Пентаоксид фосфора — это химическое соединение с молекулярной формулой P4O10 (его общее название происходит от его эмпирической формулы P2O5 ) . Это белое кристаллическое вещество является ангидридом фосфорной кислоты . Это мощный осушитель и дегидратирующий агент .
Пентаоксид фосфора кристаллизуется по крайней мере в четырех формах или полиморфах . Наиболее известная из них, метастабильная форма [1] (показана на рисунке), состоит из молекул P 4 O 10 . Слабые силы Ван-дер-Ваальса удерживают эти молекулы вместе в гексагональной решетке (Однако, несмотря на высокую симметрию молекул, кристаллическая упаковка не является плотной упаковкой [2] ). Структура клетки P 4 O 10 напоминает адамантан с точечной группой симметрии T d . [3] Он тесно связан с соответствующим ангидридом фосфористой кислоты , P 4 O 6 . У последнего отсутствуют концевые оксогруппы. Его плотность составляет 2,30 г/см 3 . Он кипит при 423 °C при атмосферном давлении; при более быстром нагревании он может сублимироваться. Эту форму можно получить путем быстрой конденсации паров пентаоксида фосфора, и в результате получается чрезвычайно гигроскопичное твердое вещество. [4]
Другие полиморфы являются полимерными, но в каждом случае атомы фосфора связаны тетраэдром атомов кислорода, один из которых образует терминальную связь P=O, включающую передачу терминальных p-орбитальных электронов кислорода антисвязывающим одинарным связям фосфор-кислород. Макромолекулярная форма может быть получена путем нагревания соединения в запаянной пробирке в течение нескольких часов и поддержания расплава при высокой температуре перед охлаждением расплава до твердого состояния. [4] Метастабильная орторомбическая "O"-форма (плотность 2,72 г/см 3 , температура плавления 562 °C) принимает слоистую структуру, состоящую из взаимосвязанных колец P 6 O 6 , что мало чем отличается от структуры, принятой некоторыми полисиликатами . Стабильная форма представляет собой фазу с более высокой плотностью, также орторомбическую, так называемую O'-форму. Она состоит из 3-мерного каркаса, плотностью 3,5 г/см 3 . [1] [5] Оставшийся полиморф представляет собой стекло или аморфную форму; его можно получить путем сплавления любого другого.
P 4 O 10 получают путем сжигания белого фосфора с достаточным количеством кислорода: [6]
Дегидратация фосфорной кислоты с образованием пентоксида фосфора невозможна, так как при нагревании она образует различные полифосфаты , но не дегидратируется в достаточной степени для образования P4O10 .
Пентаоксид фосфора является мощным дегидратирующим агентом, о чем свидетельствует экзотермический характер его гидролиза с образованием фосфорной кислоты :
Однако его полезность для сушки несколько ограничена его тенденцией к образованию защитного вязкого покрытия, которое препятствует дальнейшему обезвоживанию неизрасходованным материалом. Гранулированная форма P 4 O 10 используется в эксикаторах .
В соответствии с его сильной осушающей способностью, P 4 O 10 используется в органическом синтезе для дегидратации. Наиболее важным применением является преобразование первичных амидов в нитрилы : [7]
Указанный побочный продукт P 4 O 9 (OH) 2 представляет собой идеализированную формулу для неопределенных продуктов, образующихся в результате гидратации P 4 O 10 .
Альтернативно, при сочетании с карбоновой кислотой результатом является соответствующий ангидрид : [8]
« Реагент Онодера», раствор P4O10 в ДМСО , используется для окисления спиртов . [9] Эта реакция напоминает окисление Сверна .
Осушающая способность P 4 O 10 достаточно сильна, чтобы преобразовать многие минеральные кислоты в их ангидриды. Примеры: HNO 3 преобразуется в N 2 O 5 ; H 2 SO 4 преобразуется в SO 3 ; HClO 4 преобразуется в Cl 2 O 7 ; CF 3 SO 3 H преобразуется в (CF 3 ) 2 S 2 O 5 .
Содержание P 2 O 5 часто используется в промышленности в качестве прокси-значения для всех оксидов фосфора в материале. Например, фосфорная кислота для удобрений может также содержать различные родственные фосфорные соединения, которые также полезны. Все эти соединения описываются в совокупности в терминах « содержание P 2 O 5 », чтобы обеспечить удобное сравнение содержания фосфора в различных продуктах. Несмотря на это, пентоксид фосфора фактически не присутствует в большинстве образцов, поскольку он нестабилен в водных растворах.
Между коммерчески важными P 4 O 6 и P 4 O 10 известны оксиды фосфора с промежуточными структурами. [10]
При наблюдении будет видно, что кислород с двойной связью в 1,2-позиции или 1,3-позиции идентичен, и обе позиции имеют одинаковое стерическое препятствие. Цикл 12341 и ABCDA идентичны.
Сам пентаоксид фосфора не горюч. Как и триоксид серы , он бурно реагирует с водой и водосодержащими веществами, такими как дерево или хлопок, выделяет много тепла и может даже вызвать пожар из-за сильно экзотермической природы таких реакций. Он вызывает коррозию металла и очень раздражает — он может вызвать серьезные ожоги глаз, кожи, слизистых оболочек и дыхательных путей даже при концентрации всего 1 мг/м 3 . [11]
