelzi, hogy 10 oxigén van benne. Mit ad?
A kémiában 2 féle kémiai képlet létezik, a molekuláris képlet és az empirikus képlet. Mindkettő egy adott vegyület atomi alkotóelemeit adja meg, de különböző módon. A molekuláris képlet megmondja, hogy az adott vegyület egyetlen, szabadon álló molekulájában milyen típusú és számú atomok vannak. Az empirikus képlet a vegyületben lévő elemek legegyszerűbb egész számú arányát adja meg. 2 vegyületnek lehet ugyanolyan különböző molekulaformulája és ugyanolyan empirikus képlete, mint például az acetilénnek (C2H2) és a benzolnak (C6H6), amelyek empirikus képlete CH. Hasonlóképpen az etilén (C2H4) és a butén (C4H8) empirikus képlete is CH2. Egy vegyület molekuláris képlete vagy megegyezik az empirikus képletével, vagy annak egész számú többszöröse.
Néha egy vegyület köznapi neve a molekuláris képlete helyett az empirikus képletéből származik. Ilyen a foszfor-dioxid esetében is. A foszforpentoxid molekulaformulája P4O10, így az empirikus képlete P2O5. A “pent-” a “pentoxid”-ban a P2O5 empirikus képletéből származik.
A foszforpentoxid esetében a P2O5 képletű molekulák egymással társulva nagyobb P4O10 molekulákat alkotnak. Így bár a foszforpentoxid molekuláris képlete P4O10, mégis foszforpentoxidnak nevezzük a P2O5 empirikus képlete miatt.
Foszforpentoxid: Fizikai tulajdonságok
“Ki tudja, nem igaz-e, hogy a foszfor és az elme nem ugyanaz a dolog?”. – Stendhal
A foszforpentoxid egyedülálló abban, hogy akár 4 különböző polimorf formában is létezhet. A leggyakoribb formája egyetlen molekula P4O10, amely két kisebb P2O5 molekula összetartozásából alakul ki. A P2O5 nagyon instabil molekuláris konfigurációval rendelkezik, ezért két molekula összeáll egy nagyobb, egyetlen P4O10 molekulává, és az alábbi ábra szerint rendeződik el:
Ez a különleges konfiguráció 4 tetraéderként épül fel, mindegyik osztozik egy lábon a másikkal. Minden tetraéder egy központi foszforatomból áll, amelyet 4 oxigénatom vesz körül, ahol az egyes tetraéderek három alap oxigénatomja közös. Egyetlen foszforpentoxid-molekula egy kicsit úgy néz ki, mint egy kis hatszögletű cella, amelynek oldalaiból terminális oxigénatomok állnak ki. A molekulák különleges konfigurációja miatt a foszforpentoxid sűrűsége kisebb, mint a legtöbb kristályos szilárd anyagé, sűrűsége mindössze 2,3 g/cm3 . A foszforpentoxid geometriai szerkezete hasonlít az adamantán szénhidrogén-kristályéhoz, és kovalens kötésű vegyületekhez képest viszonylag magas, 340 °C-os olvadáspontja van. A foszforpentoxid forráspontja csak 20 °C-kal magasabb, mint az olvadáspontja, ezért gyakran kihagyja az olvadást és közvetlenül gázzá szublimál.
A foszforpentoxid molekulájának hexagonális celláját gyenge van der Waals-erők – a molekulák közötti elektrosztatikus vonzás – tartják össze. A foszforpentoxid 6 P-O-P kötést és 4 P=O kötést tartalmaz. A P-O-P kötések dipólus-dipólus kölcsönhatásai tartják össze a molekulát. A P-O-P kötések polárisak, az oxigénatom negatív valenciával rendelkezik.
A foszforpentoxid valamennyi polimorfja a foszfor- és oxigénatomok tetraéderes elrendeződésén alapul. Általában P=O kettős kötéssel alakulnak ki, mint például az alább látható o’-(P2O5) forma.
A polimorfok közül soknak a molekuláris elrendeződése kissé eltér a hagyományos foszforpentoxidétól. Például a stabil “O” forma P6O6 gyűrűk ciklikus elrendeződéséből áll, hasonlóan a különböző szilikátásványok szerkezetéhez. A foszforpentoxid egyik polimorfja egy amorf üveg, amely bármely két különböző polimorf összeolvadásával jön létre.
Foszforpentoxid: Foszforpentoxid: Kémiai tulajdonságok
A foszforpentoxid poláris vegyület. Az oxigén és a foszfor közötti elektronegativitáskülönbség 1,4, így a P-O kötések meglehetősen poláris jellegűek. Annak ellenére, hogy a foszforpentoxid poláris, vízzel nem oldódik, mert ehelyett exoterm hidrolízisnek megy keresztül. A foszforpentoxid anhidrid, ami azt jelenti, hogy egy vegyületből víz (H2O) eltávolításával keletkezik. A foszforpentoxid a foszforsav (H3PO4) megfelelő anhidridje, és vízzel heves reakcióba lépve foszforsavvá alakul, az egyenlet szerint:
P4O10 + 6H2O → 4H3PO4
A reakció változási entalpiája -177 kJ/mol, ami azt jelenti, hogy minden 1 mol P4O10-re 177 kJ energia szabadul fel hő formájában. Ez a reakció vízzel az egyik fő módszer a műtrágyák rendkívül fontos összetevőjének, a foszforsavnak az ipari mennyiségű előállítására.
A foszforpentoxid nem éghető, és oxigénnel nem reagál lángot keltve. A foszforpentoxid hidrolízisreakciója vízzel és víztartalmú anyagokkal, például fával azonban nagyon exoterm, és elegendő energiát szabadíthat fel ahhoz, hogy a víztartalmú anyag és a légkör között égési reakciót katalizáljon. A foszforpentoxid nagyon maró hatású a fémekre, és fémekkel érintkezve különböző fémoxidokat és foszfátfémeket képez. Az emberi szövetekre is nagyon maró hatású, és már alacsony koncentrációban is kémiai égési sérüléseket és légúti gyulladást okozhat.
Foszforpentoxid: Foszforpentoxid: Előállítás és felhasználás
A foszforpentoxid előállításának elsődleges módja történelmileg az elemi foszfor és az oxigén elégetése. A fehér foszfor, az elemi foszfor egyik allotropja, 4 foszforatomból álló, tetraéderes szerkezetben elrendezett molekulákból áll. Az elemi tetra-foszfor oxigénnel elégve foszforpentoxidot képez a következő reakció szerint:
P4 + 5O2 → P4O10
A legtöbb ilyen módon előállított foszforpentoxid foszforsav előállítására szolgál, bár a legújabb módszerekkel a foszforsav előállításához már nem kell fehér foszforból kiindulni.
A foszforpentoxid fő felhasználási területe a szárítószer. Mivel könnyen reagál a vízzel, a foszforpentoxid nyomokban vizet vonhat el a légkörből, hogy egy teret szárazon és nedvességmentesen tartson. A víz hidrolízise a foszforpentoxiddal a foszforsav gumiszerű rétegét hozza létre, amely gátolhatja vízelvonó tulajdonságait. Ezért a legtöbb ipari célra használt foszforpentoxidot szemcsés formában állítják elő. Foszforpentoxidot nem lehet foszforsav dehidratálásával képezni, mivel a reakció katalizálásához szükséges hő elegendő a felesleges víz kiforralásához.
A foszforpentoxid nedvszívó tulajdonságait gyakran használják fel számos sav megfelelő anhidriddé alakítására. Például a foszforpentoxid a salétromsavat (HNO3) a dinitrogén-pentoxid (N2O5) anhidridjévé alakítja át. A kénsavat (H2SO4) is átalakítja kéntrioxiddá (SO3) egy oxigén és két hidrogén eltávolításával; egyetlen vízmolekulát, és a hidrogén-perklorátot (HClO4) diklór-heptoxiddá (Cl2O7) alakítja.”
“A szerves kémiát a szénvegyületek kémiájaként határozzuk meg”. – August Kekule
A foszforpentoxid nagy részét, amelyet nem szárazanyagként használnak, más vegyületek előállításához használják fel köztes reakcióelemként. A szerves kémiában a foszforpentoxidot szerves vegyületek dehidratálására használják, például amidok nitrilekké alakítására, ami a szerves molekulák egy fontos osztálya, amelyet a gumigyártásban és laboratóriumi eljárásokban használnak.
Összefoglalva, a foszforpentoxid egy kovalens anhidridvegyület, amely elemi foszfor és oxigén égetésével jön létre. A foszforpentoxid erősen higroszkópos, így a közeli környezetből vizet vonz, és foszforsavval reagál. A foszforpentoxidot általában ipari szárítószerként használják, és köztes reagensként szerepet játszik a savak anhidriddé alakításában. Bár a vegyület egyetlen molekulájának molekuláris képlete P4O10, a P2O5 empirikus képlete miatt mégis foszforpentoxidnak nevezik. A foszforpentoxid egyedülálló abban a tekintetben, hogy több különböző polimorf formában létezik, amelyek eltérő molekuláris geometriával rendelkeznek. A leggyakoribb forma egy hexagonális cella, amely 4 különböző foszfor-tetraéderből áll. A foszforpentoxid maró hatású a fémekre, és már kis koncentrációban is károsíthatja az emberi szöveteket.