Условие задачи

Составьте уравнения реакций следующих превращений:Ca3(PO4)2 ⟶ P ⟶ P2O5 ⟶ Ca(H2PO4)2 ⟶ Ca3(PO4)2Укажите условия их протекания.

Решение

Ниже приведён подробный разбор задачи по неорганической химии (химия фосфора, промышленное производство фосфора и фосфорных удобрений). В ней необходимо записать последовательность химических превращений от фосфорита (трехкальцийфосфата) до элементарного фосфора, затем до пентаоксида фосфора, превращения в дигидрофосфат кальция и затем получения исходного трёхкальцийфосфата. Решение основывается на классических технологических процессах и балансировке реакций.

─────────────────────────────
1. Получение элементарного фосфора из кальцийфосфата

Исходное вещество – трёхкальцийфосфат, имеющий формулу
Ca₃(PO₄)₂.

В промышленном производстве фосфорной кислоты используют фосфорную металлургию. При этом для восстановления фосфатной руды (фосфорита) применяют смесь кокса и »шамотной« кислевой смеси (обычно оксидом кремния). Стандартная сбалансированная реакция выглядит так (при этом в продукции фосфор присутствует в виде тетраэдрической молекулы P₄):

2 Ca₃(PO₄)₂ + 6 SiO₂ + 10 C → 6 CaSiO₃ + 10 CO + P₄

Условия протекания реакции:
– Высокая температура (примерно 1500 °С)
– Электродуговая печь
– Редукционная атмосфера (наличие кокса)
– Добавление SiO₂ (песок, шпат) способствует образованию шпатистого шламового продукта (CaSiO₃).

─────────────────────────────
2. Окисление элементарного фосфора до пентаоксида фосфора

Элементарный белый фосфор (P₄) при контакте с кислородом воздуха окисляется до пентаоксида фосфора (P₂O₅). Сбалансированное уравнение:

P₄ + 5 O₂ → 2 P₂O₅

Условия реакции:
– Проведение в воздушной (кислородсодержащей) среде
– Автокаталитическая, экзотермическая реакция (горение белого фосфора).

─────────────────────────────
3. Гидратация пентаоксида фосфора до фосфорной кислоты

P₂O₅ является высокосушильным веществом, и при взаимодействии с водой он гидролизуется с образованием фосфорной кислоты:

P₂O₅ + 3 H₂O → 2 H₃PO₄

Условия реакции:
– Добавление воды (обычно проводят гидратацию при контролируемой температуре)
– Экзотермическая реакция, требующая охлаждения для предотвращения перегрева.

─────────────────────────────
4. Получение дигидрофосфата кальция из фосфорной кислоты и кальцийфосфата

На стадии технологии удобрений фосфорную кислоту используют для аклиматизации (обработки) фосфорита. При добавлении фосфорной кислоты к Ca₃(PO₄)₂ образуется моно­(точнее – ди­) гидрофосфат кальция. Сбалансированное уравнение реакции имеет вид:

Ca₃(PO₄)₂ + 4 H₃PO₄ → 3 Ca(H₂PO₄)₂

Пояснения по балансировке:
– В левой части: 3 атома Ca, общее число атомов P – 2 (из Ca₃(PO₄)₂) + 4 = 6, H – 4×3 = 12, O – 2×4 + 4×4 = 8 + 16 = 24.
– В правой части: 3 молекулы Ca(H₂PO₄)₂ содержат 3 атома Ca, 3×2 = 6 атомов P, 3×(2×2 = 4) = 12 атомов H и 3×(2×4 = 8) = 24 атома O.

Условия реакции:
– Реакция проводится в водном или кислой среде (аклиматизация руды)
– Температура близка к комнатной (смешивание и перемешивание реагентов).

─────────────────────────────
5. Получение кальцийфосфата (фосфорита) из дигидрофосфата кальция

Для замкнутого технологического цикла (например, при получении удобрений с разными характеристиками) дигидрофосфат кальция могут подвергать термическому преобразованию с выделением фосфорной кислоты, что приводит к образованию исходного фосфорита. Обратная реакция выглядит так:

3 Ca(H₂PO₄)₂ → Ca₃(PO₄)₂ + 4 H₃PO₄

Проверка балансировки:
– Левая часть: 3 Ca, 3×2 = 6 P, 3×(2×2 = 4) = 12 H, 3×(2×4 = 8) = 24 O.
– Правая часть: Ca₃(PO₄)₂ – 3 Ca, 2 P, 8 O; плюс 4 молекул H₃PO₄ – 4×3 = 12 H, 4 O₄ = 16 O, и 4 P; суммарно: P = 2 + 4 = 6, H = 12, O = 8 + 16 = 24.

Условия реакции:
– Применяется нагрев (термическая обработка, кальцинация)
– Происходит при температуре, достаточной для дегидратации и выделения фосфорной кислоты из дигидрофосфата кальция.

─────────────────────────────
Краткий итог последовательности превращений:

1. 2 Ca₃(PO₄)₂ + 6 SiO₂ + 10 C → 6 CaSiO₃ + 10 CO + P₄
(высокотемпературное восстановление в электродуговой печи с коксовым восстановителем)

2. P₄ + 5 O₂ → 2 P₂O₅
(окисление белого фосфора при горении в воздухе)

3. P₂O₅ + 3 H₂O → 2 H₃PO₄
(гидратация, экзотермическая реакция с водой)

4. Ca₃(PO₄)₂ + 4 H₃PO₄ → 3 Ca(H₂PO₄)₂
(аклиматизация фосфорита фосфорной кислотой для получения удобрения)

5. 3 Ca(H₂PO₄)₂ → Ca₃(PO₄)₂ + 4 H₃PO₄
(термический расклад дигидрофосфата кальция с выделением H₃PO₄)

Таким образом, использованы классические правила неорганической химии для балансировки реакций с учётом технологических условий протекания каждого шага.