Условие задачи
Осуществите превращения:
Са3(РО4)2 → Р → Na3P → РН3 → Н3РO4 → NH4H2PO4 → Na3PO4 → Ag3PO4.
Укажите условия протекания реакций.
Решение
Ниже приведён подробный синтез–план превращений, основанный на правилах неорганической химии (особенно дискретных синтезах фосфорсодержащих соединений) с указанием условий реакций. В данной задаче на последовательное преобразование кальциевого фосфата в осадок серебряного фосфата (Ag₃PO₄) используются стандартные методы полученияelementарного фосфора, его дальнейшего превращения в фосфид натрия, гидролиза до фосфина, его окисления до фосфорной кислоты, нейтрализации и последующего обменного осаждения.
Ниже приводится решение по этапам.
──────────────────────────────
1. Превращение: Ca₃(PO₄)₂ → P (элементарный фосфор)
Обычно для получения элементарного фосфора (P₄) используют термическое восстановление кальциевого фосфата с использованием угля и кварцевого песка (SiO₂) в электрическом печном аппарате. Примерная реакция выглядит так:
Ca₃(PO₄)₂ + 5 C + 3 SiO₂ → P₄ + 3 CaSiO₃ + 5 CO (высокотемпературное восстановление)
Условия: высокая температура (1300–1500 °C) в реакционной печи, наличие восстановителя (уголь) и флюса (SiO₂), инертная атмосфера.
──────────────────────────────
2. Превращение: P → Na₃P
Элементарный фосфор реагирует с натрием при нагревании с образованием фосфида натрия. При этом используют избыток металлического натрия в расплавленном состоянии. С практической точки зрения реакция пишется в виде:
P₄ + 12 Na → 4 Na₃P
Условия: проведение реакции при повышенной температуре (плавление Na) в инертной (например, атмосфера аргона) или вакуумной среде, так как реакция экзотермическая и чувствительна к кислороду.
──────────────────────────────
3. Превращение: Na₃P → PH₃
Фосфид натрия гидролизуется водой с образованием фосфина (PH₃) и щелочи. Реакция протекает по схеме:
Na₃P + 3 H₂O → PH₃ + 3 NaOH
Условия: прохождение гидролиза в водном растворе при комнатной температуре; реакция требует соблюдения мер безопасности, так как PH₃ – ядовитый и легко воспламеняющийся газ.
──────────────────────────────
4. Превращение: PH₃ → H₃PO₄
Фосфин при окислении кислородом превращается в фосфорную кислоту. Сбалансированное уравнение окисления выглядит так:
PH₃ + 2 O₂ → H₃PO₄
Пояснение к балансировке: по атомам – P: 1 → 1, H: 3 → 3, O: 4 с кислорода → 4 в H₃PO₄. Реакция протекает в воздухе или при добавлении чистого O₂; часто проводят её в водном растворе (а также в присутствии катализатора) для предотвращения рекомбинации фосфора или образования промежуточных кислот.
Условия: медленное пропускание кислорода через раствор PH₃ при контролируемой температуре (обычно 20–40 °C), что обеспечивает полное окисление до H₃PO₄.
──────────────────────────────
5. Превращение: H₃PO₄ → NH₄H₂PO₄
Нейтрализация фосфорной кислоты аммиаком даёт диаммонийфосфат (в нашем случае – моноаммоний дигидрофосфат). При требуемом соотношении получается соль NH₄H₂PO₄. Реакция выглядит так:
H₃PO₄ + NH₃ → NH₄H₂PO₄
Условия: реакция проводится в водном растворе при комнатной температуре с контролем количества вводимого NH₃ (примерно молярное соотношение 1 : 1), чтобы получить именно моноаммониевую соль.
──────────────────────────────
6. Превращение: NH₄H₂PO₄ → Na₃PO₄
Для получения натриевой соли фосфата осуществляют обменную реакцию – нейтрализацию аммонийной соли избытком щёлочи (NaOH). Чтобы полностью заменить все протонированные центры, необходимо трёхэквимолентное основание. Реакция можно записать следующим образом:
NH₄H₂PO₄ + 3 NaOH → Na₃PO₄ + NH₃ + 3 H₂O
Условия: протекает в водном растворе при умеренном нагревании (30–60 °C) с перемешиванием; выделяющийся NH₃ может удаляться из раствора.
──────────────────────────────
7. Превращение: Na₃PO₄ → Ag₃PO₄
Последнее превращение достигается реакцией обмена. Анион PO₄³⁻ из натриевой соли осаждается с ионами Ag⁺ при добавлении раствора нитрата серебра. Записываем реакцию:
Na₃PO₄ + 3 AgNO₃ → Ag₃PO₄↓ + 3 NaNO₃
Условия: реакция проводится в водном растворе при комнатной температуре, с интенсивным перемешиванием для образования мелкокристаллического осадка Ag₃PO₄, который затем фильтруют и промывают.
──────────────────────────────
Вывод
Таким образом, согласно стандартным методам неорганической синтезной химии, последовательность превращений выглядит так:
1. Ca₃(PO₄)₂ (высокотемпературное восстановление с C и SiO₂) →
P₄ (элементарный фосфор);
2. P₄ + 12 Na (при высокой температуре в инертной среде) →
Na₃P;
3. Na₃P + 3 H₂O (гидролиз при комнатной температуре) →
PH₃;
4. PH₃ + 2 O₂ (окисление в водном растворе с контролем температуры) →
H₃PO₄;
5. H₃PO₄ + NH₃ (нейтрализация в водном растворе) →
NH₄H₂PO₄;
6. NH₄H₂PO₄ + 3 NaOH (обменная реакция в водном растворе с умеренным нагреванием) →
Na₃PO₄;
7. Na₃PO₄ + 3 AgNO₃ (осаждение в водном растворе при комнатной температуре) →
Ag₃PO₄ (осадок).
Каждый этап требует соблюдения соответствующих температурных, атмосферных и концентрационных условий для получения целевого продукта и избежания побочных реакций.