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Inorganic Chemistry अकार्बनिक रसायन (Inorganic Chemistry)

Phosphorus Compounds फास्फोरस के यौगिक (Phosphorus Compounds)

Phosphorus forms numerous hydrides, oxides, oxoacids, and halides exhibiting variable oxidation states from -3 to +5. The chemistry of phosphorus is dominated by its tendency to form strong P=O bonds and stable tetrahedral structures. फास्फोरस अनेक हाइड्राइड, ऑक्साइड, ऑक्सोअम्ल और हैलाइड बनाता है, जो -3 से +5 तक की परिवर्तनशील ऑक्सीकरण अवस्था (Oxidation State) प्रदर्शित करते हैं। फास्फोरस का रसायन मुख्य रूप से इसके मजबूत P=O बंध बनाने और स्थिर चतुष्फलकीय (Tetrahedral) संरचनाओं के निर्माण की प्रवृत्ति द्वारा निर्धारित होता है।

UP PGT Chemistry Subject Code 02 B.Sc. / M.Sc. Level

Allotropes and Hydrides of Phosphorus फास्फोरस के अपररूप (Allotropes) और हाइड्राइड

  • White phosphorus exists as discrete tetrahedral P4 molecules with strained bond angles of 60°, rendering it highly reactive and chemiluminescent.
  • Red phosphorus is polymeric with a chain-like structure, possessing higher stability and lower solubility in carbon disulfide than white phosphorus.
  • Phosphine (PH3) is a colorless, highly toxic gas with a rotten fish odor, prepared by the action of water or dilute acids on metal phosphides.
  • Phosphine acts as a weak Lewis base and forms coordination complexes, but it is less basic than ammonia due to low s-character of the lone pair orbital.
  • श्वेत फास्फोरस (White phosphorus) पृथक चतुष्फलकीय P4 अणुओं के रूप में होता है, जिसमें 60° का विकृत बंध कोण होता है, जो इसे अत्यधिक क्रियाशील और रसायन-दीप्त (Chemiluminescent) बनाता है।
  • लाल फास्फोरस (Red phosphorus) बहुलक (Polymeric) होता है और इसकी संरचना श्रृंखला जैसी होती है; यह श्वेत फास्फोरस की तुलना में अधिक स्थिर होता है और कार्बन डाइसल्फाइड में कम घुलनशील होता है।
  • फास्फीन (PH3) एक रंगहीन, अत्यधिक विषैली गैस है जिसमें सड़ी हुई मछली जैसी गंध होती है। इसे धातु फास्फाइड पर जल या तनु अम्लों की क्रिया द्वारा तैयार किया जाता है।
  • फास्फीन एक दुर्बल लुईस क्षार (Lewis base) के रूप में कार्य करता है और समन्वय संकुल (Coordination complexes) बनाता है, लेकिन एकाकी इलेक्ट्रॉन युग्म (Lone pair) कक्षक के कम s-लक्षण के कारण यह अमोनिया की तुलना में कम क्षारीय होता है।

Halides and Oxides of Phosphorus फास्फोरस के हैलाइड और ऑक्साइड

  • Phosphorus trichloride (PCl3) has a pyramidal geometry (sp3 hybridization) and fumes in moist air due to hydrolysis yielding HCl.
  • Phosphorus pentachloride (PCl5) exhibits a trigonal bipyramidal geometry in the gaseous and liquid state (sp3d hybridization).
  • In the solid state, PCl5 exists as an ionic crystal lattice composed of [PCl4]+ (tetrahedral) and [PCl6]- (octahedral) ions.
  • Phosphorus trioxide (P4O6) and phosphorus pentoxide (P4O10) are acidic anhydrides corresponding to phosphorous and phosphoric acids.
  • फास्फोरस ट्राइक्लोराइड (PCl3) की ज्यामिति पिरामिडीय (sp3 संकरण) होती है और जल-अपघटन (Hydrolysis) के कारण नम हवा में HCl के धुएं देता है।
  • फास्फोरस पेंटाक्लोराइड (PCl5) गैसीय और द्रव अवस्था में त्रिकोणीय द्विपिरामिडीय (Trigonal bipyramidal) ज्यामिति (sp3d संकरण) प्रदर्शित करता है।
  • ठोस अवस्था में, PCl5 एक आयनिक क्रिस्टल जालक के रूप में होता है जो [PCl4]+ (चतुष्फलकीय) और [PCl6]- (अष्टफलकीय) आयनों से बना होता है।
  • फास्फोरस ट्राइऑक्साइड (P4O6) और फास्फोरस पेंटाऑक्साइड (P4O10) क्रमशः फास्फोरस और फास्फोरिक अम्लों के अम्लीय एनहाइड्राइड (Acidic anhydrides) हैं।

Oxoacids and Structure of Phosphorus Acids फास्फोरस के ऑक्सोअम्ल और संरचना

  • Phosphorus oxoacids contain tetrahedral phosphorus surrounded by oxo groups, terminal hydroxyl (-OH) groups, and direct P-H bonds.
  • The reducing property of phosphorus oxoacids is directly proportional to the number of hydrogen atoms directly bonded to phosphorus (P-H bonds).
  • Hypophosphorous acid (H3PO2) is a monoprotic acid with two P-H bonds, whereas phosphorous acid (H3PO3) is diprotic with one P-H bond.
  • Orthophosphoric acid (H3PO4) is triprotic with no P-H bonds, meaning it possesses zero reducing capability.
  • फास्फोरस के ऑक्सोअम्लों में चतुष्फलकीय फास्फोरस परमाणु ऑक्सो समूहों, टर्मिनल हाइड्रॉक्सिल (-OH) समूहों और सीधे P-H बंधों से घिरा होता है।
  • फास्फोरस के ऑक्सोअम्लों का अपचायक गुण (Reducing property) सीधे फास्फोरस से जुड़े हाइड्रोजन परमाणुओं (P-H बंधों) की संख्या के समानुपाती होता है।
  • हाइपोफास्फोरस अम्ल (H3PO2) दो P-H बंधों वाला एक एकल-क्षारकीय (Monoprotic) अम्ल है, जबकि फास्फोरस अम्ल (H3PO3) एक P-H बंध वाला द्वि-क्षारकीय (Diprotic) अम्ल है।
  • ऑर्थोफास्फोरिक अम्ल (H3PO4) त्रि-क्षारकीय (Triprotic) है और इसमें कोई P-H बंध नहीं होता, जिसका अर्थ है कि इसमें शून्य अपचायक क्षमता होती है।
📐 Key Formulas & Equations 📐 महत्वपूर्ण सूत्र एवं समीकरण
Hydrolysis of Phosphorus Trichloride फास्फोरस ट्राइक्लोराइड का जल-अपघटन (Hydrolysis of Phosphorus Trichloride)
PCl3 + 3H2O → H3PO3 + 3HCl
Conditions: Standard ambient temperature
शर्तें: मानक परिवेश तापमान
इकाइयाँ: लागू नहीं
Action of Heat on Orthophosphoric Acid ऑर्थोफास्फोरिक अम्ल पर ऊष्मा का प्रभाव (Action of Heat on Orthophosphoric Acid)
2H3PO4 → H4P2O7 + H2O
Conditions: Heated to 250°C
शर्तें: 250°C तक गर्म करने पर
इकाइयाँ: लागू नहीं
Reaction of White Phosphorus with Concentrated Alkali श्वेत फास्फोरस की सांद्र क्षार के साथ अभिक्रिया (Reaction of White Phosphorus with Concentrated Alkali)
P4 + 3NaOH + 3H2O → PH3 + 3NaH2PO2
Conditions: Inert atmosphere (CO2 or coal gas) to prevent auto-oxidation of phosphine
शर्तें: फास्फीन के स्वतः-ऑक्सीकरण को रोकने के लिए अक्रिय वातावरण (CO2 या कोल गैस)
इकाइयाँ: लागू नहीं
Preparation of White Phosphorus from Rock Phosphate रॉक फास्फेट से श्वेत फास्फोरस का निर्माण (Preparation of White Phosphorus from Rock Phosphate)
2Ca3(PO4)2 + 6SiO2 + 10C → P4 + 6CaSiO3 + 10CO
Conditions: Electric arc furnace at ~1400°C in the absence of air
शर्तें: वायु की अनुपस्थिति में ~1400°C पर इलेक्ट्रिक आर्क भट्टी
इकाइयाँ: लागू नहीं
⚠️ Important Exceptions & Anomalies ⚠️ महत्वपूर्ण अपवाद एवं विसंगतियाँ
Exceptionअपवाद Halides of group 15 elements should all be stable penta-halides.समूह 15 के तत्वों के सभी हैलाइड स्थिर पेंटा-हैलाइड होने चाहिए।

Observation: Nitrogen does not form NF5, and phosphorus forms PCl5, PBr5 (ionic), but does not form PI5. — Nitrogen lacks vacant d-orbitals for expansion of octet. Iodine is too large and bulky, and its weak oxidizing character cannot polarize the large iodide ion to form stable pentahalide bonds. प्रेक्षण: नाइट्रोजन NF5 नहीं बनाता है, और फास्फोरस PCl5, PBr5 (आयनिक) बनाता है, लेकिन PI5 नहीं बनाता। नाइट्रोजन में अष्टक विस्तार के लिए रिक्त d-कक्षक का अभाव होता है। आयोडीन का आकार बहुत बड़ा होता है और इसका दुर्बल ऑक्सीकरण गुण बड़े आयोडाइड आयन को ध्रुवित करके स्थिर पेंटा-हैलाइड बंध नहीं बना सकता।

Exceptionअपवाद Hydrides of group 15 elements should show regular increase in boiling points down the group due to increasing molecular mass.समूह 15 के हाइड्राइडों का क्वथनांक (Boiling point) आणविक द्रव्यमान बढ़ने के साथ समूह में नीचे जाने पर बढ़ना चाहिए।

Observation: Ammonia (NH3) has an anomalously high boiling point compared to PH3, AsH3, and SbH3. — Presence of extensive intermolecular hydrogen bonding in liquid ammonia, which is absent in the other heavier hydrides. प्रेक्षण: अमोनिया (NH3) का क्वथनांक PH3, AsH3 और SbH3 की तुलना में असामान्य रूप से उच्च होता है। इसका कारण द्रव अमोनिया में व्यापक अंतर-आणविक हाइड्रोजन बंध (Hydrogen bonding) की उपस्थिति है, जो अन्य भारी हाइड्राइडों में अनुपस्थित होती है।

Exceptionअपवाद Basicity of group 15 hydrides should increase down the group as size increases and charge density decreases.समूह 15 के हाइड्राइडों की क्षारीयता (Basicity) समूह में नीचे जाने पर बढ़नी चाहिए क्योंकि आकार बढ़ता है और आवेश घनत्व कम होता है।

Observation: Ammonia is a stronger Lewis base than phosphine (PH3). — The lone pair in PH3 resides in an orbital with high s-character, making it less available for donation compared to the sp3 hybridized lone pair of ammonia. प्रेक्षण: अमोनिया फास्फीन (PH3) की तुलना में एक प्रबल लुईस क्षार है। PH3 में एकाकी इलेक्ट्रॉन युग्म उच्च s-लक्षण वाले कक्षक में होता है, जिससे यह अमोनिया के sp3 संकरित एकाकी इलेक्ट्रॉन युग्म की तुलना में दान के लिए कम उपलब्ध होता है।

💡 Shortcuts & Memory Aids 💡 शॉर्टकट एवं स्मरणीय सूत्र
P-H Bond Counting for Reducing Powerअपचायक क्षमता के लिए P-H बंध की गणना
Reducing power ∝ Number of P-H bonds

Application: Quickly identify the number of P-H bonds from the chemical formula: H3PO2 has 2 (strong reducing agent), H3PO3 has 1 (moderate), H3PO4 has 0 (non-reducing). अनुप्रयोग: रासायनिक सूत्र से P-H बंधों की संख्या पहचानें: H3PO2 में 2 (प्रबल अपचायक), H3PO3 में 1 (मध्यम), H3PO4 में 0 (अपचायक नहीं)।

Basicity of Oxoacids Ruleऑक्सोअम्लों की क्षारकता (Basicity) का नियम
Basicity = Number of ionizable P-OH groups

Application: Count the number of -OH groups attached directly to phosphorus; ignore hydrogens attached directly to phosphorus (P-H) when determining basicity. अनुप्रयोग: फास्फोरस से सीधे जुड़े -OH समूहों की संख्या गिनें; क्षारकता निर्धारित करते समय फास्फोरस से सीधे जुड़े हाइड्रोजन (P-H) को छोड़ दें।

PCl5 Solid State IonizationPCl5 का ठोस अवस्था में आयनीकरण
2PCl5(s) → [PCl4]+ + [PCl6]-

Application: Remember that solid PCl5 is not molecular; it consists of tetrahedral cation and octahedral anion. अनुप्रयोग: याद रखें कि ठोस PCl5 आणविक नहीं होता; यह चतुष्फलकीय धनायन और अष्टफलकीय ऋणायन से बना होता है।

⚖️ Comparison of White and Red Phosphorus ⚖️ श्वेत और लाल फास्फोरस की तुलना
PropertyगुणWhite Phosphorusश्वेत फास्फोरसRed Phosphorusलाल फास्फोरस
Molecular Formulaआणविक सूत्रP4P4Polymeric (P4)nबहुलक (P4)n
Color and Appearanceरंग और दिखावटTranslucent white waxy solidपारभासी श्वेत मोमी ठोसDark red crystalline powderगहरा लाल क्रिस्टलीय पाउडर
Solubility in CS2CS2 में घुलनशीलताSolubleघुलनशीलInsolubleअघुलनशील
Poisonous Natureविषैली प्रकृतिHighly poisonousअत्यधिक विषैलाNon-poisonousविषहीन
Phosphorescenceस्फुरदीप्ति (Phosphorescence)Exhibits glow in dark (chemiluminescence)अंधेरे में चमकता हैDoes not exhibit phosphorescenceस्फुरदीप्ति नहीं दर्शाता
Ignition Temperatureप्रज्वलन तापमानLow (~30°C)कम (~30°C)High (~260°C)उच्च (~260°C)
🎯 Key Exam Points 🎯 महत्वपूर्ण परीक्षा बिंदु (Key Exam Points)
  • White phosphorus is kept under water to prevent its spontaneous combustion in air, as its ignition temperature is only 30°C.
  • Phosphine gas (PH3) spontaneously catches fire in air due to the presence of impurity diphosphine (P2H4).
  • PCl3 is liquid at room temperature while PCl5 is a covalent solid that sublimes upon heating.
  • Hypophosphorous acid (H3PO2) contains one P-OH, two P-H, and one P=O bond, making it a monobasic acid.
  • Orthophosphoric acid on strong heating at 600°C gives metaphosphoric acid (HPO3)n.
  • P4O10 is an extremely powerful dehydrating agent and reacts vigorously with water to form H3PO4.
  • श्वेत फास्फोरस को पानी के नीचे रखा जाता है ताकि हवा में स्वतः दहन न हो, क्योंकि इसका प्रज्वलन तापमान केवल 30°C है।
  • फास्फीन गैस (PH3) अशुद्धि डाइफास्फीन (P2H4) की उपस्थिति के कारण हवा में स्वतः आग पकड़ लेती है।
  • PCl3 कमरे के तापमान पर द्रव है जबकि PCl5 एक सहसंयोजक ठोस है जो गर्म करने पर ऊर्ध्वपातित (Sublime) हो जाता है।
  • हाइपोफास्फोरस अम्ल (H3PO2) में एक P-OH, दो P-H और एक P=O बंध होता है, जो इसे एक एकल-क्षारकीय (Monobasic) अम्ल बनाता है।
  • ऑर्थोफास्फोरिक अम्ल को 600°C पर गर्म करने पर मेटाफास्फोरिक अम्ल (HPO3)n प्राप्त होता है।
  • P4O10 एक अत्यंत शक्तिशाली निर्जलीकरण एजेंट (Dehydrating agent) है और पानी के साथ तीव्रता से अभिक्रिया करके H3PO4 बनाता है।
🚫 Common Errors & Confusions 🚫 सामान्य भ्रांतियाँ एवं त्रुटियाँ (Common Errors)
  • Assuming all H atoms in H3PO2 or H3PO3 are acidic; only H atoms attached to oxygen are ionizable.
  • Believing that PCl5 maintains its trigonal bipyramidal molecular structure in the solid state.
  • Confusing white and red phosphorus solubilities; white phosphorus is soluble in CS2 while red is not.
  • Forgetting that pure PH3 is non-flammable; spontaneous ignition is entirely due to P2H4 traces.
  • यह मान लेना कि H3PO2 या H3PO3 में सभी H परमाणु अम्लीय हैं; केवल ऑक्सीजन से जुड़े H परमाणु ही आयनित होते हैं।
  • यह विश्वास करना कि PCl5 ठोस अवस्था में अपनी त्रिकोणीय द्विपिरामिडीय आणविक संरचना बनाए रखता है।
  • श्वेत और लाल फास्फोरस की घुलनशीलता को भ्रमित करना; श्वेत फास्फोरस CS2 में घुलनशील है जबकि लाल नहीं।
  • यह भूल जाना कि शुद्ध PH3 अज्वलनशील है; स्वतः प्रज्वलन पूरी तरह से P2H4 के अंशों के कारण होता है।