ФОСФОР: ИСТОРИЈА, СВОЈСТВА, СТРУКТУРА, ДОБИЈАЊЕ, УПОТРЕБЕ - ХЕМИЈА - 2025

Фосфор је неметалних елемент који заступа хемијском симболу П и има атомски број 15. То има три основна аллотропиц облика: бела, црвена фосфор и црно. Бели фосфор је фосфоресцентни, сагорева спонтано када је изложен ваздуху, а такође је и врло отрован.

Бели фосфор на температури од 250 ºЦ постаје црвени фосфор; нерастворљивог, полимерног облика који не сагорева у ваздуху. При високим температурама и притисцима, као и у присуству или одсуству катализатора, добија се црни фосфор, који подсећа на графит и добар је проводник електричне енергије.

Бели фосфор који се чува у боци са водом. Извор: В. Оелен

Фосфор је први пут изоловао Х. Бранд 1669. За то је користио урин као извор овог елемента. 1770. В. Сцхееле је открио да такође може изоловати фосфор из костију.

Касније, због стварања електричне пећи Ј. Бургесс Реадмана (1800), фосфатне стијене су постале главни извор производње фосфора из минералног флуороапатита, присутног у њима.

Фосфор је дванаести најбројнији елемент у земљиној кори, који чини 0,1 мас. Даље, то је шести елемент у обиљу у људском телу; углавном концентрована у костима у облику хидроксилапатита.

Стога је битан елемент за жива бића, постаје једно од три главна хранљива састојка биљке. Фосфор је део хемијске структуре нуклеинских киселина; једињења за складиштење енергије (АТП), коензима; и уопште, једињења метаболизма.

Историја

- Откриће

У мокраћи

Слика Јосепха Вригхта из Дербија која илуструје откриће фосфора. Извор: Јосепх Вригхт из Дербија

Фосфор је изолирао Хеннинг Бранд 1669. године, први човек који је изоловао елемент. Бренд је био немачки алхемичар из Хамбурга и успео је да из урина добије једињење фосфора. Да би то учинио, сакупио је урин из 50 канти и пустио га да се распадне.

Бренд је тада испарао урин и добио црнкасти остатак, који се задржавао неколико месеци. Томе је додао песак и грејао га, успевајући да елиминише гасове и уља. Најзад, добио је белу чврсту супстанцу која је у мраку светлила зеленом бојом, што је назвао "хладна ватра".

Израз 'фосфор', случајно, долази од грчке речи "фосфор" која значи носач светлости.

Бранд није објавио своје експерименталне резултате и продавао их разним алхемичарима, укључујући: Јоханн Крафт, Кунцкел Ловенстерн и Вилхелм Леибниз. Вероватно су неки од њих пријавили Брандов рад париској Академији наука и тако проширили своје истраживање.

Међутим, Бранд заправо није изоловао фосфор, већ амонијак натријум-фосфат. 1680., Роберт Бојл побољшана бренда процедуру, којом је био у стању да добије аллотропиц облик фосфора (П ₄ ).

У кости

Јохан Готтлиеб Гахн и Царл Вихелм Сцхееле утврдили су 1769. да је у костима пронађено једињење фосфора, калцијум фосфат. Одмрзнуте кости подвргнуте су процесу варења јаким киселинама, попут сумпорне киселине.

Затим се продукт варења загрева у челичним посудама са угљем и угљем, чиме се добија бели фосфор дестилацијом у реторима. Кости су биле главни извор фосфора до 1840. године, када их је у ту сврху заменио гвано.

У гуану

Гуано је мешавина птичјег измета и продуката распадања птица. Коришћен је као извор фосфора и ђубрива у 19. веку.

- Индустријски развој

Фосфатне стијене су 1850. године кориштене као извор фосфора. Ово је, заједно са проналаском електричне пећи за калцинирање стена, Јамес Бургесс Реадман (1888), учинило ПР-ове главном сировином за производњу фосфора и ђубрива.

1819. основане су фабрике шибица, чиме се започео индустријски развој употребе фосфора.

Физичка и хемијска својства

Изглед

У зависности од алотропног облика, може бити безбојна, воштана бела, жута, гримизна, црвена, љубичаста или црна.

Атомска маса

30,973 у

Атомски број (З)

петнаест

Тачка топљења

Бели фосфор: 44,15 ° Ц

Црвени фосфор: ~ 590 ºЦ

Тачка кључања

Бели фосфор: 280,5 ºЦ

Густина (собна температура)

Бели: 1,823 г / цм ³

Црвено: 2,2-2,34 г / цм ³

Љубичаста: 2,36 г / цм ³

Црна: 2,69 г / цм ³

Топлина фузије

Бели фосфор: 0,66 кЈ / мол

Топлина испаравања

Бели фосфор: 51,9 кЈ / мол

Моларни калоријски капацитет

Бели фосфор: 23.824 Ј / (мол.К)

Оксидациона стања

-3, -2, -1, +1, +2, +3 , +4 и +5

У зависности од електронегативности елемената са којима је комбинован, фосфор може показати стање оксидације +3 или -3. Фосфор, за разлику од азота, има тенденцију да преферира реакцију са +5 оксидационим стањем; такав је случај са фосфорним пентоксидом (П ₂ О ₅ или П ₂ ⁵⁺ О ₅ ²⁺ ).

Електронегативност

2.19 на Паулинг-овој скали

Енергија јонизације

-Прво: 1,101 кЈ / мол

-Секунда: 2.190,7 кЈ / мол

-Треће: 2.914 кЈ / мол

Топлотна проводљивост

Бели фосфор: 0,236 В / (мК)

Црни фосфор: 12,1 В / (мК)

Показано је како црни фосфор проводи готово шест пута више топлоте од бијелог фосфора.

Магнетни ред

Бели, црвени, љубичасти и црни фосфор су дијамагнетни.

Изотопи

Фосфор има 20 изотопа, од којих су главни: ³¹ П, једини стабилни изотоп са 100% обиља; ³² П емитер изотопа β ^- са полуживотом од 14,28 дана; и ³³ П, β који емитује изотоп ^- и полуживот од 25,3 дана.

Фосфоресценција

Бели фосфор је фосфорни и у мраку емитује зелено светло.

Алотропне промене

Бели фосфор је нестабилан и мења се на температурама близу 250 ° Ц до полимерног облика познатог као црвени фосфор који може варирати од наранџасте до љубичасте боје. То је аморфна супстанца, али може постати кристална; не светли у мраку и не гори у ваздуху.

Бели фосфор при високим температурама и притисцима или у присуству катализатора трансформише се у полимерни облик који није црвени фосфор: црни фосфор. Ово је кристална супстанца црне боје, инертна, слична графиту, и која има способност извођења електричне енергије.

Растворљивост

Бели фосфор у чистом облику је нерастворљив у води, мада се може растворити у угљен сулфиду. У међувремену, црвени и црни фосфор су нерастворљиви у води и мање су испарљиви од белог фосфора.

Реактивност

Фосфор спонтано сагорева на ваздуху да се формира П ₂ О _{5, а} то пак може да реагује са три молекула воде да се формира ортофосфорном или фосфорну киселину (Х ₃ ПО ₄ ).

Дејством вруће воде настају фосфин (ПХ ₃ ) и фосфорне оксидаце.

Фосфорна киселина делује на фосфатне стијене узрокујући дихидроген калцијум фосфат или суперфосфат.

Може да реагује са халогенима да формирају халогениде ПКС ₃ , при чему Кс представља Ф, Цл, Бр или И; или халогениде са формулом ПКС ₅ , где је Кс Ф, Цл или Бр.

Слично томе, фосфор реагује са металима и металоидима да би формирао фосфиде, а сумпор да формира различите сулфиде. С друге стране, он се веже за кисеоник и ствара естре. На исти се начин комбинира с угљеником како би се добила органска фосфорна једињења.

Структура и електронска конфигурација

- Везе и тетраедарска јединица

Атоми фосфора имају следећу електронску конфигурацију:

3с ² 3п ³

Стога има пет валентних електрона, попут азота и осталих елемената из групе 15. Како је то неметални елемент, његови атоми морају да формирају ковалентне везе док валентни октет не буде завршен. Азот постиже успостављањем себе као Диатомиц молекула Н ₂ , с троструком везом, Н≡Н.

Исто се дешава са фосфором: две његове П атома везу са троструком везом при чему се добија П ₂ молекул , П≡П; то јест дифосфорни алотроп. Међутим, фосфор има већу атомску масу од азота и његове 3п орбитале, дифузније од 2п азота, преклапају се мање ефикасно; Стога, П, ₂ постоји само у гасовитом стању.

Уместо тога, на собној температури П атоми радије ковалентно организују на други начин: у тетраедарском молекулу П ₄ :

П4 молекуларне јединице у белим фосфорним кристалима. Извор: Бењах-бмм27 путем Википедије.

Имајте на уму да на слици пре свега атоми П имају три појединачне везе уместо једне троструке везе. Тако је фосфор у П ₄ заврши свој валентну октет. Међутим, код П ₄ постоји напетост у ПП везама, пошто су њихови углови далеко од 109,5 ° према голу оку.

- Алотропи

Бели фосфор

Исти слика о н ₄ јединице и њихова нестабилност објаснити зашто бели фосфор је највише нестабилна аллотропе овог елемента.

Тхе П ₄ јединице су распоређени у простору дефинисати бцц кристал (α фаза) под нормалним условима. Када температура падне на -77,95 ºЦ, кристали бцц се трансформишу у хцп (претпоставља се), гушћи (β фаза). То јест, П ₄ јединице су распоређени у два наизменичним слојевима, А и Б, да успостави АБАБ … секвенцу.

Црвени фосфор

Ланчана структура за црвени фосфор. Извор: Габриел Боливар.

На горњој слици приказан је само мали део структуре црвеног фосфора. Пошто су три јединице постављене „симетрично“, може се рећи да је кристална структура, која се добија загревањем овог фосфора изнад 250 ° Ц.

Црвени фосфор се, међутим, већину времена састоји од аморфне чврсте материје, па је његова структура неуредна. Затим су полимерна ланци П _{4 би} се договорити без очигледног обрасца, неки изнад а други испод истог произвољном равни.

Имајте на уму да је ово главна структурна разлика између белог и црвеног фосфора: у првом, П ₄ налазе индивидуална, ау другом, формирајући ланце. Ово је могуће зато што је једна од ПП веза унутар тетраедра разбијена у циљу везања на суседни тетраедар. Тако се смањује напетост у прстену и црвени фосфор добија већу стабилност.

Када постоји мешавина оба алотропа, он се нуди оку као жути фосфор; мешавина ланца тетраедра и аморфног фосфора. У ствари, бели фосфор постаје жућкасти када је изложен сунчевим зрацима, јер радијација погодује прекиду већ споменуте ПП везе.

Љубичица љубичице или Хитторфа

Молекуларна структура фосфора љубичице. Извор: Кадмијум на енглеској Википедији

Љубичасти фосфор је коначна еволуција црвеног фосфора. Као што се може видети на горњој слици, она се још увек састоји од полимерног ланца; али сада су структуре замршеније. Чини се да је структурна јединица више није П ₄ , али П ₂ , уређена на такав начин да они формирају неправилне петоугаони прстенове.

Упркос томе што структура изгледа асиметрично, ови полимерни ланци успевају да се распоређују довољно добро и с периодичношћу да љубичасти фосфор успоставе моноклиничке кристале.

Црни фосфор

Структура црног фосфора са разних углова. Извор: Бењах-бмм27.

И на крају имамо најстабилнији фосфорни алотроп: црни. Припрема се загревањем белог фосфора под притиском од 12 000 атм.

На горњој слици (доле) може се видети да његова структура, с више равни, има одређену сличност са графитом; то је чиста мрежа шестерокутних прстенова (чак и ако изгледају као квадратићи).

У горњем левом углу слике може се боље разумети оно што је управо коментирано. Молекуларно окружење П атома су тригоналне пирамиде. Имајте на уму да је грађевина посматрана са стране (горњи десни угао) распоређена у слојевима који одговарају један другом.

Структура црног фосфора је прилично симетрична и уређена, што је у складу са његовом способношћу да се етаблира као орторомбични кристали. Слагање њихових полимерних слојева чини П атоме недоступним за многе хемијске реакције; и зато је знатно стабилан и не баш реактиван.

Иако је вредно поменути, дисперзијске снаге у Лондону и моларне масе ових фосфорних чврстих састојака су оно што управља неким њиховим физичким својствима; док његове структуре и ПП везе одређују хемијска и друга својства.

Где се могу наћи и набавити

Апатит и фосфорит

То је дванаести елемент земљине коре и представља 0,1 мас. Постоји око 550 минерала који садрже фосфор, апатит је најважнији минерал за добијање фосфора.

Апатит је минерал фосфора и калцијума који може садржати различите количине флуора, хлорида и хидроксида чија је формула следећа: Поред апатита, постоје и други фосфорни минерали од комерцијалног значаја; такав је случај са вавелитом и вивианитом.

Фосфатна стијена или фосфорит су главни извор фосфора. То је не детритална седиментна стена која садржи садржај фосфора од 15-20%. Фосфор је обично присутан у облику Ца ₁₀ (ПО ₄ ) ₆ Ф ₂ (флуороапатит). Такође је присутан и као хидроксиапатит, мада у мањој мери.

Поред тога, флуороапатит се може наћи као део магматских и метаморфних стена, као и кречњака и шкриљаца.

Електротермална редукција флуороапатита

Одабране фосфатне стијене преносе се у постројење за обраду на обраду. У почетку се дробе како би се добили фрагменти стене који се затим мељеју у млиновима са куглом при 70 обртаја у минути.

Затим се продукује млевење фрагмената стене да би се могли фракционисати. Те Фракције са фосфорном садржајем 34% су изабрани као фосфор пентоксид (П ₂ О ₅ ).

Бели фосфор (П ₄ ) је добијен индустријски је електротермалну смањењем флуороапатите са угљеником на температури од 1.500 ºЦ у присуству силицијума оксида:

2Ца ₃ (ПО ₄ ) ₂ (с) + 6СиО ₂ (с) + 10 Ц (с) => П ₄ (г) + ЦаСиО ₃ (л) + ЦО (г)

П ₄ у гасовитом стању, након кондензације, сакупља се и складишти као бела чврста супстанца потопљена у воду да се спречи да реагује са спољним ваздухом.

Легуре

Бакар

Поклопац фосфора производи се са различитим процентима бакра и фосфора: Цу 94% - П 6%; Цу 92% - П 8%; Цу 85% - П 15% итд. Легура се користи као деоксидизатор, средство за влажење у индустрији бакра и као нуклеант у индустрији алуминија.

Бронза

То су легуре бакра, фосфора и калаја које садрже 0,5 - 11% фосфора и 0,01 - 0,35% коситра. Лименка повећава отпорност на корозију, док фосфор повећава отпорност легуре на хабање и даје јој чврстину.

Користи се у производњи опруга, вијка и, уопште, у производима који захтевају отпорност на умор, хабање и хемијску корозију. Његова употреба се препоручује код пропелера бродица.

Никловане

Најпознатија легура је НиП ₂₀ , при чему се фосфорни никал користи у лемљењу за лемљење да би се побољшала њихова отпорност на хемијску ерозију, оксидацију и високе температуре.

Легура се користи у компонентама гасних турбина и млазних мотора, галванизацији и производњи електрода за заваривање.

Ризици

Бели фосфор изазива тешке опекотине на кожи и снажан је отров који може бити погубан у дозама од 50 мг. Фосфор инхибира ћелијску оксидацију, ометајући управљање ћелијским кисеоником, што може довести до дегенерације масти и смрти ћелије.

Акутно тровање фосфором ствара бол у трбуху, пецкање, дах који смрди на бели лук, фосфоресцентно повраћање, знојење, грчеве у мишићима и чак шок стање током прва четири дана од гутања.

Касније се очито показала жутица, петехије, крварења, захваћеност миокарда аритмијама, промена централног нервног система и смрт десетог дана након гутања.

Најочигледнија манифестација хроничног тровања фосфором је оштећење коштане структуре чељусти.

Повећање концентрације фосфора у плазми (хиперфосфатемија) обично се јавља код пацијената са затајивањем бубрега. Ово изазива абнормално таложење фосфата у меким ткивима, што може довести до васкуларне дисфункције и кардиоваскуларних болести.

Апликације

Фосфор је битан елемент за биљке и животиње. То је једно од три главна храњива састојка биљке, неопходно за њихов раст и енергетске потребе. Поред тога, он је део нуклеинских киселина, фосфолипида, интермедијарних продуката метаболичких процеса итд.

Код кичмењака, фосфор је присутан у костима и зубима у облику хидроксилапатита.

- Елементарни фосфор

Кутија шибица или „шибица“. Извор: Пкхере.

Од фосфора се прави хемијска емајл која се користи за осветљавање знакова постављених на алуминијуму и његовим легурама; као и у фосфорном бакару и бронзи.

Такође се користи за прављење запаљивих бомби, граната, димних бомби и метака. Црвени фосфор користи се за прављење шибица или мечева са сигурношћу.

Бели фосфор се користи за прављење органофосфата. Поред тога, користи се у производњи фосфорне киселине.

Велика количина произведеног фосфора спаљује се за производњу фосфор-тетраоксида (П ₄ О ₁₀ ), добијеног у облику праха или чврсте супстанце.

- Једињења

Фосфин

То је сировина за добијање различитих једињења фосфора. Дјелује као допинг средство за електронске компоненте.

Фосфорне киселине

Користи се у производњи безалкохолних пића због карактеристичног укуса који им даје. Делује на фосфатне стијене и формира дихидроген калцијум фосфат, такође познат и као суперфосфат, који се користи као ђубриво.

Фосфорна киселина је кондиционирајући елемент цаклине зуба како би се олакшало пријањање материјала за рестаурацију. Такође се користи, помешано са уљем, сечнином, катраном, битуменом и песком за формирање асфалта; материјал коришћен за поправку копнених комуникационих путева.

Органофосфати

Органофосфатна једињења имају бројне примене; као што су: успоривачи пламена, пестициди, средства за екстракцију, средства за нервно деловање и за третман водом.

Дихидроген калцијум фосфат дихидрат

Користи се као ђубриво, прашак за пециво, додатак храни за животиње и за израду пасте за зубе.

Фосфор пентоксид

Користи се у хемијској анализи као средство за дехидратацију, а у органској синтези као кондензационо средство. Једињење је првенствено намењено за производњу ортофосфорне киселине.

Натријум триполифосфат

Користи се у детерџентима и као омекшивач воде, што побољшава деловање детерџената и помаже у спречавању корозије цеви.

Триатријум фосфат

Користи се као средство за чишћење и омекшивач воде.

Натријум-фосфати

Дибазни натријум фосфат (На ₂ ХПО ₄ ) и монобазног натријум фосфат (НаХ ₂ ПО ₄ ) су компоненте система пХ пуфера који чак поступа живих бића; укључујући људска бића.

Референце

1. Реид Даниелле. (2019). Алотропи фосфора: облици, употребе и примери. Студи. Опоравак од: студи.цом
2. Проф. Роберт Ј. Ланцасхире. (2014). Предавање 5ц. Структура елемената, наставак П, С и И. Опоравак од: цхем.увимона.еду.јм
3. БИЈУ'С. (2019). Црвени фосфор. Опоравило од: бијус.цом
4. Бинг Ли, Ценг-Ценг Рен, Сху-Фенг Зханг и др. (2019). Електронска структурна и оптичка својства вишеслојног плавог фосфора: прво-принципна студија. Јоурнал оф Наноматериалс, вол. 2019, ИД чланка 4020762, 8 страна. дои.орг/10.1155/2019/4020762
5. Др Доугх Стевар. (2019). Чињенице елемента фосфора. Цхемицоол. Опоравак од: цхемицоол.цом
6. Википедиа. (2019). Фосфор. Опоравак од: ен.википедиа.орг
7. Хелменстине, др Анне Марие (03. јула 2019.). Чињенице фосфора (атомски број 15 или елемент П елемента). Опоравак од: тхинкцо.цом
8. Институт Линус Паулинг. (2019). Фосфор. Опоравак од: лпи.орегонстате.еду
9. Бернардо Фајардо П. и Хецтор Лозано В. (друго). Национална прерада фосфатних стијена за производњу суперфосфата. . Опоравак од: бдигитал.унал.еду.цо
10. Уредници Енцицлопаедиа Британница. (16. новембар 2018). Хемијски елемент фосфора. Енцицлопӕдиа Британница. Опоравак од: британница.цом
11. Реаде Интернатионал Цорп. (2018). Легура бакра фосфора (ЦуП). Опоравак од: реаде.цом
12. КБМ Аффилипс. (27. децембра 2018.). Никал фосфор (НиП) главна легура. АЗоМ. Опоравак од: азом.цом
13. Леннтецх БВ (2019). Периодна табела: фосфор. Опоравак од: леннтецх.цом
14. Абхијит Наик. (21. фебруара 2018.). Употреба фосфора. Опоравило од: сциенцеструцк.цом