Фосфор — неметалл, располагающийся в группе V периодической системы элементов. Его атом имеет электронную конфигурацию [Ne] 3s²3p³, что определяет валентность и характер химических связей. Фосфор встречается в нескольких аллотропных формах: белый, красный, черный и фиолетовый. Белый фосфор представляет собой молекулы P₄ с тетраэдрической структурой, очень реакционноспособен и ядовит. Красный фосфор образует полимерные цепи, обладает меньшей химической активностью и высокой термической стабильностью. Черный фосфор имеет слоистую кристаллическую структуру, наподобие графита, и хорошую электропроводность.
Фосфор проявляет разнообразие физических свойств в зависимости от аллотропной формы. Белый фосфор при нормальных условиях мягок, легко воспламеняется на воздухе и светится в темноте (хемилюминесценция). Красный и черный фосфор значительно более устойчивы к окислению и нагреванию. Плотность и твердость увеличиваются от белого к черному фосфору.
Химическая активность обусловлена энергетикой связей и строением молекул. Белый фосфор легко реагирует с кислородом, галогенами, щелочами, а также с некоторыми металлами. Красный и черный фосфор менее активны, вступают в реакции только при нагревании или катализаторах.
Фосфор образует соединения в различных степенях окисления: −3, +3, +5.
1. Фосфиды (степень окисления −3) Фосфиды металлов имеют типичные свойства солей: реакцию с водой, образование гидроксидов и щелочей. Например:
Ca3P2 + 6H2O → 3Ca(OH)2 + 2PH3
Фосфид водорода (PH₃) — бесцветный газ с неприятным запахом, сильный восстановитель.
2. Фосфиты и фосфаты (степень окисления +3 и +5) Фосфиты (H₃PO₃) — слабые кислоты, проявляют восстановительные свойства, используются в качестве редуцирующих агентов. Фосфаты (H₃PO₄ и соли) — основа минерального удобрения, строительных материалов и пищевых добавок. Они стабилизируют растворы, участвуют в буферных системах и формируют полифосфатные соединения с важными биохимическими функциями.
3. Галогенфосфоры Фосфор хлористый (PCl₃, PCl₅) активно используется как реагент в органическом синтезе для получения фосфороводородных соединений и органофосфорных веществ. PCl₃ является трихлоридом фосфора и выступает как слабая кислота Льюиса, взаимодействуя с водой с гидролизом:
PCl3 + 3H2O → H3PO3 + 3HCl
4. Органические фосфорные соединения Фосфор играет ключевую роль в органической химии, образуя эфиры и производные: триорганофосфаты (RO)₃P, которые применяются как стабилизаторы полимеров, пластификаторы и катализаторы. Биологически важны фосфоэфиры, входящие в состав нуклеотидов, АТФ и ДНК.
Фосфор необходим для жизнедеятельности, участвует в энергетическом обмене (АТФ), формировании костной ткани (гидроксиапатит Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂) и регуляции метаболических процессов. В промышленности фосфор используется для производства удобрений, спичек, пестицидов, моющих средств и органических соединений.
Белый фосфор ядовит, вызывает поражения печени, почек и нервной системы. Контакт с кожей и вдыхание паров опасны. Красный и черный фосфор относительно безопасны, но требуют контроля температуры и ограничения контакта с воздухом при нагревании.
Фосфор способен выполнять роль восстановителя, окислителя и ацилообразователя. Он вступает в реакции с галогенами, кислородом, азотсодержащими соединениями и металлами. Органические реакции включают превращения спиртов и кислот в фосфорорганические эфиры, а также участие в механизмах Виттига и Майкла.
Фосфор и его соединения демонстрируют уникальное сочетание химической активности, многообразия аллотропных форм и биохимической значимости, что делает их фундаментальными объектами изучения в общей химии.