FOSFOR: ZGODOVINA, LASTNOSTI, STRUKTURA, PRIDOBIVANJE, UPORABE - KEMIJA - 2026

Fosfor je nekovinski element, ki jo predstavlja kemijski simbol P in ima atomsko število 15. To ima tri glavne oblike alotropnih: bela, rdeča fosfor in črno. Beli fosfor je fosforescenten, pri izpostavljenosti zraku gori spontano, poleg tega pa je zelo strupen.

Beli fosfor pri temperaturi 250 ºC postane rdeč fosfor; netopna, polimerna oblika, ki ne gori v zraku. Pri visokih temperaturah in tlakih, pa tudi ob prisotnosti katalizatorjev ali brez njih, dobimo črni fosfor, ki je podoben grafitu in je dober prevodnik električne energije.

Beli fosfor, shranjen v steklenici z vodo. Vir: W. Oelen

Fosfor je prvič izoliral H. Brand leta 1669. Za to je uporabil urin kot vir tega elementa. Leta 1770 je W. Scheele odkril, da lahko tudi izolira fosfor iz kosti.

Kasneje so fosfatne kamnine zaradi ustvarjanja električne peči J. Burgess Readmana (1800) postale glavni vir proizvodnje fosforja iz mineralnega fluoroapatita, ki je prisoten v njih.

Fosfor je dvanajsti najpogostejši element v zemeljski skorji, ki ga predstavlja 0,1 mas. Poleg tega je šesti element v številčnosti v človeškem telesu; večinoma koncentriran v kosteh v obliki hidroksilapatita.

Zato je bistveni element živih bitij, saj postaja eno izmed treh glavnih hranil rastlin. Fosfor je del kemijske strukture nukleinskih kislin; spojin za shranjevanje energije (ATP), koencimov; in na splošno spojin presnove.

Zgodovina

- Odkritje

V urinu

Slika Josepha Wrighta iz Derbyja, ki ponazarja odkritje fosforja. Vir: Joseph Wright iz Derbyja

Leta 1669 je fosfor izoliral Henning Brand, ki je bil prvi človek, ki je izoliral element. Brand je bil nemški alkimist iz Hamburga in mu je uspelo iz urina pridobiti fosforjevo spojino. Da bi to naredil, je zbral urin iz 50 vedra in pustil, da se razkroji.

Brand je nato izhlapil urin in dobil črnkast ostanek, ki ga je obdržal več mesecev. Temu je dodal pesek in ga segreval, uspel je izločati pline in olja. Končno je dobil belo trdno snov, ki je žarela zelena v temi, ki jo je imenoval "hladen ogenj".

Izraz „fosfor“ naključno izvira iz grške besede „fosfor“, ki pomeni nosilec svetlobe.

Brand ni objavil svojih eksperimentalnih rezultatov in jih prodal različnim alkimistom, vključno z: Johann Kraft, Kunckel Lowenstern in Wilhelm Leibniz. Verjetno so nekateri izmed njih Brandovo delo poročali na pariški Akademiji znanosti in tako razširili svoje raziskave.

Vendar pa Brand dejansko ni izoliral fosforja, temveč amoniak natrijevega fosfata. Robert Boyle je leta 1680 izboljšal Brandov postopek, s katerim je lahko dobil alotropno obliko fosforja (P ₄ ).

V kosti

Johan Gottlieb Gahn in Carl Wihelm Scheele sta leta 1769 ugotovila, da so v kosteh našli spojino fosforja, kalcijevega fosfata. Odmaščene kosti so bile podvržene prebavi z močnimi kislinami, kot je žveplova kislina.

Nato smo produkt prebave segrevali v jeklenih posodah s premogom in premogom, s čimer smo z destilacijo v retorjih dobili beli fosfor. Kosti so bile glavni vir fosforja do leta 1840, ko jih je v ta namen zamenjal guano.

V gvanu

Guano je mešanica ptičjih iztrebkov in produktov razpadanja ptic. Kot vir fosforja in gnojil so ga uporabljali v 19. stoletju.

- industrijski razvoj

Fosfatne kamnine so se začele uporabljati leta 1850 kot vir fosforja. To je skupaj z izumom električne peči za žganje kamnin James Burgess Readman (1888) postalo PR-ji glavna surovina za proizvodnjo fosforja in gnojil.

Leta 1819 so bile ustanovljene tovarne za vžigalice, s čimer se je začel industrijski razvoj uporabe fosforja.

Fizikalne in kemijske lastnosti

Videz

Glede na alotropno obliko je lahko brezbarven, voščeno bel, rumen, škrlat, rdeč, vijoličen ali črn.

Atomska teža

30.973 u

Atomska številka (Z)

petnajst

Tališče

Beli fosfor: 44,15 ° C

Rdeči fosfor: ~ 590 ºC

Vrelišče

Beli fosfor: 280,5 ºC

Gostota (sobna temperatura)

Bela: 1.823 g / cm ³

Rdeča: 2,2-2,34 g / cm ³

Vijolična: 2,36 g / cm ³

Črna: 2,69 g / cm ³

Vročina fuzije

Beli fosfor: 0,66 kJ / mol

Toplota izparevanja

Beli fosfor: 51,9 kJ / mol

Molarna kalorična zmogljivost

Beli fosfor: 23.824 J / (mol.K)

Oksidacijska stanja

-3, -2, -1, +1, +2, +3 , +4 in +5

Glede na elektronegativnost elementov, s katerimi je kombiniran, lahko fosfor pokaže oksidacijsko stanje +3 ali -3. Za razliko od dušika fosfor ponavadi reagira s +5 oksidacijskim stanjem; tak primer je fosforjev pentoksid (P ₂ O ₅ ali P ₂ ⁵⁺ O ₅ ²⁺ ).

Elektronegativnost

2.19 po Paulingovi lestvici

Ionizacijska energija

-Prvi: 1,101 kJ / mol

-Sekunda: 2.190,7 kJ / mol

-Tretje: 2.914 kJ / mol

Toplotna prevodnost

Beli fosfor: 0,236 W / (mK)

Črni fosfor: 12,1 W / (mK)

Pokazano je, kako črni fosfor vodi skoraj šestkrat več toplote kot beli fosfor.

Magnetni red

Beli, rdeči, vijolični in črni fosfor so diamagnetni.

Izotopi

Fosfor ima 20 izotopov, od katerih so glavni: ³¹ P, edini stabilni izotop z 100-odstotno količino; ³² P emiter izotopov β ^- in razpolovna doba 14,28 dni; in ³³ P, β, ki oddaja izotop ^- in razpolovna doba 25,3 dni.

Fosforescenca

Beli fosfor fosforira in v temi oddaja zeleno svetlobo.

Alotropne spremembe

Beli fosfor je nestabilen in se pri temperaturah blizu 250 ° C spreminja v polimerno obliko, znano kot rdeči fosfor, ki se lahko razlikuje od oranžne do vijolične barve. To je amorfna snov, vendar lahko postane kristalna; ne sveti v temi ali gori v zraku.

Beli fosfor pri visokih temperaturah in tlakih ali ob prisotnosti katalizatorjev se spremeni v polimerno obliko, ki ni rdeča fosforja: črni fosfor. To je kristalna snov črne barve, inertna, podobna grafitu in ima sposobnost vodenja električne energije.

Topnost

Beli fosfor v čisti obliki je netopen v vodi, čeprav se lahko topi v ogljikovem sulfidu. Medtem so rdeči in črni fosforji netopni v vodi in so manj hlapni kot beli fosfor.

Reaktivnost

Fosfor spontano gori v zraku in tvori P ₂ O _5, kar lahko reagira s tremi molekulami vode in tvori ortofosforno ali fosforjevo kislino (H ₃ PO ₄ ).

Z delovanjem vroče vode nastaneta fosfin (PH ₃ ) in fosforjeve oksidate.

Fosforjeva kislina deluje na fosfatne kamnine, kar povzroča dihidrogen kalcijev fosfat ali superfosfat.

Lahko reagira s halogeni in tvori halogenide PX ₃ , pri čemer X predstavlja F, Cl, Br ali I; ali halogenidi s formulo PX ₅ , kjer je X F, Cl ali Br.

Podobno fosfor reagira s kovinami in metaloidi, da tvori fosfide, z žveplom pa tvori različne sulfide. Po drugi strani pa se veže na kisik, da ustvari estre. Na enak način se kombinira z ogljikom in tvori organske fosforne spojine.

Struktura in elektronska konfiguracija

- Povezave in tetraedrska enota

Atomi fosforja imajo naslednjo elektronsko konfiguracijo:

3s ² 3p ³

Zato ima pet valenčnih elektronov, tako kot dušik, in druge elemente skupine 15. Ker je nekovinski element, morajo njegovi atomi tvoriti kovalentne vezi, dokler valencijski oktet ni dokončan. Dušik načrtuje z uveljavil kot dvoatomarnih molekule N ₂ , s trojno vezjo, N≡N.

Enako se zgodi s fosforjem: dve svoji P atomi vezi z trojne vezi, da dobimo P ₂ molekulo , P≡P; to je difosforni alotrop. Vendar ima fosfor večjo atomsko maso kot dušik, njegove 3p orbitale, difuznejše kot 2P dušika, pa se prekrivajo manj učinkovito; zato P ₂ obstaja le v plinastem stanju.

Namesto tega se pri sobni temperaturi atomi P raje kovalentno organizirajo na drug način: v tetraedrski molekuli P ₄ :

P4 molekularne enote v belih fosfornih kristalih. Vir: Benjah-bmm27 prek Wikipedije.

Upoštevajte, da imajo na sliki predvsem atomi P tri enojne vezi namesto ene trojne vezi. Tako fosfor v P ₄ dopolni svoj valenčni oktet. Vendar pa pri P ₄ obstaja napetost v PP-vezih, saj so njihovi koti daleč od 109,5º s prostim očesom.

- Alotropi

Beli fosfor

Ista slika enot P ₄ in njihova nestabilnost pojasnjujeta, zakaj je beli fosfor najbolj nestabilen alotrop tega elementa.

Pri P ₄ enot razporejena v prostoru, da se opredeli bcc kristal (α faze) pri normalnih pogojih. Ko temperatura pade na -77,95 ºC, se kristal bcc pretvori v hcp (predvidoma), gostejši (β faza). To pomeni, da sta enoti P ₄ razporejeni v dveh izmeničnih slojih, A in B, da se vzpostavi ABAB … zaporedje.

Rdeči fosfor

Verižna struktura za rdeči fosfor. Vir: Gabriel Bolívar.

Na zgornji sliki je prikazan le majhen del strukture rdečega fosforja. Ker so tri enote poravnane "simetrično", lahko rečemo, da gre za kristalno strukturo, ki jo dobimo s segrevanjem tega fosforja nad 250 ° C.

Rdeči fosfor pa večino časa sestoji iz amorfne trdne snovi, zato je njegova struktura zmedena. Nato polimerne verige P _{bi 4} dogovoru brez očitnega vzorca, nekaj nad in drugi pod istim arbitrarno ravnini.

Upoštevajte, da je to glavna strukturna razlika med belim in rdečim fosforjem: v prvem so _P4s posamezni, v drugem pa tvorijo verige. To je možno, ker je ena od vezi PP znotraj tetraedra pretrgana, da se veže na sosednji tetraeder. Tako se napetost obroča zmanjša in rdeči fosfor pridobi večjo stabilnost.

Ko je mešanica obeh alotropov, jo očesu ponudimo kot rumeno fosfor; mešanica verig tetraedre in amorfne fosforje. V bistvu beli fosfor postane rumenkast, ko je izpostavljen sončnim žarkom, saj sevanje favorizira pretrganje že omenjene vezi PP.

Vijolična ali Hittorf fosfor

Molekularna struktura vijoličnega fosforja. Vir: Kadmij na angleški Wikipediji

Vijolični fosfor je končna evolucija rdečega fosforja. Kot je razvidno iz zgornje slike, je še vedno sestavljena iz polimerne verige; zdaj pa so strukture bolj zapletene. Zdi se, da je strukturna enota ni več P ₄ vendar P ₂ , razporejena na tak način, da tvorijo nepravilne pentagonal obroče.

Kljub temu, kako je zgradba videti nesimetrična, se te polimerne verige uspejo dovolj dobro razporediti in z vijoličnim fosforjem občasno ustvariti monoklinične kristale.

Črni fosfor

Struktura črnega fosforja, gledano iz različnih zornih kotov. Vir: Benjah-bmm27.

In končno imamo najbolj stabilen fosforni alotrop: črni. Pripravimo ga s segrevanjem belega fosforja pod pritiskom 12.000 atm.

Na zgornji sliki (spodaj) je razvidno, da ima njena struktura z višje ravnine določeno podobnost grafitu; gre za čisto mrežo šestkotnih obročev (tudi če so videti kot kvadratki).

V zgornjem levem kotu slike je tisto, kar je pravkar komentirano, bolje razumeti. Molekularno okolje atomov P so trigonske piramide. Upoštevajte, da je struktura, gledana s strani (zgornji desni vogal), razporejena v plasteh, ki se prilegajo ena nad drugo.

Struktura črnega fosforja je precej simetrična in urejena, kar je skladno z njegovo sposobnostjo, da se uveljavi kot orthorhombic kristali. Zlaganje njihovih polimernih plasti naredi P-atome nedosegljive za številne kemične reakcije; zato je občutno stabilen in ne zelo reaktiven.

Čeprav je vredno omeniti, so londonske disperzijske sile in molarne mase teh fosforjevih trdnih snovi nekaj, kar uravnava nekatere njihove fizične lastnosti; medtem ko njegove strukture in vezi PP določajo kemijske in druge lastnosti.

Kje najti in pridobiti

Apatit in fosforit

Je dvanajsti element zemeljske skorje in predstavlja 0,1 mas. Obstaja približno 550 mineralov, ki vsebujejo fosfor, najpomembnejši mineral za pridobivanje fosforja pa je apatit.

Apatit je mineral fosforja in kalcija, ki lahko vsebuje spremenljive količine fluora, klorida in hidroksida, katerih formula je naslednja: Poleg apatita obstajajo tudi drugi fosforni minerali komercialnega pomena; tak primer sta vavelit in vivianita.

Fosfatna kamnina ali fosforit je glavni vir fosforja. To je ne detritalna sedimentna kamnina, ki ima vsebnost fosforja 15-20%. Fosfor je običajno prisoten v obliki Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ F ₂ (fluoroapatit). Tudi v manjši meri je prisoten kot hidroksiapatit.

Poleg tega lahko fluoroapatit najdemo kot del magnetnih in metamorfnih kamnin, pa tudi apnencev in razrezov.

Elektrotermalna redukcija fluoroapatita

Izbrane fosfatne kamnine se v obdelavo prenesejo v čistilno napravo. Sprva jih drobijo, da dobijo drobce kamnin, ki jih nato zmeljejo v krogelnih mlinarjih pri 70 vrtljajih na minuto.

Nato produkt brušenja kamnitih drobcev presejemo, da jih lahko frakcioniramo. Frakcije z vsebnostjo fosforja 34% so izbrane kot fosfor pentoksid (P ₂ O ₅ ).

Beli fosfor (P ₄ ) se industrijsko pridobiva z elektrotermično redukcijo fluoroapatita z ogljikom pri temperaturi 1500 ° C v prisotnosti silicijevega oksida:

2Ca ₃ (PO ₄ ) ₂ (s) + 6SiO ₂ (s) + 10 C (s) => P ₄ (g) + CaSiO ₃ (l) + CO (g)

P _{4 se} v kondenziranem stanju po kondenzaciji zbira in skladišči kot bela trdna masa, potopljena v vodo, da prepreči, da bi reagirala z zunanjim zrakom.

Zlitine

Coppery

Pokrov fosforja je izdelan z različnimi odstotki bakra in fosforja: Cu 94% - P 6%; Cu 92% - P 8%; Cu 85% - P 15% itd. Zlitina se uporablja kot deoksidizator, vlažilno sredstvo za bakrovo industrijo in tudi kot nukleant v industriji aluminija.

Bronasta

To so zlitine bakra, fosforja in kositra, ki vsebujejo 0,5 - 11% fosforja in 0,01 - 0,35% kositra. Kositer poveča odpornost proti koroziji, fosfor pa poveča odpornost proti obrabi in ji daje togost.

Uporablja se pri izdelavi vzmeti, vijakov in na splošno v izdelkih, ki potrebujejo odpornost proti utrujenosti, obrabi in kemični koroziji. Njegova uporaba je priporočljiva v propelerjih čolnov.

Nikalno

Najbolj znana zlitina je NiP ₂₀ , fosforni nikelj pa se uporablja pri spajkanju zlitin za izboljšanje njihove odpornosti na kemično erozijo, oksidacijo in visoke temperature.

Zlitina se uporablja pri sestavnih delih za plinske turbine in reaktivne motorje, galvansko varjenje in pri proizvodnji varilnih elektrod.

Tveganja

Beli fosfor povzroča hude opekline kože in je močan strup, ki je lahko v odmerkih 50 mg usoden. Fosfor zavira celično oksidacijo in moti upravljanje celičnega kisika, kar lahko privede do maščobne degeneracije in odmiranja celic.

Akutna zastrupitev s fosforjem povzroči bolečine v trebuhu, pekočino, dihanje po česnu, fosforescentno bruhanje, potenje, mišične krče in celo šok v prvih štirih dneh od zaužitja.

Kasneje so se zvišale zlatenica, petehije, krvavitve, miokardna vpletenost z aritmijami, sprememba centralnega živčnega sistema in smrt deseti dan po zaužitju.

Najbolj očitna manifestacija kronične zastrupitve s fosforjem je poškodba kostne strukture čeljusti.

Povečanje koncentracije fosforja v plazmi (hiperfosfatemija) se običajno pojavi pri bolnikih z odpovedjo ledvic. To povzroči nenormalno odlaganje fosfatov v mehkih tkivih, kar lahko privede do vaskularne disfunkcije in bolezni srca in ožilja.

Prijave

Fosfor je bistven element za rastline in živali. Je eno od treh glavnih hranil rastlin, saj je potrebno za njihovo rast in energetske potrebe. Poleg tega je del nukleinskih kislin, fosfolipidov, vmesnih produktov presnovnih procesov itd.

V vretenčarjih je fosfor prisoten v kosteh in zobeh v obliki hidroksilapatita.

- Elementarni fosfor

Škatla vžigalic ali "šibica". Vir: Pxhere.

S fosforjem se naredi kemična sklenina, ki se uporablja za osvetlitev znakov, ki so postavljeni na aluminij in njegove zlitine; pa tudi iz fosfornega bakra in brona.

Uporablja se tudi za izdelavo vžigalnih bomb, granat, dimnih bomb in sledilnih nabojev. Rdeči fosfor se uporablja za pripravo tekem ali varnostnih tekem.

Za izdelavo organofosfatov se uporablja beli fosfor. Poleg tega se uporablja pri proizvodnji fosforjeve kisline.

Velika količina proizvedenega fosforja sežiga za proizvodnjo fosforjevega tetraoksida (P ₄ O ₁₀ ), ki ga dobimo v prahu ali trdni snovi.

- Spojine

Fosfin

Je surovina za izdelavo različnih fosforjevih spojin. Deluje kot doping sredstvo za elektronske komponente.

Fosforna kislina

Uporablja se pri proizvodnji brezalkoholnih pijač zaradi značilnega okusa, ki jim ga daje. Na fosfatne kamnine deluje dihidrogen kalcijev fosfat, znan tudi kot superfosfat, ki se uporablja kot gnojilo.

Fosforjeva kislina je kondicionirni element zobne sklenine, ki olajša oprijem vaših obnovitvenih materialov. Uporablja se tudi v mešanici z oljem, sečnino, katranom, bitumnom in peskom za oblikovanje asfalta; material, uporabljen pri popravilu kopenskih komunikacijskih poti.

Organofosfati

Organofosfatne spojine imajo številne namene; kot so: zaviralci gorenja, pesticidi, ekstrakcijska sredstva, sredstva za živčno delovanje in za čiščenje vode.

Dihidrogen kalcijev fosfat dihidrat

Uporablja se kot gnojilo, pecilni prašek, dodatek za krmo za živali in pri izdelavi zobne paste.

Fosforjev pentoksid

Uporablja se v kemijski analizi kot dehidracijsko sredstvo in v organski sintezi kot kondenzacijsko sredstvo. Spojina je namenjena predvsem proizvodnji ortofosforne kisline.

Natrijev tripolifosfat

Uporablja se v detergentih in kot mehčalec vode, ki izboljša delovanje detergentov in pomaga preprečiti korozijo cevi.

Triatrijev fosfat

Uporablja se kot čistilno sredstvo in sredstvo za mehčanje vode.

Natrijevi fosfati

Dvobazni natrijev fosfat (Na ₂ HPO ₄ ) in monobazični natrijev fosfat (NaH ₂ PO ₄ ) sta sestavni deli puferskega sistema, ki deluje celo na živa bitja; vključno s človeškimi bitji.

Reference

1. Reid Danielle. (2019). Alotropi fosforja: oblike, uporabe in primeri. Študij. Pridobljeno: study.com
2. Robert J. Lancashire. (2014). Predavanje 5c. Struktura elementov, nadaljevanje P, S in I. Pridobljeno iz: chem.uwimona.edu.jm
3. BYJU'S. (2019). Rdeči fosfor. Pridobljeno od: byjus.com
4. Bing Li, Ceng-Ceng Ren, Shu-Feng Zhang in sod. (2019). Elektronske strukturne in optične lastnosti večplastnega modrega fosforja: prva načela. Journal of Nanomaterials, vol. 2019, ID članka 4020762, 8 strani. doi.org/10.1155/2019/4020762
5. Dr. Dough Stewar. (2019). Dejstva elementa fosforja. Kemikool. Pridobljeno: chemicool.com
6. Wikipedija. (2019). Fosfor. Pridobljeno: en.wikipedia.org
7. Helmenstine, Anne Marie, dr. (03. julij 2019). Dejstva fosforja (atomska številka 15 ali element elementa P). Pridobljeno: misel.com
8. Inštitut Linus Pauling. (2019). Fosfor. Pridobljeno: lpi.oregonstate.edu
9. Bernardo Fajardo P. in Héctor Lozano V. (drugi). Nacionalna predelava fosfatnih kamnin za proizvodnjo superfosfatov. . Pridobljeno: bdigital.unal.edu.co
10. Uredniki Encyclopeedia Britannica. (16. november 2018). Kemični element fosfor. Encyclopædia Britannica. Pridobljeno: britannica.com
11. Reade International Corp. (2018). Bakrov fosfor (CuP). Pridobljeno: reade.com
12. KBM Affilips. (27. december 2018). Glavne zlitine nikljevega fosforja (NiP). AZoM. Pridobljeno: azom.com
13. Lenntech BV (2019). Periodična tabela: fosfor. Pridobljeno: lenntech.com
14. Abhijit Naik. (21. februar 2018). Uporablja fosfor. Pridobljeno: sciencestruck.com