FOSFOR: HISTÓRIA, VLASTNOSTI, ŠTRUKTÚRA, ZÍSKAVANIE, POUŽITIA - CHÉMIA - 2026

Fosfor je nekovový prvok, ktorý je reprezentovaný chemickej značky P a má atómové číslo 15. Je to má tri hlavné allotropic formy: biely, červený fosfor a čiernej. Biely fosfor je fosforeskujúci, pri vystavení vzduchu spontánne horí a je tiež veľmi jedovatý.

Biely fosfor pri teplote 250 ° C sa stáva červeným fosforom; nerozpustná polymérna forma, ktorá nehorí na vzduchu. Pri vysokých teplotách a tlakoch, ako aj v prítomnosti alebo bez prítomnosti katalyzátorov sa získa čierny fosfor, ktorý je podobný grafitu a je dobrým vodičom elektriny.

Biely fosfor uložený vo fľaši s vodou. Zdroj: W. Oelen

Fosfor bol prvýkrát izolovaný H. Brandom v roku 1669. Na tento účel použil moč ako zdroj tohto prvku. V roku 1770 W. Scheele zistil, že môže izolovať fosfor aj z kostí.

Neskôr, vďaka vytvoreniu elektrickej pece J. Burgessom Readmanom (1800), sa fosfátové horniny stali hlavným zdrojom výroby fosforu z minerálneho fluoroapatitu, ktorý je v nich prítomný.

Fosfor je dvanástym najhojnejším prvkom zemskej kôry a predstavuje 0,1% hmotnosti. Ďalej je to šiesty prvok v ľudskom tele; koncentrované hlavne v kostiach vo forme hydroxylapatitu.

Je preto nevyhnutným prvkom pre živé bytosti a stáva sa jednou z troch hlavných živín rastlín. Fosfor je súčasťou chemickej štruktúry nukleových kyselín; energetických zlúčenín (ATP), koenzýmov; a všeobecne zlúčenín metabolizmu.

histórie

- Objav

V moči

Obraz Josepha Wrighta z Derby ilustrujúci objav fosforu. Zdroj: Joseph Wright z Derby

Fosfor bol izolovaný značkou Henning v roku 1669, ako prvý človek, ktorý izoloval prvok. Značka bola nemecká alchymistka z Hamburgu a dokázala získať zlúčeninu moču z fosforu. Za týmto účelom zhromaždil moč z 50 vedier a nechal sa rozložiť.

Brand potom odparil moč a získal načernalý zvyšok, ktorý niekoľko mesiacov uchovával. K tomu pridal piesok a zohrial ho, dokázal eliminovať plyny a oleje. Nakoniec získal bielu tuhú látku, ktorá v tme žiarila zelene, ktorú nazval studeným ohňom.

Termín „fosfor“ pochádza náhodne z gréckeho slova „Fosfor“, čo znamená nosič svetla.

Brand nezverejnil svoje experimentálne výsledky a predal ich rôznym alchymistom vrátane Johanna Kraft, Kunckel Lowenstern a Wilhelm Leibniz. Pravdepodobne niektorí z nich ohlásili Brandovu prácu Parížskej akadémii vied, čím rozšírili svoj výskum.

Brand však v skutočnosti neizoloval fosfor, ale fosforečnan amónny a sodný. V roku 1680 Robert Boyle vylepšil Brandov postup, pomocou ktorého dokázal získať alotropickú formu fosforu (P ₄ ).

V kostiach

Johan Gottlieb Gahn a Carl Wihelm Scheele v roku 1769 zistili, že v kostiach bola nájdená zlúčenina fosforu, fosforečnanu vápenatého. Odtučnené kosti sa podrobili procesu trávenia silnými kyselinami, ako je kyselina sírová.

Produkt trávenia sa potom zahrieval v oceľových nádobách s uhlím a uhlím, čím sa získal biely fosfor destiláciou v retortách. Kosti boli hlavným zdrojom fosforu až do roku 1840, kedy boli na tento účel nahradené guánom.

V guano

Guano je zmesou trusu vtákov a produktov rozkladu vtákov. V 19. storočí sa používal ako zdroj fosforu a hnojív.

- priemyselný rozvoj

Fosfátové horniny sa začali používať v roku 1850 ako zdroj fosforu. Toto, spolu s vynálezom elektrickej pece na kalcináciu hornín Jamesom Burgessom Readmanom (1888), urobilo z PR hlavnú surovinu na výrobu fosforu a hnojív.

V roku 1819 boli založené zápalkové závody, ktoré začali priemyselný rozvoj využívania fosforu.

Fyzikálne a chemické vlastnosti

vzhľad

V závislosti od alotropickej formy môže byť bezfarebná, voskovo biela, žltá, šarlátová, červená, fialová alebo čierna.

Atómová hmotnosť

30 973 u

Atómové číslo (Z)

pätnásť

Bod topenia

Biely fosfor: 44,15 ° C

Červený fosfor: ~ 590 ° C

Bod varu

Biely fosfor: 280,5 ° C

Hustota (teplota miestnosti)

Biela: 1823 g / cm ³

Červená: 2,2 až 2,34 g / cm ³

Violet: 2,36 g / cm ³

Čierna: 2,69 g / cm ³

Teplo fúzie

Biely fosfor: 0,66 kJ / mol

Odparovacie teplo

Biely fosfor: 51,9 kJ / mol

Molárna kalorická kapacita

Biely fosfor: 23,824 J / (mol.K)

Oxidačné stavy

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

V závislosti od elektronegativity prvkov, s ktorými je kombinovaný, môže fosfor vykazovať oxidačný stav +3 alebo -3. Fosfor, na rozdiel od dusíka, má tendenciu prednostne reagovať s oxidačným stavom +5; ako je tomu v prípade oxid fosforečný (P ₂ O ₅ alebo P ₂ ⁵⁺ O ₅ ²⁺ ).

electronegativity

2,19 v Paulingovej stupnici

Ionizačná energia

-Prvé: 1 101 kJ / mol

-Sekunda: 2 190,7 kJ / mol

-Third: 2 914 kJ / mol

Tepelná vodivosť

Biely fosfor: 0,236 W / (mK)

Čierny fosfor: 12,1 W / (mK)

Je ukázané, ako čierny fosfor vedie takmer šesťkrát viac tepla ako biely fosfor.

Magnetické usporiadanie

Biele, červené, fialové a čierne fosfory sú diamagnetické.

izotopy

Fosfor má 20 izotopov, z ktorých hlavné sú: ³¹ P, jediný stabilný izotop s množstvom 100%; ³² P izotop žiarič β ^- a s polčasom - životnosti 14,28 dní; a ³³ P, je β emitujúce izotop ^- a s polčasom 25,3 dní.

svetielkovanie

Biely fosfor je fosforeskujúci a v tme vyžaruje zelené svetlo.

Allotropické zmeny

Biely fosfor je nestabilný a pri teplotách blízkych 250 ° C sa mení na polymérnu formu známu ako červený fosfor, ktorá sa môže meniť od oranžovej po fialovú. Je to amorfná látka, ale môže sa stať kryštalickou; nesvieti v tme ani nespáli vo vzduchu.

Biely fosfor pri vysokých teplotách a tlakoch alebo v prítomnosti katalyzátorov sa transformuje na inú polymérnu formu ako červený fosfor: čierny fosfor. Je to kryštalická látka čiernej farby, inertná, podobná grafitu, ktorá má schopnosť viesť elektrinu.

rozpustnosť

Biely fosfor v čistej forme je nerozpustný vo vode, aj keď môže byť solubilizovaný v sulfide uhličitom. Medzitým sú červené a čierne fosfory nerozpustné vo vode a sú menej prchavé ako biely fosfor.

reaktivita

Fosfor spontánne horí v vzduchu aby vytvorilo P ₂ O _5, a to zase môže reagovať s troma molekulami vody za vzniku trihydrogénfosforečná alebo kyselina fosforečná (H ₃ PO ₄ ).

Pôsobením horúcej vody vzniká fosfín (PH ₃ ) a oxidy fosforu.

Kyselina fosforečná pôsobí na fosfátové horniny a spôsobuje dihydrogénfosforečnan vápenatý alebo superfosfát.

To môže reagovať s halogény tvoria halogenidy PX ₃ , kde X predstavuje F, Cl, Br alebo I; alebo halogenidy s vzorca PX ₅ , kde X je F, Cl alebo Br.

Fosfor tiež reaguje s kovmi a metaloidmi za vzniku fosfidov a so sírou za vzniku rôznych sulfidov. Na druhej strane sa viaže na kyslík a vytvára estery. Rovnakým spôsobom sa kombinuje s uhlíkom za vzniku organických zlúčenín fosforu.

Štruktúra a elektronická konfigurácia

- Odkazy a štvorstenná jednotka

Atómy fosforu majú nasledujúcu elektronickú konfiguráciu:

3s ² 3p ³

Má preto päť valenčných elektrónov, rovnako ako dusík a ďalšie prvky skupiny 15. Pretože sa jedná o nekovový prvok, jeho atómy musia tvoriť kovalentné väzby, až kým sa valentný oktet nedokončí. Dusík dosahuje tým, že sa stanoví sa ako diatomic molekuly N ₂ , s trojitú väzbou, N≡N.

To isté sa deje s fosforom: dvaja z jeho atómov P väzby s trojitú väzbou za vzniku P ₂ molekulu , P≡P; to znamená difosforový allotrop. Fosfor má však vyššiu atómovú hmotnosť ako dusík a jeho 3p orbitaly, viac rozptýlené ako 2p dusíka, sa prekrývajú menej efektívne; Preto, P ₂ existuje len v plynnom stave.

Namiesto toho, pri izbovej teplote atómy P prednosť usporiadať kovalentne iným spôsobom: v štvorboké molekula P ₄ :

Molekulárne jednotky P4 v bielych kryštáloch fosforu. Zdroj: Benjah-bmm27 prostredníctvom Wikipédie.

Všimnite si, že na obrázku majú všetky atómy P namiesto jednej trojitej väzby tri jednoduché väzby. To znamená, že fosfor v P ₄ dokončí jeho valencie oktet. Avšak, v P _4, je napätie v PP väzieb, pretože ich uhly sú ďaleko od 109.5º voľným okom.

- Allotropes

Biely fosfor

Rovnaký obraz z P ₄ jednotky a ich nestabilita vysvetliť, prečo biely fosfor je veľmi nestabilná allotrope tohto prvku.

Tieto P ₄ jednotky sú usporiadané v priestore, pre definovanie BCC kryštál (α fáza) za normálnych podmienok. Keď teplota klesne na -77,95 ° C, kryštál bcc sa transformuje na hcp (pravdepodobne), hustejšiu (β fáza). To znamená, že P ₄ jednotky sú usporiadané v dvoch striedajúcich sa vrstiev, A a B, vytvoriť ABAB … sekvencie.

Červený fosfor

Reťazcová štruktúra červeného fosforu. Zdroj: Gabriel Bolívar.

Na obrázku vyššie je znázornený iba malý segment štruktúry červeného fosforu. Pretože tieto tri jednotky sú usporiadané „symetricky“, je možné povedať, že ide o kryštalickú štruktúru, ktorá sa získa zahrievaním tohto fosforu nad 250 ° C.

Červený fosfor je však väčšinou tvorený amorfnou pevnou látkou, takže jeho štruktúra je špinavá. Potom sa polymérne reťazce P _{4 by} byť usporiadané bez zjavnej vzorka, niektoré vyššie a ďalšie pod ňou ľubovoľnej rovine.

Všimnite si, že toto je hlavný štrukturálny rozdiel medzi bielou a červeného fosforu: v prvom, P ₄ sa nachádzajú individuálne, a v druhej, tvoriť reťazca. Je to možné, pretože jedna z väzieb PP vo vnútri štvorstena je prerušená, aby sa mohla spojiť so susedným štvorstenom. Tým sa zníži kruhové napätie a červený fosfor získa väčšiu stabilitu.

Ak existuje zmes obidvoch alotrópov, podáva sa do oka ako žltý fosfor; zmes tetraedier a amorfných fosforových reťazcov. Pri vystavení slnečnému žiareniu sa biely fosfor v skutočnosti zmení na žltkastý, pretože žiarenie podporuje prerušenie už spomenutej väzby PP.

Fosfor fialový alebo Hittorf

Molekulárna štruktúra fialového fosforu. Zdroj: Cadmium na anglickej Wikipédii

Fialový fosfor je konečný vývoj červeného fosforu. Ako je možné vidieť na obrázku vyššie, stále pozostáva z polymérneho reťazca; ale teraz sú štruktúry zložitejšie. Zdá sa, že stavebná jednotka je už P nie ₄ , ale P ₂ , usporiadané tak, že tvoria nepravidelné päťuholníkový krúžky.

Napriek tomu, ako asymetrická štruktúra vyzerá, tieto polymérne reťazce sa dokážu usporiadať dostatočne dobre as periodicitou, aby fialový fosfor vytvoril monoklinické kryštály.

Čierny fosfor

Štruktúra čierneho fosforu z rôznych uhlov. Zdroj: Benjah-bmm27.

A konečne máme najstabilnejší fosforový allotrop: čierny. Pripravuje sa zahrievaním bieleho fosforu pod tlakom 12 000 atm.

Na hornom obrázku (dole) je vidieť, že jeho štruktúra z vyššej roviny má určitú podobnosť so štruktúrou grafitu; je to číra sieť hexagonálnych krúžkov (aj keď vyzerajú ako štvorce).

V ľavom hornom rohu obrázka je lepšie oceniť to, čo bolo práve komentované. Molekulárne prostredie atómov P sú trigonálne pyramídy. Všimnite si, že štruktúra pri pohľade zboku (pravý horný roh) je usporiadaná vo vrstvách, ktoré sa nad sebou hodia.

Štruktúra čierneho fosforu je pomerne symetrická a usporiadaná, čo je v súlade s jeho schopnosťou etablovať sa ako ortorombické kryštály. Skladanie ich polymérnych vrstiev spôsobuje, že atómy P nie sú dostupné pre mnoho chemických reakcií; Preto je značne stabilný a nie príliš reaktívny.

Napriek tomu, že stojí za zmienku, londýnske disperzné sily a molárne hmotnosti týchto fosforečných tuhých látok riadia niektoré z ich fyzikálnych vlastností; zatiaľ čo jeho štruktúry a väzby PP definujú chemické a iné vlastnosti.

Kde nájsť a získať

Apatit a fosforit

Je to dvanásty prvok zemskej kôry a predstavuje 0,1% hmotnosti. Existuje asi 550 minerálov, ktoré obsahujú fosfor, apatit je najdôležitejšou minerálnou látkou na získanie fosforu.

Apatit je minerál fosforu a vápnika, ktorý môže obsahovať rôzne množstvá fluóru, chloridu a hydroxidu, ktorého vzorec je nasledujúci: Okrem apatitu existujú aj ďalšie fosforečné minerály komerčného významu; to je prípad wavelitu a vivianity.

Fosfátová hornina alebo fosforitan je hlavným zdrojom fosforu. Je to nedetritálna sedimentárna hornina, ktorá má obsah fosforu 15 - 20%. Fosfor je obvykle prítomný vo forme Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ F ₂ (fluorapatit). Je tiež prítomný ako hydroxyapatit, aj keď v menšej miere.

Okrem toho možno fluoroapatit nájsť ako súčasť vyvřelých a metamorfovaných hornín, ako aj vápencov a bridlíc.

Elektrotermálna redukcia fluoroapatitu

Vybrané fosfátové horniny sa prenesú do spracovateľského závodu na spracovanie. Spočiatku sa drvia, aby sa získali úlomky hornín, ktoré sa potom melú v guľových mlynoch rýchlosťou 70 otáčok za minútu.

Potom sa produkt mletia úlomkov horniny preoseje, aby sa mohol frakcionovať. Frakcia s obsahom fosforu 34% sú vybrané ako oxid fosforečný (P ₂ O ₅ ).

Biely fosfor (P ₄ ) sa priemyselne získava elektrotermálnou redukciou fluoroapatitu uhlíkom pri teplote 1 500 ºC v prítomnosti oxidu kremičitého:

2CA ₃ (PO ₄ ) ₂ (S) + 6SiO ₂ (e) + 10 ° C (s) => P ₄ (g) + Casio ₃ (l) + CO (g)

P ₄ v plynnom stave, po kondenzácii, sa zhromaždí a uloží vo forme bielej pevnej látky ponorené do vody, aby sa zabránilo reakcii s vonkajším vzduchom.

zliatiny

medený

Fosforový poťah sa vyrába s rôznymi percentami medi a fosforu: Cu 94% - P 6%; Cu 92% - P 8%; Cu 85% - P 15% atď. Zliatina sa používa ako deoxidačné činidlo, zmáčadlo pre medený priemysel a tiež ako jadro v priemysle hliníka.

bronz

Sú to zliatiny medi, fosforu a cínu, ktoré obsahujú 0,5 - 11% fosforu a 0,01 - 0,35% cínu. Cín zvyšuje odolnosť proti korózii, zatiaľ čo fosfor zvyšuje odolnosť zliatiny proti opotrebeniu a dodáva jej tuhosť.

Používa sa pri výrobe pružín, skrutiek a všeobecne vo výrobkoch, ktoré vyžadujú odolnosť proti únave, opotrebeniu a chemickej korózii. Jeho použitie sa odporúča v lodných lodiach.

Poniklované

Najznámejšou zliatinou je NiP ₂₀ s obsahom fosforu niklu, ktorý sa používa v spájkovacích zliatinách na zlepšenie ich odolnosti voči chemickej erózii, oxidácii a vysokým teplotám.

Zliatina sa používa v súčiastkach plynových turbín a prúdových motorov, galvanickom pokovovaní a pri výrobe zváracích elektród.

riziká

Biely fosfor spôsobuje silné popáleniny kože a je silným jedom, ktorý môže byť smrteľný pri dávkach 50 mg. Fosfor inhibuje bunkovú oxidáciu a narúša bunkový kyslíkový manažment, čo môže viesť k degenerácii tukov a odumieraniu buniek.

Akútna otrava fosforom vyvoláva bolesť brucha, pálenie, dych zapáchajúci cesnakom, zvracanie fosforeskujúce, potenie, svalové kŕče a dokonca aj šok počas prvých štyroch dní po požití.

Neskôr sa prejavila žltačka, petechia, krvácanie, postihnutie myokardu s arytmiami, zmena centrálneho nervového systému a smrť desiaty deň po požití.

Najzreteľnejším prejavom chronickej otravy fosforom je poškodenie kostnej štruktúry čeľuste.

U pacientov so zlyhaním obličiek sa zvyčajne vyskytuje zvýšenie koncentrácie fosforu v plazme (hyperfosfatémia). To spôsobuje abnormálne ukladanie fosfátov v mäkkých tkanivách, čo môže viesť k vaskulárnej dysfunkcii a kardiovaskulárnym ochoreniam.

aplikácia

Fosfor je základným prvkom pre rastliny a zvieratá. Je to jedna z troch hlavných živín rastlín, ktorá je nevyhnutná pre ich rast a energetické požiadavky. Okrem toho je súčasťou nukleových kyselín, fosfolipidov, medziproduktov metabolických procesov atď.

Na stavovcoch je fosfor prítomný v kostiach a zuboch vo forme hydroxylapatitu.

- Elementárny fosfor

Krabica zápasov alebo „zápas“. Zdroj: Pxhere.

S fosforom sa vyrába chemický smalt, ktorý sa používa na osvetlenie značiek umiestnených na hliníku a jeho zliatinách; ako aj vo fosforovej meďi a bronze.

Používa sa tiež na výrobu zápalných bômb, granátov, dymových bômb a stopovacích nábojov. Červený fosfor sa používa na výrobu zápaliek alebo bezpečnostných zápaliek.

Biely fosfor sa používa na výrobu organofosfátov. Okrem toho sa používa pri výrobe kyseliny fosforečnej.

Veľké množstvo vyrobeného fosforu sa spaľuje na výrobu oxidu fosforečného (P ₄ O ₁₀ ) získaného ako prášok alebo pevná látka.

- Zlúčeniny

fosfín

Je to surovina na výrobu rôznych zlúčenín fosforu. Pôsobí ako dopingový prostriedok pre elektronické komponenty.

Kyselina fosforečná

Používa sa pri výrobe nealkoholických nápojov vďaka charakteristickej chuti, ktorú im dodáva. Pôsobí na fosfátové horniny a vytvára dihydrogénfosforečnan vápenatý, známy tiež ako superfosfát, ktorý sa používa ako hnojivo.

Kyselina fosforečná je kondicionujúcim prvkom zubnej skloviny, ktorý uľahčuje priľnavosť vašich obnovovacích materiálov. Používa sa tiež v zmesi s olejom, močovinou, dechtom, bitúmenom a pieskom na vytvorenie asfaltu; materiál používaný na opravu pozemných komunikačných trás.

organofosfátmi

Organofosfátové zlúčeniny majú početné použitie; ako sú: spomaľovače horenia, pesticídy, extrakčné činidlá, činidlá pôsobiace nervy a na úpravu vody.

Dihydrát hydrogenfosforečnanu vápenatého

Používa sa ako hnojivo, prášok do pečiva, doplnkové látky pre zvieratá a pri výrobe zubných pást.

Oxid fosforečný

Používa sa v chemickej analýze ako dehydratačné činidlo a v organickej syntéze ako kondenzačné činidlo. Táto zlúčenina je primárne určená na výrobu kyseliny ortofosforečnej.

Tripolyfosfát sodný

Používa sa v detergentoch a ako zmäkčovač vody, čo zlepšuje pôsobenie detergentov a pomáha predchádzať korózii potrubí.

Fosforečnan trisodný

Používa sa ako čistiaci prostriedok a zmäkčovač vody.

Fosforečnany sodné

Hydrogénfosforečnan sodný (Na ₂ HPO ₄ ) a dihydrogénfosforečnanu sodného (NaH ₂ PO ₄ ) sú komponenty pH vyrovnávací systém, ktorý ešte pôsobí v živej bytosti; vrátane ľudských bytostí.

Referencie

1. Reid Danielle. (2019). Allotropes of fosfor: Formy, použitia a príklady. Štúdia. Obnovené z: study.com
2. Robert J. Lancashire. (2014). Prednáška 5c. Štruktúra prvkov, pokračovanie P, S a I. Získané z: chem.uwimona.edu.jm
3. BYJU'S. (2019). Červený fosfor. Obnovené z: byjus.com
4. Bing Li, Ceng-Ceng Ren, Shu-Feng Zhang a kol. (2019). Elektronické štruktúrne a optické vlastnosti viacvrstvového fosforu: Štúdia prvého princípu. Journal of Nanomaterials, zv. 2019, ID článku 4020762, 8 strán. doi.org/10.1155/2019/4020762
5. Dough Stewar. (2019). Fakty o fosfore. Chemicool. Získané z: chemicool.com
6. Wikipedia. (2019). Fosfor. Obnovené z: en.wikipedia.org
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (3. júla 2019). Fosforové fakty (atómové číslo 15 alebo prvok P). Získané z: thinkco.com
8. Linus Pauling Institute. (2019). Fosfor. Získané z: lpi.oregonstate.edu
9. Bernardo Fajardo P. & Héctor Lozano V. (nd). Národné spracovanie fosfátových hornín na výrobu superfosfátov. , Získané z: bdigital.unal.edu.co
10. Editori encyklopédie Britannica. (16. november 2018). Fosforový chemický prvok. Encyclopædia Britannica. Získané z: britannica.com
11. Reade International Corp. (2018). Zliatina medi fosforu meďnatého (CuP). Obnovené z: reade.com
12. Affilips KBM. (27. decembra 2018). Niklový fosfor (NiP) Master Alloy. AZoM. Obnovené z: azom.com
13. Lenntech BV (2019). Periodická tabuľka: fosfor. Obnovené z: lenntech.com
14. Abhijit Naik. (21. februára 2018). Použitie fosforu. Obnovené z: sciencestruck.com