Номер 1143, страница 180 - гдз по химии 11 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

1143. *Существует много кислот, содержащих атомы фосфора. Одной из них является фосфорноватистая кислота $H_3PO_2$. При н. у. она представляет собой бесцветные пластинчатые кристаллы, плавящиеся при 26,5 °C, хорошо растворимые в воде. При нагревании безводной кислоты до 130–140 °C она разлагается с выделением газа А и образованием ещё одной фосфорной кислоты Б, массовая доля фосфора в которой составляет 37,77 %. Кислота Б при дальнейшем нагревании также разлагается с выделением газа А и образованием ещё одной фосфорной кислоты В. Установите состав и приведите молекулярные и структурные формулы веществ А, Б и В. Приведите уравнения описанных в условии превращений.

Дано:

Исходное вещество: фосфорноватистая кислота $H_3PO_2$

Продукт Б: фосфорсодержащая кислота

Массовая доля фосфора в кислоте Б, $w(P) = 37,77 \% = 0,3777$

Температура разложения $H_3PO_2$: $130-140 \,^{\circ}C$

Найти:

Состав, молекулярные и структурные формулы веществ А, Б и В, уравнения описанных превращений.

Решение:

1. Установление состава кислоты Б

Кислота Б является кислородсодержащей кислотой фосфора. Обозначим ее общую формулу как $H_xP_yO_z$. Массовая доля фосфора $w(P)$ рассчитывается по формуле: $w(P) = \frac{y \cdot Ar(P)}{M(H_xP_yO_z)}$, где $Ar(P)$ - относительная атомная масса фосфора, а $M$ - молярная масса кислоты.

Примем, что в молекуле кислоты Б содержится один атом фосфора (y=1). Тогда ее молярную массу можно найти из соотношения, используя точные значения атомных масс ($Ar(P) \approx 30,97$): $M(Б) = \frac{Ar(P)}{w(P)} = \frac{30,97}{0,3777} \approx 82,00$ г/моль.

Среди известных кислот фосфора, такую молярную массу имеет фосфористая кислота $H_3PO_3$: $M(H_3PO_3) = 3 \cdot Ar(H) + Ar(P) + 3 \cdot Ar(O) \approx 3 \cdot 1,008 + 30,974 + 3 \cdot 16,000 = 82,00$ г/моль.

Рассчитанное значение полностью совпадает с молярной массой фосфористой кислоты. Таким образом, вещество Б – это фосфористая кислота.

2. Установление состава газа А и написание первого уравнения реакции

Разложение фосфорноватистой кислоты $H_3PO_2$ при нагревании с образованием фосфористой кислоты $H_3PO_3$ является реакцией диспропорционирования. В исходной кислоте $H_3PO_2$ степень окисления фосфора равна +1. В продукте реакции, кислоте $H_3PO_3$, степень окисления фосфора +3. Это означает, что часть атомов фосфора окислилась. Следовательно, в другом продукте (газе А) фосфор должен восстановиться, то есть принять более низкую степень окисления. Наиболее устойчивым газообразным соединением фосфора с низкой степенью окисления является фосфин, $PH_3$, где фосфор имеет степень окисления -3. Таким образом, газ А – это фосфин.

Составим уравнение реакции разложения $H_3PO_2$. Для этого составим электронный баланс:

$P^{+1} - 2e^- \rightarrow P^{+3}$ | 2 (окисление)

$P^{+1} + 4e^- \rightarrow P^{-3}$ | 1 (восстановление)

Чтобы число отданных и принятых электронов было равным, необходимо взять 2 атома $P^{+1}$ для окисления и 1 атом $P^{+1}$ для восстановления. Всего в реакции участвует 3 атома фосфора, следовательно, 3 молекулы исходной кислоты.

Уравнение реакции: $3H_3PO_2 \xrightarrow{130-140 \,^{\circ}C} PH_3 \uparrow + 2H_3PO_3$

3. Установление состава кислоты В и написание второго уравнения реакции

При дальнейшем нагревании кислота Б ($H_3PO_3$) также разлагается с выделением газа А ($PH_3$) и образованием новой кислоты В. Эта реакция также является диспропорционированием. Степень окисления фосфора в $H_3PO_3$ равна +3. В $PH_3$ она, как мы установили, -3 (продукт восстановления). Значит, в кислоте В степень окисления фосфора должна быть выше +3. Наиболее устойчивой кислотой фосфора с более высокой степенью окисления является ортофосфорная кислота $H_3PO_4$, где фосфор имеет степень окисления +5. Таким образом, кислота В – это ортофосфорная кислота.

Составим уравнение реакции разложения $H_3PO_3$ с помощью электронного баланса:

$P^{+3} - 2e^- \rightarrow P^{+5}$ | 3 (окисление)

$P^{+3} + 6e^- \rightarrow P^{-3}$ | 1 (восстановление)

Чтобы уравнять число электронов, необходимо взять 3 атома $P^{+3}$ для окисления и 1 атом $P^{+3}$ для восстановления. Всего в реакции участвует 4 атома фосфора.

Уравнение реакции: $4H_3PO_3 \xrightarrow{t} PH_3 \uparrow + 3H_3PO_4$

Ответ:

Вещество А – фосфин. Молекулярная формула: $PH_3$. Структурная формула:

Вещество Б – фосфористая кислота. Молекулярная формула: $H_3PO_3$. Структурная формула:

Вещество В – ортофосфорная кислота. Молекулярная формула: $H_3PO_4$. Структурная формула:

Уравнения описанных превращений:

1) $3H_3PO_2 \xrightarrow{130-140 \,^{\circ}C} PH_3 \uparrow + 2H_3PO_3$

2) $4H_3PO_3 \xrightarrow{t} PH_3 \uparrow + 3H_3PO_4$