Условие задачи
Чем объяснить, что элемент фосфор способен к образованию аллотропных модификаций? Опишите структуру красного и чёрного фосфора.
Решение
Ответ основан на принципах неорганической химии, в частности, на явлении аллотропии, которое возникает из-за возможности атомов одного элемента образовывать несколько энергетически близких (но различающихся по строению) пространственных структур. У фосфора это связано с особенностями его электронной конфигурации и склонностью атомов P образовывать различные типы P–P связей при малых энергетических затратах.
Объяснение аллотропии фосфора:
• Фосфор имеет пять валентных электронов, что позволяет ему формировать различные связи с другими атомами того же элемента.
• Из-за этого атомы могут объединяться в молекулы P₄ (как в белом фосфоре) или же перестраиваться в более протяжённые полимерные или кристаллические сети (как в красном и чёрном фосфоре).
• Различные аллотропные формы фосфора (белый, красный, чёрный) имеют разные типы связи, что приводит к различиям в стабильности, физико-химических свойствах и кристаллической структуре.
Структура красного фосфора:
• Красный фосфор получают при нагревании белого фосфора (при 250 °С и выше) или при длительном воздействии света.
• В нём молекулы P₄ открываются, и атомы вступают в образование полимерной (сетевой) структуры.
• Структурно красный фосфор представляет собой неупорядоченную или аморфную сеть, где отдельные P₄ фрагменты (тетраэдры) соединены между собой посредством дополнительных P–P связей, образуя цепочки и сетчатую структуру.
• Такая полимеризация снижает энергетическое напряжение, присущее молекулам P₄ в белом фосфоре, и делает красный фосфор менее реакционноспособным.
Структура чёрного фосфора:
• Чёрный фосфор получают при воздействии высоких температур и давления или длительном термическом превращении красного фосфора.
• Его кристаллическая структура напоминает структуру графита, но с существенными отличиями.
• Атомы в чёрном фосфоре располагаются в виде слоёв, каждый из которых представляет собой двухмерную решётку с «волнистой» (кирчатой) структурой.
• В каждом слое атомы фосфора ковалентно связаны с тремя ближайшими соседями, что создаёт прочную, но слоистую структуру; между слоями преобладают слабые ван-дер-ваальсовы силы, что объясняет направленную (анизотропную) проводимость и физические свойства, сходные с графитом.
Таким образом, возможность формирования различных аллотропных форм у фосфора обуславливается его способностью образовывать молекулярные (P₄) и полимерные (сеть связей) структуры, а также структурные преобразования под действием температуры и давления, что приводит к появлению различных структурных модификаций с различными свойствами.