Cos’è il P4O10: pentossido di fosforo
Pentossido di fosforo è il nome comune del composto con formula chimica P4O10. Il pentossido di fosforo è un composto covalente che è composto da 4 atomi di fosforo (P) e 10 atomi di ossigeno (O). A volte è indicato come pentossido di difosforo, anidride fosforica e decossido di tetra fosforo.
“Senza fosforo, non ci sarebbero pensieri.” – Ludwig Buchner
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Il pentossido di fosforo è una sostanza solida, bianca e cerosa a temperatura ambiente e si presenta in 4 strutture cristalline distinte. È un anidride dell’acido fosforico ed è molto igroscopico, cioè assorbe facilmente l’acqua dall’atmosfera circostante. Come tale, il pentossido di fosforo è spesso usato come essiccante per mantenere i luoghi asciutti e liberi dall’umidità trasportata dall’aria.
Mentre viene conservato, il pentossido di fosforo reagisce con l’atmosfera per formare una pelle di acido fosforico intorno al composto. Questo strato di acido può impedire al pentossido di fosforo di estrarre l’acqua dall’aria, il che può renderlo meno efficace come essiccante. Per evitare questo, il pentossido di fosforo viene solitamente trasformato in una forma granulare per l’uso come essiccante. Storicamente, il pentossido di fosforo veniva creato tramite una reazione con fosforo bianco e ossigeno, ma altri metodi più efficienti di produzione hanno preso la precedenza.
Formula molecolare Vs. empirica
Un lettore astuto può notare qualcosa di strano. Perché il composto con la formula chimica P4O10 si chiama pentossido di fosforo? Dopo tutto, pent- è il prefisso della nomenclatura chimica che significa “cinque”, e la formula P4O10 indica chiaramente che ci sono 10 ossigeni. Che cosa dà?
In chimica, ci sono 2 tipi di formule chimiche, la formula molecolare e la formula empirica. Entrambe rappresentano i costituenti atomici di un dato composto, ma in modi diversi. La formula molecolare ti dice il tipo e il numero di atomi in una singola molecola libera del composto. La formula empirica ti dice il più semplice rapporto intero di elementi in un composto. 2 composti potrebbero avere le stesse formule molecolari diverse e la stessa formula empirica, come l’acetilene (C2H2) e il benzene (C6H6), che condividono entrambi la formula empirica di CH. Allo stesso modo, la formula empirica sia dell’etilene (C2H4) che del butene (C4H8) è CH2. La formula molecolare di un composto è uguale o è un numero intero multiplo della sua formula empirica.
A volte, il nome comune di un composto deriva dalla sua formula empirica invece della sua formula molecolare. È il caso del biossido di fosforo. Il pentossido di fosforo ha una formula molecolare di P4O10 e quindi ha una formula empirica di P2O5. Il “pent-” in “pentossido” deriva dalla formula empirica P2O5.
Nel caso del pentossido di fosforo, le molecole con una formula di P2O5 si associano tra loro per formare molecole più grandi di P4O10. Così, anche se la formula molecolare del pentossido di fosforo è P4O10, è ancora chiamato pentossido di fosforo a causa della sua formula empirica P2O5.
Pentossido di fosforo: Proprietà fisiche
“Chi sa se non è vero che il fosforo e la mente non sono la stessa cosa?” – Stendhal
Il pentossido di fosforo è unico in quanto può esistere in fino a 4 polimorfi distinti. La forma più comune è una singola molecola di P4O10, che si forma dalla coesione di due piccole molecole di P2O5. Il P2O5 ha una configurazione molecolare molto instabile, quindi due molecole si uniranno per formare una singola molecola più grande di P4O10, e si disporranno secondo il seguente diagramma:
Questa particolare configurazione è strutturata come 4 tetraedri, ognuno dei quali condivide una gamba con un altro. Ogni tetraedro è composto da un atomo di fosforo centrale circondato da 4 atomi di ossigeno, dove i tre atomi di ossigeno di base di ogni tetraedro sono condivisi. Una singola molecola di pentossido di fosforo assomiglia un po’ a una piccola cella esagonale con atomi di ossigeno terminali che sporgono dai lati. La particolare configurazione delle molecole rende il pentossido di fosforo meno denso della maggior parte dei solidi cristallini, con una densità di soli 2,3 g/cm3. La struttura geometrica del pentossido di fosforo è simile al cristallo di idrocarburo adamantano e ha un punto di fusione relativamente alto per i composti covalentemente legati a 340 °C. Il punto di ebollizione del pentossido di fosforo è solo 20 °C più alto del suo punto di fusione, quindi spesso salta la fusione e sublima direttamente in un gas.
La cella esagonale di una molecola di pentossido di fosforo è tenuta insieme da deboli forze di van der Waals, l’attrazione elettrostatica tra molecole. Il pentossido di fosforo contiene 6 legami P-O-P e 4 legami P=O. Le interazioni dipolo-dipolo dei legami P-O-P sono ciò che tiene insieme la molecola. I legami P-O-P sono polari con una valenza negativa sull’atomo di ossigeno.
Tutti i polimorfi del pentossido di fosforo si basano su disposizioni tetraedriche degli atomi di fosforo e ossigeno. Sono generalmente formati con doppi legami P=O come la forma o’-(P2O5) mostrata qui sotto.
Molti dei polimorfi hanno una disposizione molecolare leggermente diversa dal normale pentossido di fosforo. Per esempio, la forma “O” stabile consiste in disposizioni cicliche di anelli P6O6, simili alla struttura di vari minerali di silicato. Uno dei polimorfi del pentossido di fosforo è un vetro amorfo creato dalla fusione di due polimorfi differenti.
Pentossido di fosforo: Proprietà chimiche
Il pentossido di fosforo è un composto polare. La differenza di elettronegatività tra ossigeno e fosforo è 1,4, rendendo i legami P-O piuttosto polari in natura. Anche se il pentossido di fosforo è polare, non sarà dissolto dall’acqua perché invece subisce un’idrolisi esotermica. Il pentossido di fosforo è un anidride, il che significa che si forma rimuovendo l’acqua (H2O) da un composto. Il pentossido di fosforo è l’anidride corrispondente dell’acido fosforico (H3PO4) e reagirà violentemente con l’acqua per formare fosforico, secondo l’equazione:
P4O10 + 6H2O → 4H3PO4
L’entalpia di cambiamento di questa reazione è -177 kJ/mol, il che significa che per ogni 1 mole di P4O10, 177 kJ di energia sono rilasciati sotto forma di calore. Questa reazione con l’acqua è uno dei metodi principali per produrre quantità industriali di acido fosforico, un ingrediente estremamente importante nei fertilizzanti.
Il pentossido di fosforo non è combustibile e non reagisce con l’ossigeno per produrre una fiamma. Tuttavia, la reazione di idrolisi dell’anidride fosforica con acqua e sostanze contenenti acqua come il legno è molto esotermica e può rilasciare abbastanza energia per catalizzare una reazione di combustione tra il materiale contenente acqua e l’atmosfera. Il pentossido di fosforo è molto corrosivo per i metalli e forma vari ossidi di metallo e metalli fosfati quando viene messo in contatto con i metalli. È anche molto corrosivo per i tessuti umani e può causare ustioni chimiche e infiammazioni respiratorie, anche a basse concentrazioni.
Pentossido di fosforo: Produzione e uso
Storicamente il metodo principale per formare il pentossido di fosforo è attraverso la combustione di fosforo elementare e ossigeno. Il fosforo bianco, uno degli allotropi del fosforo elementare, è fatto di molecole composte da 4 atomi di fosforo disposti in una struttura tetraedrica. Il tetra fosforo elementare brucia in ossigeno per formare il pentossido di fosforo secondo la seguente reazione:
P4 + 5O2 → P4O10
La maggior parte del pentossido di fosforo prodotto in questo modo è allo scopo di fare l’acido fosforico, anche se metodi recenti hanno rimosso la necessità di partire dal fosforo bianco per fare l’acido fosforico.
L’uso principale del pentossido di fosforo è come essiccante. Poiché reagisce prontamente con l’acqua, l’anidride fosforica può estrarre tracce di acqua dall’atmosfera per mantenere uno spazio asciutto e senza umidità. L’idrolisi dell’acqua con il pentossido di fosforo crea uno strato gommoso di acido fosforico che può inibire le sue proprietà di rimozione dell’acqua. Questo è il motivo per cui la maggior parte del pentossido di fosforo usato per scopi industriali è fatto in forma granulare. Non è possibile formare il pentossido di fosforo attraverso la disidratazione dell’acido fosforico, poiché il calore richiesto per catalizzare la reazione è sufficiente a far bollire l’acqua in eccesso.
Le proprietà essiccanti del pentossido di fosforo sono spesso utilizzate per convertire un certo numero di acidi nei loro corrispondenti anidridi. Per esempio, il pentossido di fosforo converte l’acido nitrico (HNO3) nel suo anidride pentossido di dinitrogeno (N2O5). Converte anche l’acido solforico (H2SO4) in triossido di zolfo (SO3) rimuovendo un ossigeno e due idrogeni; una singola molecola d’acqua, e converte il perclorato di idrogeno (HClO4) in eptossido di dicloro (Cl2O7).
“Definiamo la chimica organica come la chimica dei composti di carbonio”. – August Kekule
La maggior parte del pentossido di fosforo che non è usato come essiccante è usato come reattivo intermedio per creare altri composti. In chimica organica, il pentossido di fosforo è usato per disidratare i composti organici, come convertire le ammidi in nitrili, una classe importante di molecole organiche usate nella produzione della gomma e nelle procedure di laboratorio.
In sintesi, il pentossido di fosforo è un composto covalente anidro che si forma attraverso la combustione di fosforo elementare e ossigeno. L’anidride fosforica è altamente igroscopica, quindi attira l’acqua dall’ambiente circostante e reagisce per formare acido fosforico. Il pentossido di fosforo è normalmente usato come essiccante industriale e gioca un ruolo come reattivo intermedio per trasformare gli acidi nelle loro controparti anidride. Anche se una singola molecola del composto ha una formula molecolare di P4O10, è ancora chiamato pentossido di fosforo a causa della sua formula empirica P2O5. Il pentossido di fosforo è unico in quanto esiste in diversi polimorfi che hanno diverse geometrie molecolari. La forma più comune è una cella esagonale composta da 4 tetraedri di fosforo distinti. Il pentossido di fosforo è corrosivo per i metalli e può danneggiare i tessuti umani anche in piccole concentrazioni.