Paul Flowers; Klaus Theopold; Richard Langley; William R. Robinson, PhD

Objetivos de aprendizaje

Al final de esta sección, podrá:

Describir las propiedades, la preparación y los usos del fósforo

La preparación industrial del fósforo consiste en calentar el fosfato de calcio, obtenido de la roca fosfórica, con arena y coque:

{2Ca}_{3} {({PO}_{4})}_{2} (s) + {6SiO}_{2} (s) + 10C (s) \overset{Δ}{\to} {6CaSiO}_{3} (l) + 10CO (g) + P_{4} (g)

El fósforo se destila fuera del horno y se condensa en un sólido o se quema para formar P₄O₁₀. La preparación de muchos otros compuestos de fósforo comienza con P₄O₁₀. Los ácidos y fosfatos son útiles como fertilizantes y en la industria química. Otros usos son la fabricación de aleaciones especiales como el ferrofósforo y el bronce de fósforo. El fósforo es importante para fabricar pesticidas, cerillas y algunos plásticos. El fósforo es un no metal activo. En los compuestos, el fósforo suele presentarse en los estados de oxidación 3-, 3+ y 5+. El fósforo presenta números de oxidación inusuales para un elemento del grupo 15 en compuestos que contienen enlaces fósforo-fósforo; algunos ejemplos son el tetrahidruro de difósforo, H₂P-PH₂, y el trisulfuro de tetrafósforo, P₄S₃, ilustrado en la Figura 18.39.

Se muestra un modelo de barras y esferas. Tres átomos naranjas marcados como "P" tienen enlaces simples en forma de triángulo. Cada "P" tiene un enlace simple con átomos amarillos marcados como "S", los cuales tienen enlace simple con otro átomo naranja marcado como "P".

Figura 18.39 El P₄S₃ es un componente de las cabezas de las cerillas de fácil encendido.

Compuestos de fósforo y oxígeno

El fósforo forma dos óxidos comunes, el óxido de fósforo(III) (o hexaóxido de tetrafósforo), P₄O₆, y el óxido de fósforo(V) (o decaóxido de tetrafósforo), P₄O₁₀, ambos mostrados en la Figura 18.40. El óxido de fósforo(III) es un sólido cristalino blanco con olor similar al ajo. Su vapor es muy venenoso. Se oxida lentamente en el aire y se inflama cuando se calienta a 70 °C, formando P₄O₁₀. El óxido de fósforo(III) se disuelve lentamente en agua fría para formar ácido fosforoso, H₃PO₃.

Se muestran dos modelos de barras y esferas. En el modelo de la izquierda, tres átomos naranjas marcados como "P" tienen enlace simple con átomos rojos marcados como "O" en una estructura de anillo alternante de seis lados. Cada uno de los átomos naranjas también tiene enlace simple con otro átomo rojo, que a su vez tiene enlace simple con un átomo naranja. El modelo de la derecha muestra tres átomos naranjas marcados como "P", que tienen enlace simple con átomos rojos marcados como "O", en una estructura de anillo alternante de seis lados. Cada uno de los átomos naranjas también tiene enlace simple con otros dos átomos rojos, uno en posición ascendente y otro orientado hacia el exterior de la molécula. Los átomos rojos ascendentes están unidos de forma simple a un átomo naranja que está unido de forma simple a un último átomo rojo.

Figura 18.40 Esta imagen muestra las estructuras moleculares de P₄O₆ (izquierda) y P₄O₁₀ (derecha).

El óxido de fósforo(V), P₄O₁₀, es un polvo blanco que se prepara quemando fósforo en exceso de oxígeno. Su entalpía de formación es muy alta (-2984 kJ), y es bastante estable y un agente oxidante muy pobre. Al dejar caer el P₄O₁₀ en el agua se produce un siseo, calor y ácido ortofosfórico:

P_{4} O_{10} (s) + {6H}_{2} O (l) ⟶ {4H}_{3} {PO}_{4} (a q)

Debido a su gran afinidad por el agua, el óxido de fósforo(V) es un excelente agente secante para gases y solventes, y para eliminar el agua de muchos compuestos.

Compuestos de fósforo y halógenos

El fósforo reacciona directamente con los halógenos, formando trihaluros, PX₃, y pentahaluros, PX₅. Los trihaluros son mucho más estables que los correspondientes trihaluros de nitrógeno; los pentahaluros de nitrógeno no se forman debido a la incapacidad del nitrógeno para formar más de cuatro enlaces.

Los cloruros PCl₃ y PCl₅, ambos mostrados en la Figura 18.41, son los haluros de fósforo más importantes. El tricloruro de fósforo es un líquido incoloro que se prepara pasando cloro sobre fósforo fundido. El pentacloruro de fósforo es un sólido blanquecino que se prepara oxidando el tricloruro con exceso de cloro. El pentacloruro se sublima cuando se calienta y forma un equilibrio con el tricloruro y el cloro cuando se calienta.

Se muestran dos modelos de barras y esferas. En el modelo de la izquierda, un átomo naranja marcado como "P" tiene enlace simple con tres átomos verdes marcados como "C l". El modelo de la derecha muestra un átomo naranja marcado como "P", que tiene enlace simple con cinco átomos verdes etiquetados como "C l".

Figura 18.41 Esta imagen muestra la estructura molecular del PCl₃ (izquierda) y del PCl₅ (derecha) en fase gaseosa.

Como la mayoría de los haluros no metálicos, ambos cloruros de fósforo reaccionan con un exceso de agua y dan lugar a cloruro de hidrógeno y a un oxiácido: El PCl₃ produce ácido fosforoso H₃PO₃ y el PCl₅ produce ácido fosfórico, H₃PO₄.

Los pentahaluros de fósforo son ácidos de Lewis debido a los orbitales d de valencia vacíos del fósforo. Estos compuestos reaccionan fácilmente con los iones haluro (bases de Lewis) para producir el anión ${PX}_{6}^{–} .$ Mientras que el pentafluoruro de fósforo es un compuesto molecular en todos los estados, los estudios de rayos X muestran que el pentacloruro de fósforo sólido es un compuesto iónico, ${[PCl}_{4}^{+}] [{PCl}_{6}^{–}],$ como el pentabromuro de fósforo, ${[PBr}_{4}^{+}]$ [Br^-], y pentaioduro de fósforo, ${[PI}_{4}^{+}]$ [I^-].

18.8 Incidencia, preparación y propiedades del fósforo

Compuestos de fósforo y oxígeno

Compuestos de fósforo y halógenos