FOSZFOR: TÖRTÉNELEM, TULAJDONSÁGOK, SZERKEZET, MEGSZERZÉS, FELHASZNÁLÁSOK - KÉMIA - 2026

A foszfor nemfémes elem, amelyet a P kémiai szimbólum ábrázol, és amelynek atomszám 15. Három fő allotrop alakja van: fehér, piros foszfor és fekete. A fehér foszfor foszforeszkáló, levegővel érintkezve spontán ég, és szintén erősen mérgező.

A fehér foszfor 250 ºC-os hőmérsékleten vörös foszforré válik; oldhatatlan, polimer forma, amely a levegőben nem ég. Magas hőmérsékleten és nyomáson, valamint katalizátorok jelenlétében vagy hiányában fekete foszfor képződik, amely grafithoz hasonlít és jó áramvezető.

Fehér foszfor tárolva egy üveg vízben. Forrás: W. Oelen

A foszfort először H. Brand 1669-ben elkülönítette. Erre a forrásra vizeletet használt. 1770-ben W. Scheele rájött, hogy a foszfort is el tudja választani a csontokból.

Később, J. Burgess Readman (1800) által létrehozott elektromos kemence következtében a foszfátkövek a bennük lévő ásványi fluoroapatit foszfortermelésének fő forrásává váltak.

A foszfor a földkéreg tizenkettedik leggyakoribb eleme, ennek 0,1% -át teszi ki. Ezenkívül ez a hatodik elem a bőségben az emberi testben; főleg a csontokban koncentrálódnak hidroxilapatit formájában.

Ezért elengedhetetlen elem az élőlények számára, mivel a növények három fő tápanyagává válik. A foszfor a nukleinsavak kémiai szerkezetének része; energiatároló vegyületek (ATP), koenzimek; és általában a metabolizmus vegyületeit.

Történelem

- Felfedezés

Vizeletben

Joseph Wright, Derby festménye, amely a foszfor felfedezését szemlélteti. Forrás: Joseph Wright, Derby

A foszfort Henning Brand 1669-ben izolálta, mivel ez volt az első ember, aki egy elemet izolált. Brand német alkimista volt Hamburgból, és sikerült foszforvegyületet kinyernie a vizeletből. Ehhez összegyűjtötte a vizeletet 50 vödörből, és hagyta, hogy lebomoljon.

Ezután Brand elpárologtatta a vizeletet, és fehéres maradékot kaptunk, amelyet néhány hónapig tartott. Ehhez homokot adott és melegítette, és így eltávolította a gázokat és az olajokat. Végül fehér szilárd anyagot kaptunk, amely sötétben zöldre világított, amelyet "hideg tűznek" neveztek.

A „foszfor” kifejezés véletlenszerűen a „Phosphoros” görög szóból származik, amely fényhordozót jelent.

Brand nem tette közzé kísérleti eredményeit, és különféle alkimistáknak adta el, köztük Johann Kraft, Kunckel Lowenstern és Wilhelm Leibniz. Valószínűleg néhányuk beszámolt Brand munkájáról a Párizsi Tudományos Akadémia felé, így elterjesztette kutatásait.

Brand azonban nem a foszfort, hanem az ammónia-nátrium-foszfátot választotta el. 1680-ban Robert Boyle továbbfejlesztette Brand eljárását, mellyel megszerezte a foszfor allotróp formáját (P ₄).

A csontokban

Johan Gottlieb Gahn és Carl Wihelm Scheele 1769-ben megállapították, hogy a csontokban foszforvegyület, kalcium-foszfát található. A zsírtalanított csontokat erős savakkal, például kénsavval emésztjük.

Ezután az emésztés termékét acéltartályokban melegítették szén és szén segítségével, így retrospektív desztillációval fehér foszfort kaptak. A csontok voltak a foszfor fő forrása 1840-ig, amikor erre a célra guanó váltotta fel őket.

A guanóban

A Guano madár-ürülék és madárbomlás-termékek keveréke. A 19. században foszfor és műtrágya forrásként használták.

- Ipari fejlődés

A foszfátkövek 1850-ben kerültek felhasználásra foszforforrásként. Ez, valamint a kőzetek kalcinálására szolgáló elektromos kemence James Burgess Readman (1888) általi feltalálása révén a foszfor- és műtrágyatermelés fő alapanyagává tették a PR-eket.

1819-ben létrehozták a gyufagyárakat, kezdve a foszfor felhasználásának ipari fejlődését.

Fizikai és kémiai tulajdonságok

Megjelenés

Az allotrop alakjától függően színtelen, viaszos fehér, sárga, skarlát, piros, lila vagy fekete lehet.

Atomsúly

30,973 u

Atomszám (Z)

tizenöt

Olvadáspont

Fehér foszfor: 44,15 ºC

Piros foszfor: ~ 590 ºC

Forráspont

Fehér foszfor: 280,5 ºC

Sűrűség (szobahőmérséklet)

Fehér: 1823 g / cm ³

Piros: 2,2-2,34 g / cm ³

Violet: 2,36 g / cm ³

Fekete: 2,69 g / cm ³

A fúziós hő

Fehér foszfor: 0,66 kJ / mol

A párolgás hője

Fehér foszfor: 51,9 kJ / mol

Moláris kalóriakapacitás

Fehér foszfor: 23,824 J / (mol.K)

Oxidációs állapotok

-3, -2, -1, +1, +2, +3, +4 és +5

Azon elemek elektronegativitásától függően, amelyekkel kombinálják, a foszfor megmutathatja a +3 vagy -3 oxidációs állapotot. A foszfor, a nitrogéntől eltérően, inkább a +5 oxidációs állapottal reagál; ilyen a foszfor-pentoxid (P ₂ O ₅ vagy P ₂ ⁵⁺ O ₅ ²⁺).

elektronegativitás

2.19 a Pauling skálán

Ionizációs energia

- Először: 1101 kJ / mol

-Második: 2190,7 kJ / mol

-Harmadik: 2 914 kJ / mol

Hővezető

Fehér foszfor: 0,236 W / (mK)

Fekete foszfor: 12,1 W / (mK)

Megmutatjuk, hogy a fekete foszfor majdnem hatszor annyi hőt vezet, mint a fehér foszfor.

Mágneses sorrend

A fehér, piros, lila és fekete foszfor diamagnetikus.

Izotóp

A foszfornak 20 izotópja van, a főbbek közül a következők: ³¹ P, az egyetlen stabil izotóp, 100% -os bőséggel; ³² P izotóp emitter β ^- és felezési ideje 14,28 nap; és ³³ P, a β emittáló izotóp ^-, és egy felezési 25,3 nap.

foszforeszcencia

A fehér foszfor foszforeszkáló és sötétben zöld fényt bocsát ki.

Allotropikus változások

A fehér foszfor instabil és 250 ° C körüli hőmérsékleten vörös foszfor néven ismert polimer formává alakul, amely narancssárgától lila színű lehet. Amorf anyag, de kristályos lehet; nem világít a sötétben, és nem ég a levegőben.

Fehér foszfor magas hőmérsékleten és nyomáson, vagy katalizátorok jelenlétében a vörös foszfortól eltérő polimer formává alakul: fekete foszfor. Ez egy fekete színű, inert, kristályos anyag, amely hasonló a grafithoz, és képes elektromos áramot vezetni.

Oldhatóság

A tiszta fehér foszfor vízben nem oldódik, bár szén-szulfidban oldható. Eközben a vörös és a fekete foszfor vízben nem oldódik és kevésbé illékony, mint a fehér foszfor.

Reakcióképesség

A foszfor spontán módon ég a levegőben, és így P ₂ O ₅ képződik , amely három vízmolekulával reagálva ortofoszfor vagy foszforsavat képezhet (H ₃ PO ₄).

Forró víz hatására a foszfin (PH ₃) és a foszfor-oxidok származnak.

A foszforsav a foszfátkövekre hat, hidrogén-kalcium-foszfátot vagy szuperfoszfátot okozva.

Ez képes reagálni halogénnel képeznek halogenidek PX ₃, X fluor-, klór-, bróm- vagy jódatom; vagy halogenidek a képlet PX ₅, ahol X jelentése F, Cl vagy Br.

Hasonlóképpen, a foszfor reagál fémekkel és metalloidokkal foszfideket képezve, kénnel pedig különféle szulfidokat képezve. Másrészt az oxigénhez kötődik észterek létrehozásához. Ugyanígy kombinálódik széntel, hogy szerves foszforvegyületeket képezzen.

Felépítés és elektronikus konfiguráció

- Linkek és tetraéderes egység

A foszfor-atomok elektronikus konfigurációja a következő:

3s ² 3p ³

Ezért öt valencia elektronjával rendelkezik, mint például a nitrogén és a 15. csoport többi eleme. Mivel ez nem fémes elem, atomjainak kovalens kötéseket kell képezniük, amíg a valencia oktett be nem fejeződik. Nitrogén éri ezt meg magát, mint kétatomos molekulák N ₂, egy hármas kötést, N≡N.

Ugyanez történik foszfor: annak két P atomok kötés egy hármas kötés, hogy kialakítsuk a P ₂ -molekula, P≡P; vagyis a diffoszfor allotróp. A foszfor atomtömege azonban nagyobb, mint a nitrogénnél, és 3p-s pályáin, diffúzabban, mint a nitrogén-2p-nál, kevésbé fedik át egymást; ezért a P ₂ csak gáz halmazállapotban létezik.

Ehelyett, szobahőmérsékleten a P atomok inkább szervezni kovalensen más módon: egy tetraéderes molekulában P ₄:

P4 molekuláris egységek fehér foszfor kristályokban. Forrás: Benjah-bmm27 a Wikipedia segítségével.

Vegye figyelembe, hogy a képen mindenekelőtt a P-atomok három hármas kötéssel rendelkeznek egy hármas kötés helyett. Így a P ₄ foszforja kiegészíti valencia oktetét. Ugyanakkor a P _4- ben feszültség van a PP-kötésekben, mivel szögeik szabad szemmel 109,5º-tól távol vannak.

- Allotropes

Fehér foszfor

Ugyanez a kép a P ₄ egységekről és instabilitásukból magyarázza, hogy a fehér foszfor miért ennek az elemnek a legstabilabb allotrópja.

A P ₄ egységek vannak elrendezve a térben, hogy meghatározzák a BCC kristály (α fázis) normál körülmények között. Amikor a hőmérséklet -77,95 ° C-ra csökken, a bcc-kristály hcp-vel (feltehetően) sűrűbbé (β-fázisá) alakul. Azaz, a P ₄ egységek vannak elrendezve két váltakozó rétegekből, A és B, hogy hozzon létre egy ABAB… szekvenciával.

Vörös foszfor

Láncszerű szerkezet a vörös foszfor számára. Forrás: Gabriel Bolívar.

A fenti képen a vörös foszforszerkezetnek csak egy kis része látható. Mivel a három egységet "szimmetrikusan" igazítják, azt lehet mondani, hogy ez egy kristályos szerkezet, amelyet e foszfor 250 ° C feletti melegítésével kapunk.

A vörös foszfor azonban az idő nagy részében amorf szilárd anyagból áll, így szerkezete rendetlen. Ezután, a polimer láncok a P _{4 lenne} megoldható anélkül, látszólagos minta, néhány a fenti és mások alatti ugyanaz az önkényes síkban.

Ne feledje, hogy ez a fő szerkezeti különbség a fehér és a vörös foszfor között: az elsőben a P ₄ egyedi, a másodikban pedig láncot alkot. Ez azért lehetséges, mert a tetraéder belsejében lévő egyik PP kötés eltört annak érdekében, hogy a szomszédos tetraéderhez kapcsolódjon. Így a gyűrű feszültsége csökken és a vörös foszfor nagyobb stabilitást nyer.

Ha van mindkét alotróp keveréke, akkor azt a szemnek sárga foszfor formájában kínálják fel; tetraéder és amorf foszforláncok keveréke. Valójában a fehér foszfor sárgásvá válik, amikor a napsugaraknak vannak kitéve, mivel a sugárzás elősegíti a már említett PP kötés megszakadását.

Lila vagy Hittorf foszfor

Lila foszfor molekuláris szerkezete. Forrás: Kadmium az angol Wikipedia-ban

Lila foszfor a vörös foszfor végső fejlődése. Amint az a fenti képen látható, még mindig polimer láncból áll; de most a szerkezetek bonyolultabbak. Úgy tűnik, hogy a szerkezeti egység már nem a P ₄, azonban a P ₂, elrendezve oly módon, hogy alkotnak szabálytalan ötszög gyűrűk.

Annak ellenére, hogy az aszimmetrikus szerkezet hogyan néz ki, ezek a polimer láncok sikerülnek megfelelő módon és időközönként elrendeződni, hogy az ibolya foszfor monoklinikus kristályokat hozzon létre.

Fekete foszfor

A fekete foszfor szerkezete különböző szögekből nézve. Forrás: Benjah-bmm27.

És végül megvan a legstabilabb foszfor allotropja: a fekete. Fehér foszfor melegítésével állítják elő 12.000 atm nyomáson.

A felső képen (lent) látható, hogy a magasabb sík felépítése bizonyos hasonlóságot mutat a grafitéval; ez egy hatszögletű gyűrűk puszta hálózata (még akkor is, ha négyzet alakúak).

A kép bal felső sarkában az éppen megjegyzett vélemény jobban értékelhető. A P-atomok molekuláris környezete trigonális piramisok. Vegye figyelembe, hogy a szerkezet oldalról nézve (a jobb felső sarokban) rétegekben van elrendezve, amelyek illeszkednek egymáshoz.

A fekete foszfor szerkezete meglehetősen szimmetrikus és rendezett, ami összhangban áll azzal a képességgel, hogy ortorombás kristályokként alakuljon ki. A polimer rétegek egymásra rakása miatt a P-atomok sok kémiai reakcióban nem elérhetők; és ezért rendkívül stabil és nem túl reakcióképes.

Annak ellenére, hogy érdemes megemlíteni, a londoni diszperziós erõk és ezeknek a foszfor-szilárd anyagoknak a móltömegei szabályozzák ezek fizikai tulajdonságait; míg szerkezete és PP kötései meghatározzák a kémiai és egyéb tulajdonságokat.

Hol található és szerezhető be

Apatit és foszforit

Ez a földkéreg tizenkettedik eleme, és tömegének 0,1% -át képviseli. Körülbelül 550 ásványi anyag tartalmaz foszfort, az apatit a legfontosabb ásványi anyag a foszfor előállításához.

Az apatit egy foszfor és kalcium ásványa, amely változó mennyiségű fluort, kloridot és hidroxidot tartalmazhat, amelynek képlete a következő: Az apatit mellett más kereskedelmi szempontból fontos foszfor-ásványok is vannak; ilyen a wavelite és a vivianita eset.

A foszfor fő forrása a foszfát kőzet vagy a foszforit. Nem detrital üledékes kő, amelynek foszfortartalma 15-20%. A foszfor általában Ca ₁₀ (PO ₄) ₆ F ₂ (fluoroapatit) formájában van jelen. Ez hidroxiapatitként is jelen van, bár kisebb mértékben.

Ezen túlmenően a fluoroapatit megtalálható a dudós és metamorf kőzetek, valamint a mészkő és a szikla részeként.

A fluoroapatit elektrotermikus redukciója

A kiválasztott foszfátkövek átkerülnek a tisztítóüzembe feldolgozás céljából. Kezdetben őrlik, hogy kőzettöredékeket kapjanak, amelyeket ezután gömbölő malmokban őrölnek percenként 70 fordulattal.

Ezután a kőzettöredékek őrlésének termékét szitáljuk, hogy frakcionáljuk őket. Azokat a frakciókat, amelyek 34% foszfor-tartalma van, foszfor-pentoxidnak (P ₂ O ₅) választjuk.

A fehér foszfort (P ₄) iparilag úgy állítják elő, hogy a fluoroapatitot szénnel elektrotermikusan redukálják 1500 ºC hőmérsékleten, szilícium-oxid jelenlétében:

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

P ₄ gázállapotban, kondenzálása után, összegyűjtjük és tároljuk mint fehér szilárd anyag víz alatt, hogy megakadályozzák, hogy a reagáló külső levegő.

ötvözetek

Rezes

A foszforborítást különböző réz- és foszfor-százalékos arányban gyártják: Cu 94% - P 6%; Cu 92% - P 8%; Cu 85% - P 15% stb. Az ötvözetet deoxidálószerként, nedvesítőszerként használják a rézipar számára, valamint nukleáris anyagként az alumíniumiparban.

Bronz

Ezek réz-, foszfor- és ónötvözetek, amelyek 0,5–11% foszfort és 0,01–0,35% ónot tartalmaznak. Az ón növeli a korrózióállóságot, míg a foszfor növeli az ötvözet kopásállóságát és merevséget ad.

Rugók, csavarok gyártásában és általában olyan termékekben használják, amelyek kimerültségnek, kopásnak és kémiai korróziónak ellenállnak. Használata a hajók légcsavarjainál ajánlott.

Nikkelezett

A legismertebb ötvözet a NiP ₂₀, a foszfor-nikkelt keményforrasztó ötvözetekben használják, hogy javítsák az ellenállást a kémiai erózióval, oxidációval és a magas hőmérsékletekkel szemben.

Az ötvözetet használják gázturbinás és sugárhajtómű-alkatrészekben, galvanizáláshoz és hegesztő elektródák gyártásához.

kockázatok

A fehér foszfor súlyos bőrégést okoz és erős méreg, amely 50 mg-os dózis esetén halálos lehet. A foszfor gátolja a sejtek oxidációját, megzavarva a sejtek oxigénkezelését, ami zsíros degenerációhoz és sejthalálhoz vezethet.

Az akut foszformérgezés hasi fájdalmat, égést, fokhagymás illatú légzést, foszforeszkáló hányást, verejtékezést, izomgörcsöket, sőt sokkállapotot okoz a lenyelés első négy napjában.

Később, sárgaság, petechia, vérzés, szívizom-betegség ritmuszavarban való részvétele, a központi idegrendszer megváltozása és a halál a lenyelés utáni tizedik napon jelentkezett.

A krónikus foszformérgezés legnyilvánvalóbb megnyilvánulása az állkapocs csontszerkezetének károsodása.

A plazma foszforkoncentrációjának növekedése (hiperfoszfatémia) általában veseelégtelenségben szenvedő betegeknél jelentkezik. Ez a foszfátok rendellenes lerakódását okozza a lágy szövetekben, ami érrendszeri működési zavarokhoz és szív- és érrendszeri betegségekhez vezethet.

Alkalmazások

A foszfor nélkülözhetetlen elem a növények és állatok számára. Ez a növények három fő tápanyaga, amely növekedéshez és energiaigényéhez szükséges. Ezenkívül része a nukleinsavaknak, foszfolipideknek, metabolikus folyamatok közbenső termékeinek stb.

A gerinces állatokban a foszfor a csontokban és a fogakban hidroxillapát formájában van jelen.

- Elemi foszfor

Egy doboz gyufa vagy "mérkőzés". Forrás: Pxhere.

A foszfor segítségével kémiai zománcokat készítenek, amelyeket az alumíniumra és ötvözeteikre helyezett jelek megvilágítására használnak; valamint foszfor-rézben és bronzban.

Gyújtóbombák, gránátok, füstbombák és nyomjelzőgolyók készítésére is használják. A vörös foszfort használják mérkőzések vagy biztonsági mérkőzések készítéséhez.

A fehér foszfort organikus foszfátok előállítására használják. Ezenkívül foszforsav előállítására is felhasználják.

A képződött foszfor nagy részét égetik foszfor-tetraoxid (P ₄ O ₁₀) előállításához, amelyet porként vagy szilárd anyagként kapnak.

- Vegyületek

foszfin

Ez a nyersanyag a különféle foszforvegyületek előállításához. Dopping szerként működik az elektronikus alkatrészeknél.

Foszforsav

Az üdítőitalok előállításában használják, jellegzetes ízük miatt. Foszfátkövekre hat, és dihidrogén-kalcium-foszfátot (más néven szuperfoszfátot) képez, amelyet műtrágyaként használnak.

A foszforsav a fogzománc kondicionáló eleme, hogy megkönnyítse a helyreállítási anyagok tapadását. Olajjal, karbamiddal, kátrányjal, bitumennel és homokkal keverve használják aszfalt kialakításához; a földi kommunikációs útvonalak javításában használt anyag.

szerves foszfátok

A szerves foszfátvegyületeknek számos alkalmazásuk van; például: égésgátlók, peszticidek, extraháló szerek, ideghatású szerek és vízkezeléshez.

Dihidrogén-kalcium-foszfát-dihidrát

Műtrágyaként, sütőporként, takarmány-adalékanyagként és fogkrém előállításához használják.

Foszfor-pentoxid

A kémiai elemzésben dehidrálószerként és a szerves szintézisben kondenzálószerként használják. A vegyület elsősorban ortofoszforsav előállítására szolgál.

Nátrium-tripolifoszfát

Mosószerekben és vízlágyítóként használják, amely javítja a mosószerek működését és segít megelőzni a csövek korrózióját.

Trinátrium-foszfát

Tisztítószerként és vízlágyítóként használják.

Nátrium-foszfátok

A kétbázisú nátrium-foszfát (Na ₂ HPO ₄) és az egybázisú nátrium-foszfát (NaH ₂ PO ₄) a pH-puffer rendszer alkotóelemei, amelyek még élőlényekben is hatnak; beleértve az embereket is.

Irodalom

1. Reid Danielle. (2019). A foszfor allotropjai: formák, felhasználások és példák. Tanulmány. Helyreállítva: study.com
2. Prof. Robert J. Lancashire. (2014). 5c. Előadás Az elemek szerkezete, folytatódott P, S és I. Helyreállítva: chem.uwimona.edu.jm
3. BYJU'S. (2019). Piros foszfor. Helyreállítva: byjus.com
4. Bing Li, Ceng-Ceng Ren, Shu-Feng Zhang és mtsai. (2019). A többrétegű kék ​​foszfor elektronikus szerkezeti és optikai tulajdonságai: Első alapelv. Journal of Nanomaterials, vol. 2019, Cikkszám 4020762, 8 oldal. doi.org/10.1155/2019/4020762
5. Dr. Dough Stewar. (2019). Foszfor elem tények. Chemicool. Helyreállítva: chemicool.com
6. Wikipedia. (2019). Foszfor. Helyreállítva: en.wikipedia.org
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2019. július 03.). Foszfor tények (15. számú atomszám vagy P jel). Helyreállítva: gondolat.com
8. Linus Pauling Intézet. (2019). Foszfor. Helyreállítva: lpi.oregonstate.edu
9. Bernardo Fajardo P. és Héctor Lozano V. (második). Országos foszfátköves feldolgozás szuperfoszfát előállításához.. Helyreállítva: bdigital.unal.edu.co
10. Az Encyclopaedia Britannica szerkesztői. (2018. november 16.) Foszfor kémiai elem. Encyclopædia Britannica. Helyreállítva: britannica.com
11. Reade International Corp. (2018). Rézfoszfor (CuP) ötvözet. Helyreállítva: reade.com
12. KBM Affilips. (2018. december 27.). Nikkel-foszfor (NiP) fő ötvözet. AZoM. Helyreállítva: azom.com
13. Lenntech BV (2019). Periódusos rendszer: foszfor. Helyreállítva: lenntech.com
14. Abhijit Naik. (2018. február 21.) A foszfor felhasználása. Helyreállítva: sciencestruck.com