Номер 4, страница 160 - гдз по химии 9 класс учебник Шиманович, Василевская

4. Как можно доказать, что белый и красный фосфоры являются аллотропными модификациями одного и того же химического элемента?

Решение

Чтобы доказать, что белый и красный фосфоры являются аллотропными модификациями одного и того же химического элемента, необходимо экспериментально подтвердить два ключевых факта: во-первых, что они состоят из атомов одного и того же элемента, и, во-вторых, что они представляют собой разные простые вещества с разным строением и свойствами.

Доказательство того, что оба вещества состоят из элемента фосфора, можно получить двумя основными способами.

Первый способ — химический анализ. Если сжечь в избытке кислорода одинаковые по массе образцы белого и красного фосфора, то в обоих случаях продуктом реакции будет одно и то же химическое соединение — оксид фосфора(V), $P_4O_{10}$. При этом масса полученного оксида будет одинаковой в обоих экспериментах. Уравнение реакции горения для обеих модификаций выглядит так: $4P + 5O_2 \rightarrow P_4O_{10}$. Это неопровержимо доказывает, что исходные вещества имеют одинаковый элементный состав.

Второй способ — взаимные превращения. Аллотропные модификации одного элемента способны переходить друг в друга при изменении условий. Так, при нагревании белого фосфора в инертной атмосфере (без доступа воздуха) до температуры около 250–300°C он превращается в красный фосфор. Обратное превращение также возможно: при сильном нагревании красный фосфор испаряется, и при последующей конденсации его паров образуется белый фосфор. Схематически это можно записать как $P(белый) \leftrightarrow P(красный)$. Способность к взаимным превращениям является классическим доказательством аллотропии.

Доказательство того, что это разные вещества, заключается в сравнении их свойств, которые разительно отличаются из-за разного строения их кристаллических решеток. Белый фосфор состоит из отдельных тетраэдрических молекул $P_4$, образуя молекулярную решетку. Красный фосфор имеет полимерную структуру, где атомы фосфора соединены в длинные цепи. Это различие в строении приводит к существенным различиям в свойствах:

Физические свойства: Белый фосфор — мягкое, воскообразное вещество белого или желтоватого цвета, а красный — порошок от красного до фиолетового цвета. У них разная плотность (1,82 г/см³ у белого против 2,34 г/см³ у красного), разная растворимость (белый фосфор растворяется в сероуглероде $CS_2$, а красный — нет) и разные температуры плавления/сублимации.

Химические свойства: Белый фосфор химически очень активен, самовоспламеняется на воздухе уже при ~30°C, светится в темноте (хемилюминесценция) и является сильным ядом. Красный фосфор гораздо более стабилен, для его воспламенения требуется нагрев до ~250°C, он не светится и практически нетоксичен.

Таким образом, тот факт, что два вещества состоят из одного и того же химического элемента, но при этом обладают разным строением и разными физическими и химическими свойствами, является полным доказательством того, что они — аллотропные модификации.

Ответ: Доказать, что белый и красный фосфоры являются аллотропными модификациями, можно, показав, что: 1) при их сжигании образуется одно и то же вещество (оксид фосфора(V)) в одинаковом количестве; 2) они способны превращаться друг в друга при изменении условий (температуры); 3) они обладают разными физическими и химическими свойствами (цвет, плотность, реакционная способность, токсичность), что обусловлено их различным кристаллическим строением.