Условие задачи
Составьте уравнения реакций в соответствии со схемой: P ⟶ P2O5 ⟶ H3PO4 ⟶ Ca(H2PO4)2 ⟶ Ca3(PO4)2 ⟶ H3PO4.
Решение
Ниже приведён подробный разбор задачи по неорганической химии (реакционная схема превращения фосфора в фосфорную кислоту с образованием фосфатных соединений) с составлением баланcированных уравнений.
─────────────────────────────
1. Окисление фосфора до оксида фосфора(V) (P₂O₅)
Известно, что белый фосфор при окислении воздухом даёт P₂O₅. Балансировка уравнения выглядит так:
4P + 5O₂ → 2P₂O₅
Проверка:
– Фосфор: 4 атома с левой стороны; 2×2 = 4 атома с правой.
– Кислород: 5×2 = 10 атомов слева; 2P₂O₅ содержит 2×5 = 10 атомов кислорода.
─────────────────────────────
2. Гидратация оксида фосфора до фосфорной кислоты
Оксид P₂O₅ при реакции с водой образует фосфорную кислоту:
P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄
Проверка:
– Фосфор: 2 атома слева, 2×1 = 2 атома в H₃PO₄ справа.
– Водород: 3×2 = 6 атомов водорода слева, 2×3 = 6 атомов справа.
– Кислород: слева 5 + 3 = 8 атомов; справа 2×4 = 8 атомов.
─────────────────────────────
3. Получение монокальциевой фосфорной кислоты (Ca(H₂PO₄)₂)
Обычно её получают при реакции фосфорной кислоты с известняком (CaCO₃). Уравнение реакции выглядит следующим образом:
CaCO₃ + 2H₃PO₄ → Ca(H₂PO₄)₂ + CO₂ + H₂O
Проверка:
– Кальций: по 1 атому слева и справа.
– Фосфор: 2 молекулы H₃PO₄ содержат 2 атома фосфора; в Ca(H₂PO₄)₂ – также 2 атома.
– Водород: 2H₃PO₄ – 2×3 = 6; в Ca(H₂PO₄)₂ – каждая группа H₂PO₄ содержит 2 H, а их две дают 4; плюс 2 из H₂O – всего 6.
– Углерод: 1 атом в CaCO₃ → 1 атом в CO₂.
– Кислород: слева 3 (в CaCO₃) + 2×4 (в 2H₃PO₄, т.к. каждая H₃PO₄ содержит 4 O) = 3 + 8 = 11; справа 8 в Ca(H₂PO₄)₂ (каждая H₂PO₄ имеет 4 O) + 2 в CO₂ + 1 в H₂O = 8+2+1 = 11.
─────────────────────────────
4. Термическая переработка монокальциевой фосфорной кислоты в трикальциевый фосфат
При обжиге (конденсации) монокальциевой фосфорной кислоты происходит реакция:
3Ca(H₂PO₄)₂ → Ca₃(PO₄)₂ + 4H₃PO₄
Проверка:
– Кальций: 3 атома с левой стороны; в Ca₃(PO₄)₂ – 3 атома.
– Фосфор: слева 3×2 = 6 атомов; справа: 2 (в Ca₃(PO₄)₂, т.к. PO₄ содержит 1 P, а их 2) + 4×1 = 6 атомов.
– Водород: слева 3×4 = 12 атомов; справа 4×3 = 12.
– Кислород: слева 3×8 = 24; справа, в Ca₃(PO₄)₂ – 2×4 = 8, в 4H₃PO₄ – 4×4 = 16, всего 8+16 = 24.
─────────────────────────────
5. Кислотная обработка трикальциевого фосфата с образованием фосфорной кислоты
На последнем этапе производится кислотное растворение трикальциевого фосфата. Один из вариантов – реакция с соляной кислотой:
Ca₃(PO₄)₂ + 6HCl → 2H₃PO₄ + 3CaCl₂
Проверка:
– Кальций: 3 атома слева; 3CaCl₂ – 3 атома.
– Фосфор: 2 атома в (PO₄)₂ слева; 2H₃PO₄ – 2 атома.
– Хлор: 6 атомов с HCl; 3×2 = 6 атомов в CaCl₂.
– Водород: 6 атомов в 6HCl; 2×3 = 6 в H₃PO₄.
– Кислород: 2×4 = 8 атомов в Ca₃(PO₄)₂; 2H₃PO₄ – 2×4 = 8.
─────────────────────────────
Итоговая схема превращений:
1) 4P + 5O₂ → 2P₂O₅
2) P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄
3) CaCO₃ + 2H₃PO₄ → Ca(H₂PO₄)₂ + CO₂ + H₂O
4) 3Ca(H₂PO₄)₂ → Ca₃(PO₄)₂ + 4H₃PO₄
5) Ca₃(PO₄)₂ + 6HCl → 2H₃PO₄ + 3CaCl₂
─────────────────────────────
Таким образом, используя правила составления и балансировки реакционных уравнений в неорганической химии, получили последовательность переходов от фосфора до фосфорной кислоты через промежуточные соединения.