氧化磷和含磷酸 Phosphorous Oxides and Oxyacids

化學原理啟迪456

Christian Dior | Fall Winter 2014/2015 Full Fashion Show

1.     在「磷氧」形成的氧化物中，「磷」的氧化數是＋5和＋3。磷元素在有限的氧氣供應下燃燒，會產生P4O6（氧化數＋3）。磷元素在過量氧的條件下燃燒，產生P4O10（氧化數＋5）。

2.     十氧化四磷P4O10，正式寫法是P2O5，稱為五氧化二磷phosphorus pentoxide，五氧化二磷（十氧化四磷）有強大的親水性，是強力的脫水劑。舉例來說，P4O10可將HNO3和H2SO4轉換成它們的母氧化物N2O5和SO3。

3.     十氧化四磷tetraphosphorus decoxide，溶解於水中，會產生磷酸phosphoric acid（H3PO4），又稱為正磷酸orthophosphoric acid。

P4O10(s)＋6H2O(l)→4H3PO4(aq)

4.     純磷酸是白色固體，在42℃融化，液態的磷酸，酸性比硝酸、硫酸弱（Ka1≒10^－2），是弱的氧化劑。

5.     磷礦石是磷酸的主要來源；與氮不同之處是，自然界的磷與其他元素結合在一起，主要是以PO4^3－離子形式出現在磷酸礦石，磷礦的成分是磷化鈣Ca3(PO4)2、氟磷灰石fluorapatite；

6.     磷化鈣、氟磷灰石可轉化成磷酸，方法是磨碎磷礦石，加入硫酸混合泥漿slurry：

Ca5(PO4)3F(s)＋5H2SO4(aq)＋10H2O(l)

→HF(aq)＋5CaSO4‧2H2O(s)＋3H3PO4(aq)

7.     磷化鈣Ca3(PO4)2的轉化，類似上述氟磷灰石反應，固體產物CaSO4‧2H2O，稱為石膏，可用來建築牆壁。

8.     氟磷灰石與硫酸混合製造磷酸的方法，稱為溼法wet process，溼法製造的是不純的磷（磷酸）；

9.     另一種製備法是磷礦石、矽砂SiO2和焦炭混合，在電爐加熱生成白磷：

12Ca5(PO4)3F＋43SiO2＋90C→9P4＋90CO＋20(3CaO‧2SiO2)＋3SiF4

10. 白磷在空氣中會燃燒形成十氧化四磷，十氧化四磷再與水結合成磷酸，磷酸很容易進行縮合反應condensation reactions；縮合反應就是，2個磷酸分子結合，去掉1個水分子。

11. 生成的產物H4P2O7稱為焦磷酸pyrophosphoric acid；焦磷酸繼續加熱即產生聚合物，例如，三聚磷酸tripolyphosphoric acid（H5P3O10），結構為：

12. 三聚磷酸的鈉鹽，被摻在洗滌劑中使用，因為P3O10^5－能與Mg²⁺和Ca²⁺這類離子結合成複合物，這樣可解決Mg²⁺和Ca²⁺干擾洗滌效果的問題。

13. 【例題】判斷磷酸分子的結構與中心原子的混成軌域。

14. 【解題】磷酸分子的氫原子與氧連接，路易斯結構如下：

特別留意，磷原子周遭包圍4個有效電子對，排列成四面體構造（雙鍵視為1個有效電子對）。磷酸分子的中心原子是sp³混成軌域。下圖為分子結構：

15. P4O6加入水中會生成亞磷酸phosphorous acid（H3PO3），雖然亞磷酸的化學式顯示為三質子酸triprotic acid，實際上是二質子酸diprotic acid，直接與磷連接的氫原子，在溶液中沒有酸性。

16. 在H3PO3中，只有與氧連接的氫原子，才能以質子酸的形式釋出。

17. 第三種含氧酸是次磷酸hypophosphorous acid（H3PO2），這是單質子酸。

n  翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》；圖片來源／goiit.com/posts、cwx.prenhall.com、dwb4.unl.edu/Chem、commons.wikimedia.org、chegg.com/homework-help