Wat is P4O10: fosforpentoxide
Fosforpentoxide is de algemene naam voor de verbinding met de chemische formule P4O10. Fosforpentoxide is een covalente verbinding die is samengesteld uit 4 fosforatomen (P) en 10 zuurstofatomen (O). Het wordt soms ook aangeduid als difosforpentoxide, fosforzuuranhydride en tetrafosfordechoxide.
“Zonder fosfor zouden er geen gedachten zijn.” – Ludwig Buchner
ADVERTENTIE
Fosforzuurpentoxide is een vaste, witte, wasachtige stof bij kamertemperatuur en komt voor in 4 verschillende kristallijne structuren. Het is een anhydride van fosforzuur en is zeer hygroscopisch, wat betekent dat het gemakkelijk water uit de omringende atmosfeer absorbeert. Als zodanig wordt fosforzuuranhydride vaak gebruikt als droogmiddel om plaatsen droog te houden en vrij van vocht in de lucht.
Tijdens de opslag reageert fosforzuuranhydride met de atmosfeer om een schil van fosforzuur rond de verbinding te vormen. Deze zuurlaag kan verhinderen dat fosforpentoxide water aan de lucht onttrekt, waardoor het minder doeltreffend wordt als droogmiddel. Om dit te voorkomen wordt fosforzuuranhydride gewoonlijk verwerkt tot een korrelvorm voor gebruik als droogmiddel. Vroeger werd fosforpentoxide gemaakt via een reactie met witte fosfor en zuurstof, maar andere, efficiëntere productiemethoden hebben de overhand gekregen.
Moleculaire Vs. Empirische Formule
Een scherpzinnige lezer zal misschien iets vreemds opmerken. Waarom wordt de verbinding met de chemische formule P4O10 fosforpentoxide genoemd? Pent- is immers het voorvoegsel van de chemische nomenclatuur dat “vijf” betekent, en de formule P4O10 geeft duidelijk aan dat er 10 oxygenen zijn. Wat geeft dat?
In de chemie zijn er 2 soorten chemische formules, de moleculaire formule en de empirische formule. Beide geven de atomaire bestanddelen van een bepaalde verbinding weer, maar op verschillende manieren. De molecuulformule geeft het soort en aantal atomen aan in een vrijstaand enkel molecuul van de verbinding. De empirische formule zegt u de eenvoudigste gehele verhouding van elementen in een verbinding. 2 verbindingen kunnen dezelfde moleculaire formules hebben en dezelfde empirische formule, zoals acetyleen (C2H2) en benzeen (C6H6), die beide de empirische formule van CH delen. Evenzo is de empirische formule voor zowel ethyleen (C2H4) als buteen (C4H8) CH2. De molecuulformule van een verbinding is gelijk aan of is een geheel getal veelvoud van zijn empirische formule.
Soms wordt de gewone naam voor een verbinding afgeleid van zijn empirische formule in plaats van zijn molecuulformule. Dat is het geval met fosforpentoxyde. Fosforpentoxide heeft als molecuulformule P4O10 en dus als empirische formule P2O5. De “pent-” in “pentoxide” komt van de empirische formule P2O5.
In het geval van fosforpentoxide zullen moleculen met een formule van P2O5 zich met elkaar associëren om grotere moleculen van P4O10 te vormen. Dus hoewel de moleculaire formule van fosforpentoxide P4O10 is, wordt het nog steeds fosforpentoxide genoemd op grond van zijn empirische formule P2O5.
Fosforpentoxide: Physical Properties
“Wie weet of het niet waar is dat fosfor en geest niet hetzelfde ding zijn?” – Stendhal
Fosforpentoxide is uniek in die zin dat het in wel vier verschillende polymorften kan bestaan. De meest voorkomende vorm is een enkele molecule P4O10, die ontstaat uit de cohesie van twee kleinere P2O5-moleculen. P2O5 heeft een zeer onstabiele moleculaire configuratie, zodat twee moleculen zich samenvoegen tot één groter molecuul P4O10, en zich rangschikken volgens het volgende diagram:
Deze specifieke configuratie is gestructureerd als 4 tetraëders, die elk een poot delen met een andere. Elke tetraëder bestaat uit een centraal fosforatoom omgeven door 4 zuurstofatomen, waarbij de drie zuurstofatomen van de basis van elke tetraëder worden gedeeld. Een enkel molecuul fosforpentoxide ziet er een beetje uit als een kleine zeshoekige cel met eindstandige zuurstofatomen die aan de zijkanten uitsteken. De bijzondere configuratie van de moleculen maakt fosforpentoxide minder dicht dan de meeste kristallijne vaste stoffen, met een dichtheid van slechts 2,3 g/cm3. De geometrische structuur van fosforpentoxide is vergelijkbaar met die van het koolwaterstofkristal adamantaan en het heeft een relatief hoog smeltpunt voor covalent gebonden verbindingen, namelijk 340 °C. Het kookpunt van fosforpentoxide ligt slechts 20 °C hoger dan het smeltpunt, zodat het vaak het smelten overslaat en direct in een gas sublimeert.
De zeshoekige cel van een molecule fosforpentoxide wordt bijeengehouden door zwakke van der Waals krachten – de elektrostatische aantrekkingskracht tussen moleculen. Fosforpentoxide bevat 6 P-O-P bindingen en 4 P=O bindingen. De dipool-dipool interacties van de P-O-P bindingen zijn wat het molecuul bij elkaar houdt. P-O-P bindingen zijn polair met een negatieve valentie op het zuurstofatoom.
Alle polymorfen van fosforpentoxide zijn gebaseerd op tetrahedrale opstellingen van fosfor- en zuurstofatomen. Ze worden meestal gevormd met P=O dubbele bindingen, zoals de o’-(P2O5) vorm hieronder.
Vele van de polymorfen hebben een iets andere moleculaire rangschikking dan gewone fosforpentoxide. Zo bestaat de stabiele “O” vorm uit cyclische rangschikkingen van P6O6 ringen, vergelijkbaar met de structuur van verschillende silicaat mineralen. Een van de polymorfen van fosforpentoxide is een amorf glas dat ontstaat door het samensmelten van twee verschillende polymorfen.
Fosforpentoxide: Chemische Eigenschappen
Fosforpentoxide is een polaire verbinding. Het verschil in elektronegativiteit tussen zuurstof en fosfor is 1,4, waardoor P-O bindingen nogal polair van aard zijn. Hoewel fosforpentoxide polair is, zal het niet door water worden opgelost omdat het in plaats daarvan exotherme hydrolyse ondergaat. Fosforzuuranhydride is een anhydride, wat betekent dat het gevormd wordt door het verwijderen van water (H2O) uit een verbinding. Fosforzuuranhydride is het overeenkomstige anhydride van fosforzuur (H3PO4) en zal heftig reageren met water om fosforzuur te vormen, volgens de vergelijking:
P4O10 + 6H2O → 4H3PO4
De enthalpie van de verandering van deze reactie is -177 kJ/mol, wat betekent dat voor elke 1 mol P4O10 177 kJ aan energie vrijkomt in de vorm van warmte. Deze reactie met water is een van de belangrijkste methoden om industriële hoeveelheden fosforzuur te produceren, een uiterst belangrijk ingrediënt in meststoffen.
Fosforzuuranhydride is onbrandbaar en zal niet met zuurstof reageren om een vlam te produceren. De hydrolysereactie van fosforpentoxide met water en waterhoudende stoffen zoals hout is echter zeer exotherm en kan genoeg energie vrijmaken om een verbrandingsreactie tussen het waterhoudende materiaal en de atmosfeer te katalyseren. Fosforzuuranhydride is zeer corrosief voor metaal en zal verschillende metaaloxiden en fosfaatmetalen vormen wanneer het in contact komt met metalen. Het is ook zeer corrosief voor menselijk weefsel en kan chemische brandwonden en ontstekingen van de luchtwegen veroorzaken, zelfs bij lage concentraties.
Fosforpentoxide: Production and Use
Historically the primary method of forming phosphorus pentoxide is through the combustion of elemental phosphorus and oxygen. Witte fosfor, een van de allotropen van elementaire fosfor, bestaat uit moleculen die zijn samengesteld uit 4 fosforatomen die in een tetrahedral structuur zijn gerangschikt. Elementair tetrafosfor verbrandt in zuurstof om fosforpentoxide te vormen volgens de volgende reactie:
P4 + 5O2 → P4O10
De meeste op deze manier geproduceerde fosforpentoxide is bedoeld om fosforzuur te maken, hoewel recente methoden de noodzaak hebben weggenomen om te beginnen met witte fosfor om fosforzuur te maken.
Het belangrijkste gebruik van fosforpentoxide is als een droogmiddel. Omdat het gemakkelijk reageert met water, kan fosforpentoxide sporen van water uit de atmosfeer onttrekken om een ruimte droog en vochtvrij te houden. Bij de hydrolyse van water met fosforpentoxide ontstaat een gomachtige laag fosforzuur die zijn waterafscheidende eigenschappen kan belemmeren. Dit is de reden waarom het meeste fosforzuuranhydride dat voor industriële doeleinden wordt gebruikt, wordt gemaakt in korrelvorm. Het is niet mogelijk om fosforpentoxide te vormen via de dehydratatie van fosforzuur, omdat de warmte die nodig is om de reactie te katalyseren voldoende is om het overtollige water weg te koken.
De dehydraterende eigenschappen van fosforpentoxide worden vaak gebruikt om een aantal zuren om te zetten in hun overeenkomstige anhydriden. Zo zet fosforpentoxide salpeterzuur (HNO3) om in zijn anhydride dinitrogen pentoxide (N2O5). Het zet ook zwavelzuur (H2SO4) om in zwaveltrioxide (SO3) door één zuurstof en twee hydrogenen te verwijderen; één watermolecuul, en het zet waterstofperchloraat (HClO4) om in dichloorheptaanoxide (Cl2O7).
“Wij definiëren organische chemie als de chemie van koolstofverbindingen.” – August Kekule
Het grootste deel van het fosforzuuranhydride dat niet als droogmiddel wordt gebruikt, wordt gebruikt als tussenreagens om andere verbindingen te maken. In de organische chemie wordt fosforpentoxide gebruikt om organische verbindingen te dehydrateren, zoals het omzetten van amiden in nitrillen, een belangrijke klasse van organische moleculen die worden gebruikt bij de fabricage van rubber en in laboratoriumprocedures.
Samengevat is fosforpentoxide een anhydride covalente verbinding die wordt gevormd door de verbranding van elementair fosfor en zuurstof. Fosforzuuranhydride is sterk hygroscopisch, zodat het water uit de omgeving zal onttrekken en zal reageren tot fosforzuur. Fosforzuuranhydride wordt gewoonlijk gebruikt als industrieel droogmiddel en speelt een rol als tussenreactor om zuren om te zetten in hun anhydride tegenhangers. Hoewel één molecule van de verbinding een moleculaire formule van P4O10 heeft, wordt het nog steeds fosforpentoxide genoemd op grond van zijn empirische formule P2O5. Fosforzuuranhydride is uniek in die zin dat het bestaat in verschillende polymorfen die verschillende moleculaire geometrieën hebben. De meest voorkomende vorm is een zeshoekige cel, bestaande uit 4 afzonderlijke fosfortetraëders. Fosforpentoxide is corrosief voor metalen en kan zelfs in kleine concentraties menselijk weefsel aantasten.