Условие задачи
Составьте формулы возможных солей фосфорной кислоты с аммиаком, кальцием, алюминием. Назовите их.
Решение
Наша задача относится к неорганической химии, а именно к реакциям нейтрализации фосфорной кислоты (H₃PO₄) с основаниями, в данном случае с аммиаком (NH₃), кальцием (Ca²⁺) и алюминием (Al³⁺). Фосфорная кислота – триосновная, то есть способна отдавать последовательно три протона. В результате её поэтапной нейтрализации получаются следующие анионы:
• H₂PO₄⁻ (дегидратированное, «дигидрофосфатное»),
• HPO₄²⁻ (гидрофосфатное),
• PO₄³⁻ (фосфатное).
Чтобы составить формулу соли, необходимо, чтобы суммарный заряд ионов-катионов и анионов давал 0.
Ниже приведены подробные расчёты для каждого случая.
─────────────────────────────
1. С аммиаком (NH₃)
Аммиак, действуя как основание, может нейтрализовать H₃PO₄, образуя ион NH₄⁺. В зависимости от степени нейтрализации возможны следующие соли:
a) При нейтрализации одного протона:
Формула соли: NH₄H₂PO₄
Заряд: NH₄⁺ (+1) и H₂PO₄⁻ (–1) дают нейтральное соединение.
Название: аммоний дигидрофосфат.
b) При нейтрализации двух протонов:
Формула соли: (NH₄)₂HPO₄
Заряд: два NH₄⁺ по +1 и HPO₄²⁻ (–2) дают суммарно 0.
Название: диаммоний гидрофосфат.
c) При полной нейтрализации (трёх протонов):
Формула соли: (NH₄)₃PO₄
Заряд: три NH₄⁺ (+3) и PO₄³⁻ (–3) дают нейтральное соединение.
Название: триаммоний фосфат.
─────────────────────────────
2. С кальцием (Ca²⁺)
Кальций имеет заряд +2. Из возможных анионов наиболее удачно подбирать такие, при которых заряд катиона и соответствующих анионов уравновешивается.
a) Если использовать ион H₂PO₄⁻ (заряд –1):
Чтобы компенсировать +2 кальция, необходимо два аниона.
Формула соли: Ca(H₂PO₄)₂
Название: монокальций дигидрофосфат.
b) Если использовать ион HPO₄²⁻ (заряд –2):
Один ион HPO₄²⁻ компенсирует заряд Ca²⁺.
Формула соли: CaHPO₄
Название: кальций гидрофосфат.
c) Если использовать ион PO₄³⁻ (заряд –3):
Чтобы составить нейтральную соль, подберём целочисленное соотношение. В данном случае три Ca²⁺ (3·(+2)=+6) комбинируются с двумя PO₄³⁻ (2·(–3)=–6).
Формула соли: Ca₃(PO₄)₂
Название: кальций фосфат.
─────────────────────────────
3. С алюминием (Al³⁺)
Алюминий имеет заряд +3. Выбираем анионы так, чтобы суммарный заряд был равен 0.
a) Если использовать H₂PO₄⁻ (заряд –1):
Чтобы нейтрализовать +3 алюминия, необходимо три аниона.
Формула соли: Al(H₂PO₄)₃
Название: алюминий дигидрофосфат.
b) При использовании PO₄³⁻ (заряд –3):
Один PO₄³⁻ компенсирует заряд Al³⁺.
Формула соли: AlPO₄
Название: алюминий фосфат.
Важно отметить, что использование промежуточного аниона HPO₄²⁻ для алюминия не даёт целого числа коэффицентов, так как 1 Al³⁺ и 1 HPO₄²⁻ дадут заряд +1, а для 2 Al³⁺ и 3 HPO₄²⁻ – 2·(+3)+3·(–2)=0, но формула Al₂(HPO₄)₃ может быть получена, однако она встречается реже и не является типичной для реакции фосфорной кислоты с алюминием.
─────────────────────────────
Итоговый перечень возможных солей:
1. С аммиаком:
• NH₄H₂PO₄ – аммоний дигидрофосфат
• (NH₄)₂HPO₄ – диаммоний гидрофосфат
• (NH₄)₃PO₄ – триаммоний фосфат
2. С кальцием:
• Ca(H₂PO₄)₂ – монокальций дигидрофосфат
• CaHPO₄ – кальций гидрофосфат
• Ca₃(PO₄)₂ – кальций фосфат
3. С алюминием:
• Al(H₂PO₄)₃ – алюминий дигидрофосфат
• AlPO₄ – алюминий фосфат
Таким образом, согласно правилам составления солей по степеням нейтрализации фосфорной кислоты, получаем перечисленные выше соединения.