Fosfor Fosfor w przyrodzie uzyskujący właściwości fosforu. Obszary zastosowania fosforu. Pozyskiwanie i używanie fosforu

DEFINICJA

Fosfor- piętnasty element układu okresowego. Oznaczenie - P od łacińskiego „fosforu”. Znajduje się w trzecim okresie, grupa VA. Odnosi się do niemetali. Ładunek jądrowy wynosi 15.

Fosfor jest jednym z dość powszechnych pierwiastków; jego zawartość w skorupie ziemskiej wynosi około 0,1% (wag.). Ze względu na łatwość utleniania fosforu w stanie wolnym nie występuje on w przyrodzie.

Spośród naturalnych związków fosforu najważniejszy jest ortofosforan wapnia Ca 3 (PO 4) 2 , który czasami tworzy duże złogi w postaci fosforynu mineralnego. Często spotykany jest również mineralny apatyt, zawierający oprócz Ca 3 (PO 4) 2 również CaF 2 lub CaCl 2.

Masa atomowa i cząsteczkowa fosforu

DEFINICJA

Względna masa cząsteczkowa substancji (M r) to liczba pokazująca, ile razy masa danej cząsteczki jest większa niż 1/12 masy atomu węgla, oraz względna masa atomowa pierwiastka (A r)- ile razy średnia masa atomów pierwiastka chemicznego jest większa niż 1/12 masy atomu węgla.

Wartości mas atomowych i cząsteczkowych fosforu pokrywają się; są równe 30,9737.

Alotropia i alotropowe modyfikacje fosforu

Fosfor tworzy kilka modyfikacji alotropowych.

Fosfor biały uzyskuje się w stanie stałym przez szybkie schłodzenie oparów fosforu; jego gęstość wynosi 1,83 g/cm3. W czystej postaci fosfor biały jest całkowicie bezbarwny i przezroczysty (ryc. 1). Na mrozie jest kruchy, ale w temperaturze powyżej 15 o C staje się miękki i można go łatwo przeciąć nożem.

W powietrzu biały fosfor bardzo szybko się utlenia i świeci w ciemności. Już przy niskim nagrzewaniu, dla którego wystarczy proste tarcie, fosfor zapala się i wypala. Ma molekularną sieć krystaliczną, w węzłach której znajdują się tetraedryczne cząsteczki P 4 . Silna trucizna.

Ryż. 1. Alotropowe modyfikacje fosforu. Wygląd zewnętrzny.

Jeśli fosfor biały zostanie podgrzany do temperatury 250-300 o C, przechodzi w inną odmianę, która ma kolor czerwono-fioletowy i nazywa się fosforem czerwonym. Ta przemiana zachodzi bardzo powoli i pod wpływem światła.

Czerwony fosfor swoimi właściwościami bardzo różni się od białego: powoli utlenia się w powietrzu, nie świeci w ciemności, świeci dopiero przy 260 o C i jest nietoksyczny.

Przy silnym nagrzewaniu czerwony fosfor, bez topienia, odparowuje (sublimuje). Po schłodzeniu pary uzyskuje się biały fosfor.

Fosfor czarny powstaje z białego po podgrzaniu do temperatury 200-220 o C pod bardzo wysokim ciśnieniem. Wygląda jak grafit, jest tłusty w dotyku i cięższy niż inne modyfikacje. Półprzewodnik.

Izotopy fosforu

Wiadomo, że fosfor występuje w naturze w postaci pojedynczego izotopu 31P (23,99%). Liczba masowa wynosi 31. Jądro atomu izotopu fosforu 31 P zawiera piętnaście protonów i szesnaście neutronów.

Istnieją sztuczne izotopy fosforu o liczbach masowych od 24 do 46, wśród których najbardziej stabilny jest 32 P z okresem półtrwania 14 dni.

Jony fosforu

Na zewnętrznym poziomie energetycznym atomu fosforu znajduje się pięć elektronów o wartościowości:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 .

W wyniku oddziaływania chemicznego fosfor może utracić swoje elektrony walencyjne, tj. być ich dawcą i zamieniać się w dodatnio naładowane jony lub przyjmować elektrony z innego atomu, tj. być ich akceptorem i zamieniać się w ujemnie naładowane jony:

P 0 -5e → P 5+ ;

P 0 -3e → P 3+;

P 0 -1e → P 1+ ;

P 0 +3e → P 3- .

Cząsteczka i atom fosforu

Cząsteczka fosforu jest jednoatomowa - R. Podajmy kilka właściwości charakteryzujących atom i cząsteczkę fosforu:

Przykłady rozwiązywania problemów

PRZYKŁAD 1

PRZYKŁAD 2

• Oznaczenie - P (Fosfor);
• Okres - III;
• Grupa - 15 (Va);
• Masa atomowa - 30,973761;
• Liczba atomowa - 15;
• promień atomu = 128 pm;
• Promień kowalencyjny = 106 pm;
• Rozkład elektronów - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 ;
• topnienia = 44,14°C;
• temperatura wrzenia = 280°C;
• Elektroujemność (wg Paulinga /wg Alpreda i Rochova) = 2,19/2,06;
• Stan utlenienia: +5, +3, +1, 0, -1, -3;
• Gęstość (n.a.) \u003d 1,82 g / cm 3 (biały fosfor);
• Objętość molowa = 17,0 cm 3 / mol.

Związki fosforu:

Fosfor (przenoszący światło) został po raz pierwszy uzyskany przez arabskiego alchemika Ahada Behila w XII wieku. Spośród europejskich naukowców niemiecki Hennig Brant jako pierwszy odkrył fosfor w 1669 r., podczas eksperymentów z ludzkim moczem, próbując wydobyć z niego złoto (naukowiec uważał, że złoty kolor moczu był spowodowany obecnością cząsteczek złota) . Nieco później fosfor uzyskali I. Kunkel i R. Boyle – ten ostatni opisał go w swoim artykule „Sposób otrzymywania fosforu z moczu ludzkiego” 14.10./1680; praca została opublikowana w 1693 r. Lavoisier udowodnił później, że fosfor jest substancją prostą.

Zawartość fosforu w skorupie ziemskiej wynosi 0,08% masy - jest to jeden z najczęstszych pierwiastków chemicznych na naszej planecie. Ze względu na wysoką aktywność fosfor w stanie wolnym nie występuje w przyrodzie, ale wchodzi w skład prawie 200 minerałów, z których najczęstsze to Ca 5 (PO 4) 3 (OH) apatyt i Ca 3 (PO 4) 2 fosforyt.

Fosfor odgrywa ważną rolę w życiu zwierząt, roślin i ludzi – wchodzi w skład takiego związku biologicznego jak fosfolipid, występuje także w białku oraz innych ważnych związkach organicznych takich jak DNA i ATP.

Ryż. Struktura atomu fosforu.

Atom fosforu zawiera 15 elektronów i ma zewnętrzną konfigurację elektronową poziomu walencyjnego podobną do azotu (3s 2 3p 3), ale fosfor ma mniej wyraźne właściwości niemetaliczne w porównaniu z azotem, co tłumaczy się obecnością wolnego orbitalu d , duży promień atomowy i niższa energia jonizacji .

Wchodząc w reakcje z innymi pierwiastkami chemicznymi, atom fosforu może wykazywać stopień utlenienia od +5 do -3 (najbardziej typowy stopień utlenienia to +5, pozostałe są dość rzadkie).

• +5 - tlenek fosforu P 2 O 5 (V); kwas fosforowy (H3PO4); fosforany, halogenki, siarczki fosforu V (sole kwasu fosforowego);
• +3 - P2O3 (III); kwas fosforawy (H3PO3); fosforyny, halogenki, siarczki fosforu III (sole kwasu fosforawego);
• 0-P;
• -3 - fosfina PH 3; fosforki metali.

W stanie podstawowym (niewzbudzonym) atom fosforu ma dwa sparowane elektrony na podpoziomie s + 3 niesparowane elektrony na orbitalach p (orbital d jest wolny) na zewnętrznym poziomie energii. W stanie wzbudzonym jeden elektron z podpoziomu s przechodzi na orbital d, co rozszerza możliwości walencyjne atomu fosforu.

Ryż. Przejście atomu fosforu do stanu wzbudzonego.

P2

Dwa atomy fosforu łączą się w cząsteczkę P 2 w temperaturze około 1000°C.

W niższych temperaturach fosfor występuje w czteroatomowych cząsteczkach P 4 , a także w bardziej stabilnych cząsteczkach polimerowych P ∞ .

Alotropowe modyfikacje fosforu:

• Fosfor biały- wyjątkowo trująca (dawka śmiertelna białego fosforu dla osoby dorosłej wynosi 0,05-0,15 g) substancja woskowa o zapachu czosnku, bezbarwna, świecąca w ciemności (powolny proces utleniania w P 4 O 6); wysoką reaktywność białego fosforu tłumaczy się słabymi wiązaniami P-P (biały fosfor ma molekularną sieć krystaliczną o wzorze P 4, w węzłach, w których znajdują się atomy fosforu), które dość łatwo ulegają zerwaniu, w wyniku czego biały fosfor , po podgrzaniu lub podczas długotrwałego przechowywania przechodzi w bardziej stabilne modyfikacje polimerowe: czerwony i czarny fosfor. Z tych powodów fosfor biały jest przechowywany bez dostępu powietrza pod warstwą oczyszczonej wody lub w specjalnych mediach obojętnych.
• żółty fosfor- substancja palna, wysoce toksyczna, nie rozpuszcza się w wodzie, łatwo utlenia się w powietrzu i zapala się samoistnie, paląc się jasnozielonym olśniewającym płomieniem z wydzielaniem gęstego białego dymu.
• czerwony fosfor- polimeryczna, nierozpuszczalna w wodzie substancja o złożonej strukturze, która charakteryzuje się najmniejszą reaktywnością. Czerwony fosfor jest szeroko stosowany w produkcji przemysłowej, ponieważ nie jest tak toksyczny. Ponieważ na wolnym powietrzu czerwony fosfor, pochłaniając wilgoć, stopniowo utlenia się z utworzeniem higroskopijnego tlenku („wilgoci”), tworzy lepki kwas fosforowy, dlatego czerwony fosfor jest przechowywany w hermetycznie zamkniętym pojemniku. W przypadku moczenia czerwony fosfor jest oczyszczany z pozostałości kwasu fosforowego poprzez przemycie wodą, a następnie suszony i wykorzystywany zgodnie z przeznaczeniem.
• czarny fosfor- tłusta w dotyku substancja grafitopodobna o barwie szaro-czarnej, o właściwościach półprzewodnikowych - najbardziej stabilna modyfikacja fosforu o średniej reaktywności.
• fosfor metaliczny otrzymywany z czarnego fosforu pod wysokim ciśnieniem. Fosfor metaliczny bardzo dobrze przewodzi prąd.

Właściwości chemiczne fosforu

Ze wszystkich alotropowych modyfikacji fosforu najbardziej aktywny jest fosfor biały (P 4). Często w równaniu reakcji chemicznych po prostu piszą P, a nie P 4. Ponieważ fosfor, podobnie jak azot, ma wiele wariantów stanów utlenienia, w niektórych reakcjach jest środkiem utleniającym, w innych jest środkiem redukującym, w zależności od substancji, z którymi oddziałuje.

Utleniający fosfor wykazuje właściwości w reakcjach z metalami, które zachodzą po podgrzaniu, tworząc fosforki:
3Mg + 2P \u003d Mg 3 P 2.

Fosfor to Środek redukujący w reakcjach:

• z bardziej elektroujemnymi niemetalami (tlen, siarka, halogeny):
  • związki fosforu (III) powstają przy braku środka utleniającego
    4P + 3O 2 \u003d 2P 2 O 3
  • związki fosforu (V) - z nadmiarem: tlenu (powietrza)
    4P + 5O 2 \u003d 2P 2 O 5
• z halogenami i siarką fosfor tworzy halogenki i siarczki 3- lub 5-wartościowego fosforu, w zależności od stosunku odczynników, które są pobierane w niedoborze lub w nadmiarze:
  • 2P + 3Cl 2 (tydzień) \u003d 2PCl 3 - chlorek fosforu (III)
  • 2P + 3S (tygodnie) \u003d P 2 S 3 - siarczek fosforu (III)
  • 2P + 5Cl2 (np.) \u003d 2PCl 5 - chlorek fosforu (V)
  • 2P + 5S (np.) \u003d P 2 S 5 - siarczek fosforu (V)
• ze stężonym kwasem siarkowym:
  2P + 5H 2 SO 4 \u003d 2H 3 PO 4 + 5SO 2 + 2H 2 O
• ze stężonym kwasem azotowym:
  P + 5HNO 3 \u003d H 3 PO 4 + 5NO 2 + H 2 O
• z rozcieńczonym kwasem azotowym:
  3P + 5HNO 3 + 2H 2 O \u003d 3H 3 PO 4 + 5NO

Fosfor działa zarówno jako środek utleniający, jak i redukujący w reakcjach dysproporcja z wodnymi roztworami zasad po podgrzaniu, tworząc (z wyjątkiem fosfiny) podfosforyny (sole kwasu podfosforawego), w których wykazuje nietypowy stopień utlenienia +1:
4P 0 + 3KOH + 3H 2 O \u003d P -3 H 3 + 3 KH 2 P +1 O 2

PAMIĘTAJ: z innymi kwasami, poza powyższymi reakcjami, fosfor nie reaguje.

Pozyskiwanie i używanie fosforu

Przemysłowo fosfor pozyskiwany jest poprzez jego redukcję koksem z fosforytów (fluoropatatów), w skład których wchodzi fosforan wapnia, poprzez prażenie w piecach elektrycznych w temperaturze 1600 °C z dodatkiem piasku kwarcowego:
Ca 3 (PO 4) 2 + 5C + 3SiO 2 = 3CaSiO 3 + 2P + 5CO.

W pierwszym etapie reakcji, pod wpływem wysokiej temperatury, tlenek krzemu (IV) wypiera tlenek fosforu (V) z fosforanu:
Ca 3 (PO 4) 2 + 3SiO 2 \u003d 3CaSiO 3 + P 2 O 5.

Następnie tlenek fosforu (V) jest redukowany węglem do wolnego fosforu:
P 2 O 5 + 5C \u003d 2P + 5CO.

Zastosowanie fosforu:

• pestycydy;
• mecze;
• detergenty;
• malatura;
• półprzewodniki.

STRUKTURA ATOMU FOSFORU

Fosfor znajduje się w III okresie, w 5 grupie głównej podgrupy „A”, pod numerem seryjnym nr 15. Względna masa atomowa Ar (P) = 31 .

R+15) 2) 8) 5

1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 3, fosfor: pierwiastek p, niemetaliczny

Możliwości walencyjne fosforu są szersze niż atomu azotu, ponieważ atom fosforu ma wolne orbitale d. W związku z tym może wystąpić deparacja elektronów 3S 2 - i jeden z nich może przejść na orbital 3d -. W tym przypadku na trzecim poziomie energetycznym fosforu będzie pięć niesparowanych elektronów, a fosfor będzie mógł wykazywać wartościowość V.

W stanie wolnym fosfor tworzy kilka przydziałówskalne modyfikacje: biały, czerwony i czarny fosfor

Fosfor występuje w żywych komórkach w postaci kwasów orto- i pirofosforowych, wchodzi w skład nukleotydów, kwasów nukleinowych, fosfoprotein, fosfolipidów, koenzymów i enzymów. Kości ludzkie składają się z hydroksyapatytu 3Ca 3 (PO 4) 3 ·CaF 2 . W skład szkliwa zębów wchodzi fluorapatyt. Główną rolę w przemianach związków fosforu u ludzi i zwierząt odgrywa wątroba. Wymiana związków fosforu jest regulowana przez hormony i witaminę D. Dzienne zapotrzebowanie człowieka na fosfor wynosi 800-1500 mg. Przy braku fosforu w organizmie rozwijają się różne choroby kości.

TOKSYKOLOGIA FOSFORU

· czerwony fosfor praktycznie nietoksyczny. Pył czerwonego fosforu dostający się do płuc powoduje zapalenie płuc o przewlekłym działaniu.

· Fosfor biały bardzo toksyczny, rozpuszczalny w lipidach. Śmiertelna dawka fosforu białego wynosi 50-150 mg. Dostając się na skórę, biały fosfor powoduje poważne oparzenia.

Ostre zatrucie fosforem objawia się pieczeniem w jamie ustnej i żołądku, bólem głowy, osłabieniem i wymiotami. Po 2-3 dniach rozwija się żółtaczka. Formy przewlekłe charakteryzują się naruszeniem metabolizmu wapnia, uszkodzeniem układu sercowo-naczyniowego i nerwowego. Pierwsza pomoc w ostrym zatruciu - płukanie żołądka, środki przeczyszczające, lewatywy oczyszczające, dożylne roztwory glukozy. W przypadku oparzeń skóry należy leczyć dotknięte obszary roztworami siarczanu miedzi lub sody. MPC pary fosforu w powietrzu wynosi 0,03 mg/m³.

UZYSKIWANIE FOSFORU

Fosfor pozyskiwany jest z apatytów lub fosforytów w wyniku oddziaływania z koksem i krzemionką w temperaturze 1600 ° C:

2Ca 3 (PO 4) 2 + 10C + 6SiO 2 → P 4 + 10CO + 6CaSiO 3 .

Powstała para białego fosforu kondensuje się w odbiorniku pod wodą. Zamiast fosforytów można zredukować inne związki, np. kwas metafosforowy:

4HPO3 + 12C → 4P + 2H2 + 12CO.

WŁAŚCIWOŚCI CHEMICZNE FOSFORU

ZASTOSOWANIA FOSFORU

Fosfor jest najważniejszym pierwiastkiem biogennym, a jednocześnie ma bardzo szerokie zastosowanie w przemyśle.

Być może pierwszą właściwością fosforu, którą człowiek oddał na swoją służbę, jest łatwopalność. Palność fosforu jest bardzo wysoka i zależy od modyfikacji alotropowej.

Najbardziej aktywny chemicznie, toksyczny i palny biały („żółty”) fosfor, dlatego jest bardzo często używany (w bombach zapalających itp.).

czerwony fosfor- główna modyfikacja produkowana i konsumowana przez przemysł. Wykorzystywana jest do produkcji zapałek, wraz z drobno mielonym szkłem i klejem, nakładana jest na boczną powierzchnię pudełka, podczas pocierania główki zapałki, która zawiera chloran potasu i siarkę dochodzi do zapłonu. Fosfor czerwony jest również wykorzystywany do produkcji materiałów wybuchowych, kompozycji zapalających i paliw.

Fosfor (w postaci fosforanów) jest jednym z trzech najważniejszych pierwiastków biogennych biorących udział w syntezie ATP. Większość produkowanego kwasu fosforowego jest wykorzystywana do otrzymywania nawozów fosforowych - superfosfatu, osadu itp.

ZADANIA WZMOCNIENIA

nr 2. Przeprowadź przekształcenia zgodnie ze schematem:
P -> Ca 3 P 2 -> PH 3 -> P 2 O 5
Dla ostatniej reakcji PH 3 -> P 2 O 5 sporządzić wagę elektroniczną, wskazać środek utleniający i środek redukujący.

Numer 3. Przeprowadź przekształcenia zgodnie ze schematem:
Ca 3 (PO 4 ) 2 -> P -> P 2 O 5

Fosfor to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 15. Znajduje się w grupie V D.I. Mendelejew. Wzór chemiczny fosforu R.

Fosfor ma swoją nazwę od greckiego „fosforos”, co oznacza „niosący światło”.

Fosfor jest dość powszechny w skorupie ziemskiej. Jego zawartość wynosi 0,08-0,09% całej masy skorupy ziemskiej. A w wodzie morskiej fosfor zawiera 0,07 mg / l.

Fosfor ma wysoką aktywność chemiczną, dlatego nie występuje w stanie wolnym. Ale z drugiej strony tworzy prawie 190 minerałów. Fosfor nazywany jest żywiołem życia. Występuje w roślinach zielonych, tkankach zwierzęcych, białkach i innych niezbędnych związkach chemicznych.

Modyfikacje fosforu

Wiadomo, że niektóre pierwiastki chemiczne mogą występować w postaci dwóch lub więcej prostych substancji różniących się budową i właściwościami. Zjawisko to nazywa się alotropią. Tak więc fosfor ma kilka modyfikacji alotropowych. Wszystkie te modyfikacje różnią się właściwościami. Najczęściej spotykane to fosfor biały, fosfor żółty, fosfor czerwony, fosfor czarny.

Fosfor biały - prosta biała substancja. Jego wzór cząsteczkowy to P 4 . Z wyglądu biały fosfor jest podobny do parafiny. Odkształca się nawet przy niewielkim wysiłku i łatwo tnie się nożem. W ciemności zauważalna jest bladozielona poświata emanująca z fosforu. Zjawisko to nazywa się chemiluminescencją.

Fosfor biały jest substancją chemicznie aktywną. Łatwo utlenia się tlenem i łatwo rozpuszcza się w rozpuszczalnikach organicznych. Dlatego jest przechowywany w specjalnych mediach obojętnych, które nie wchodzą w reakcje chemiczne. Fosfor biały topi się w temperaturze +44,1°C. Fosfor biały jest substancją silnie toksyczną.

żółty fosfor - jest to surowy biały fosfor lub biały fosfor z zanieczyszczeniami. Temperatura topnienia +34 °C, temperatura wrzenia +280 °C. Podobnie jak biały, żółty fosfor jest nierozpuszczalny w wodzie. Utlenia się w powietrzu i jest łatwopalny. Ma też zjawisko chemiluminescencji.

czerwony fosfor otrzymywany przez podgrzanie białego fosforu do wysokich temperatur. Formuła czerwonego fosforu Р n . To złożony polimer. W zależności od warunków produkcji kolor czerwonego fosforu może zmieniać się od jasnoczerwonego do ciemnobrązowego. Pod względem chemicznym czerwony fosfor jest znacznie mniej aktywny niż biały. Rozpuszcza się tylko w stopionym ołowiu i bizmucie. Nie zapala się w powietrzu. Może się to zdarzyć tylko po podgrzaniu do 240-250 o C, gdy jest sublimowany do białej formy fosforu. Ale może zapalić się spontanicznie przy uderzeniu lub tarciu. Nie obserwuje się zjawiska chemiluminescencji w fosforze czerwonym. Jest nierozpuszczalny w wodzie, benzenie, dwusiarczku węgla. Rozpuszczalny tylko w tribromku fosforu. Przechowywany na powietrzu stopniowo się utlenia. Dlatego przechowuj go w zamkniętym, szczelnym pojemniku.

Czerwony fosfor jest prawie nietoksyczny. Dlatego to on jest wykorzystywany do produkcji zapałek.

czarny fosfor wygląda jak grafit. Po raz pierwszy fosfor czarny uzyskano w 1914 r. z fosforu białego pod ciśnieniem 20 tys. atmosfer (2 10 9 Pa) i w temperaturze 200 o C. Fosfor czarny topi się w temperaturze 1000 o C i ciśnieniu 18 10 5 Pa. Fosfor czarny nie rozpuszcza się w wodzie ani w rozpuszczalnikach organicznych. Zaczyna się palić dopiero po podgrzaniu do temperatury +400 ° C w czystym tlenie. Fosfor czarny ma właściwości materiałów półprzewodnikowych.

Właściwości chemiczne fosforu elementarnego

1. Fosfor pierwiastkowy jest utleniany przez tlen

W środowisku z nadmiarem tlenu

4P + 5O 2 → 2P 2 O 5

Z brakiem tlenu

4P + 3O 2 → 2P 2 O 3

2. Reaguje z metalami, tworząc fosforki po podgrzaniu

3Mg + 2P → Mg 3P 2

3. Reaguje z niemetalami

2P + 5Cl2 → 2PCl 5

4. W temperaturze +500 ° C oddziałuje z parą wodną

8P + 12H 2O → 5RN 3 + 3H 3 RO 4

Zastosowanie fosforu

Głównym konsumentem fosforu jest rolnictwo. Duża ilość całego otrzymanego fosforu jest wykorzystywana do produkcji nawozów fosforowych: fosforytów, superfosfatów prostych i podwójnych, złożonych nawozów azotowo-fosforowych. Fosfor jest szeroko stosowany w produkcji syntetycznych detergentów, szkieł fosforanowych, do przetwarzania i barwienia włókien naturalnych i syntetycznych. W medycynie preparaty fosforowe są stosowane jako leki.

FOSFOR, P, element grupy V układu okresowego; masa atomowa 31,03; Nie znaleziono izotopów fosforu. W związkach fosfor jest trójwartościowy i pięciowartościowy. Jego najwyższe połączenie z wodorem to PH 3; z tlenem daje tlenki P 2 O 3, P 2 O 4 i P 2 O 5. Pod względem wartościowości i rodzaju związków fosfor przypomina azot, ale właściwościami (zarówno fosforu, jak i jego związków) jest zupełnie inny od azotu. pospolity w przyrodzie i występujący prawie we wszystkich skałach w postaci wtrąceń kryształów minerału apatytu. Fosfor występuje w postaci mineralnych nagromadzeń fosforytów i apatytów. Apatyty rzadko występują w dużych masach, a kolosalne złoża tego minerału w tundrze chibińskiej w ZSRR są wyjątkiem. Fosforyty znane są w Georgii, Florydzie, Karolinie Północnej i Południowej, Tennessee, Algierii, Tunezji i na niektórych wyspach Oceanu Wielkiego. ZSRR jest niezwykle bogaty w fosforyty, których złoża znane są w regionie moskiewskim, na Uralu, w Kazachstanie, na Ukrainie, w Republice Czuwaskiej, na Podolu, na Kaukazie Północnym itp. Minerały takie jak wiwianit Fe 3 (PO 4) 2 8H 2 O i turkusowy (Al 2 O 3) 2 P 2 O 5 5H 2 O to wodne sole kwasu fosforowego. Fosfor jest niezbędnym składnikiem, częścią tkanek żywych organizmów. Białka zawierające fosfor i lecytynę wchodzą w skład mięśni, nerwów i mózgu. Kości zawierają fosfor w postaci soli trójwapniowej kwasu fosforowego.

Fosfor można otrzymać w kilku modyfikacjach alotropowych. Fosfor biały (zwykły, żółty) jest bezbarwną, przezroczystą substancją szklistą lub białymi małymi kryształkami; czysty biały fosfor można uzyskać tylko w ciemności, przy braku tlenu i wilgoci. Destylacja frakcyjna lub krystalizacja frakcyjna dają całkowicie czysty fosfor, który w świetle szybko zmienia kolor na żółty. Takie żółknięcie tłumaczy się tworzeniem cienkiej warstwy czerwonej modyfikacji na powierzchni fosforu. Przy dłuższej ekspozycji na intensywne światło na zwykłym fosforze można go całkowicie przekształcić w czerwony. W temperaturze 150°C przy braku tlenu, zwykły fosfor sublimuje bez zmiany koloru. Dla białego fosforu znane są dwie modyfikacje - α i β; pierwszy krystalizuje we właściwym układzie (ciężar właściwy 1,84), drugi (fosfor zwykły) - w układzie heksagonalnym (ciężar właściwy 1,88). Przejście α-fosforu do β-fosforu następuje w następujących warunkach:

Twardość fosforu w skali Mohsa wynosi 0,5. Jego plastyczność wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Stopiony fosfor prawie nie zwilża szkła; napięcie powierzchniowe 35,56 D/cm w 132,1°C i 43,09 D/cm w 78,3°C. Odpowiednie ciężary właściwe fosforu wynoszą 1,665 i 1,714. Ściśliwość zwykłego fosforu w zakresie od 100 do 500 atm wynosi 0,00000199 cm2/kg. Współczynnik rozszerzalności fosforu zwykłego od 0°C do 40° = 0,000125, a jego objętość w 44°C jest 1,017 razy większa od objętości w 0°C. Pojemność cieplna fosforu białego (0-51°C) 0,183 cal/g; ciepło topnienia 5,03 cal/g. Waga 1 litra oparów fosforu wynosi 2,805 g (Williamson). Jego masa molowa w zakresie temperatur od 313°C do czerwonego ciepła waha się od 128 do 119,8. Dlatego struktura jego cząsteczki w tym przedziale odpowiada P 4 . W wysokich temperaturach częściowo dysocjuje na P 2 . W roztworze jego cząsteczka odpowiada wzorowi P 4; temperatura topnienia fosforu zwykłego 44,5°C; powoli sublimuje w 40°C, odparowuje w normalnej temperaturze. Prężność par zwykłego fosforu stałego w temperaturze 5°C - 0,03 mm, w temperaturze 40°C - 0,50 mm. Rozpuszczalność fosforu w wodzie: 0,0003 g na 100 g wody w 15°C. Różne rozpuszczalniki rozpuszczają w przybliżeniu fosfor (w ciągu 100 godzin rozpuszczalnika): dwusiarczek węgla 25, benzyna 1,5, olej migdałowy 1,00, stężony kwas octowy 1,00, eter 0,45, alkohol etylowy (ciężar właściwy 0,822) 0,25, gliceryna 0,17 h. Wodór jest dobrze wchłaniany przez fosfor, zwłaszcza podczas wyładowania elektrycznego. Wodór może reagować z fosforem in statu nascendi; uwolniony gaz nie posiada już tej zdolności. Fluor reaguje w zwykłej temperaturze z fosforem bez zapłonu, tworząc PF 3 z nadmiarem fosforu i PF 5 z nadmiarem fluoru. Fosfor silnie łączy się z tlenem tworząc w zależności od ilości odczynników fosfor lub bezwodnik fosforowy. Hydrochinon, cukier, gliceryna, kwas arsenowy sodu spowalniają reakcję utleniania fosforu. W połączeniu z tlenem atmosferycznym fosfor ulega zapłonowi, dlatego musi być przechowywany pod wodą. Temperatura zapłonu fosforu w powietrzu, w tlenie lub w powietrzu rozcieńczonym równą objętością dwutlenku węgla wynosi 45,0-45,2°C. Zapaleniu zwykłego fosforu sprzyja rozrzedzenie powietrza i zapobiega kompresja. Obecność ozonu i wilgoci w atmosferze podwyższa temperaturę zapłonu. W atmosferze dwusiarczku węgla temperatura zapłonu fosforu wynosi 87 ° C, terpentyna - 18 °; fosfor może być podgrzany bez zapłonu do 205°C, jeśli jest w spoczynku; najmniejsze mieszanie powoduje zapłon nawet w 45°C. Zwykły fosfor zapala się w ciągu 20 sekund w kontakcie z czystym amalgamowanym aluminium. Azot jest absorbowany przez fosfor, ale nie reaguje z nim. Biały fosfor świeci w ciemności, gdy wchodzi w kontakt z tlenem atmosferycznym. Intensywność blasku zależy od stężenia tlenu. W czystym tlenie poniżej 27°C fosfor nie świeci i nie utlenia się. Fosfor biały jest trujący, a dawka 0,15 g jest śmiertelna. Ze względu na zdolność rozpuszczania się fosforu w tłuszczach, w przypadku zatrucia całkowicie niedopuszczalne są tłuste pokarmy i mleko, które przyczyniają się do lepszego wchłaniania fosforu do organizmu.

Fosfor czerwony to modyfikacja, która znacznie różni się właściwościami fizycznymi i chemicznymi od fosforu białego. Czerwony fosfor powstaje ze zwykłego, gdy wyładowanie elektryczne przechodzi przez pary tego ostatniego. Ogrzewając roztwór fosforu białego w tribromku fosforu w temperaturze 170-190°C można wyizolować tzw. odmiana malin fosfor. Odmiana ta ma budowę koloidalną i jest przejściową między fosforem zwykłym a czerwonym; obecność trijodku fosforu przyspiesza (3-krotnie) reakcję. Czerwony fosfor można również otrzymać ogrzewając zwykły fosfor z siarką lub siarczkiem, a następnie traktując otrzymaną mieszaninę wodnym roztworem zasady lub amoniaku. Czerwony fosfor w technologii uzyskuje się przez ogrzewanie zwykłego fosforu bez powietrza w temperaturze 240-250 ° C; Reakcji towarzyszy wydzielanie się ciepła. Barwa czerwonego fosforu zmienia się w zależności od temperatury preparatu. W niskich temperaturach ma szkarłatny odcień, w wysokich jest fioletowy lub fioletowy. Selen przyspiesza przemianę białego fosforu w czerwień. Oddzielenie domieszki zwykłego fosforu od czerwieni przeprowadza się przez traktowanie dwusiarczkiem węgla przez 50 godzin w 250-260 ° C lub 10% roztworem alkalicznym sodu przez 2 godziny; możliwe jest również przemycie fosforu mieszaniną roztworu dwusiarczku węgla i chlorku wapnia o ciężarze właściwym 1,349-1,384. W tym przypadku zwykły fosfor rozpuszcza się w dwusiarczku węgla, a czerwień osadza się w roztworze chlorku wapnia. Zakłada się, że białe i czerwone modyfikacje fosforu są chemicznie różne; dowodem na to stanowisko jest to, że gdy stopiony żółty i czerwony fosfor mieszają się, nie obserwuje się przejścia pierwszego w drugi. Po podgrzaniu w zakresie 280-400 °C para czerwonego fosforu gęstnieje częściowo do tzw. fosfor metaliczny. Wraz z szybkim ochłodzeniem par powstaje częściowo czerwony fosfor, a im większa jego ilość, tym wyższa temperatura przed zestaleniem. Powierzchnia odbiornika działa katalitycznie na powstawanie czerwonego fosforu. Czas ogrzewania nie wpływa na proces, ale chłodzenie powinno nastąpić szybko. Istnieje opinia (A. Stock), że czerwony fosfor powstaje w wyniku połączenia zdysocjowanych cząsteczek fosforu ze sobą lub z cząsteczkami niezdysocjowanymi oraz że tworzenie cząsteczek żółtego fosforu P 4 jest stosunkowo wolniejsze niż tworzenie cząsteczki czerwonego fosforu. Kondensacja czerwonego fosforu ze stanu pary jest niezależna od obecności ciekłego żółtego fosforu. Fosfor czerwony, otrzymywany przez chłodzenie oparów o temperaturze 1200 ° C i pod ciśnieniem 5 mm, zawiera nie więcej niż 1% fosforu żółtego; stąd wynika, że ​​cząsteczki P 2 i P 4 biorą udział w tworzeniu czerwonego fosforu. Możliwe, że ta formacja jest zgodna z równaniem mР 2 + nP 4 = P 2 m+4 n. Istnieją sugestie, że stopiony fosfor zawiera w równowadze cząsteczki P 4 fosforu żółtego i cząsteczki P n fosforu czerwonego:

Powyżej temperatury topnienia czerwonego fosforu (592,5°C, według innych źródeł 589,5°C), większość cząsteczek ma postać P 4, tak że po szybkim ochłodzeniu tworzy się biała odmiana, ale powolne chłodzenie pozwala na osiągnięcie równowagi przesunięcie w prawo, a podczas krzepnięcia uwalniany jest czerwony fosfor. Ciężar właściwy czerwonego fosforu waha się od 2,05 do 2,3, co sprawia, że ​​uważamy go za mieszaninę dwóch modyfikacji. Zakłada się, że fosfor czerwony jest jednoskośny w swojej strukturze krystalicznej. Ściśliwość czerwonego fosforu (pomiędzy 100-500 atm) wynosi 0,0000092 cm2/kg; Temperatura topnienia czerwonego fosforu zależy od szybkości ogrzewania i waha się w granicach ±0,5°C. Prężność par fosforu czerwonego w 230°C - 0 mm, w 360°C - 0,1 mm, w 500°C - 9 atm. Czerwony fosfor jest nierozpuszczalny w dwusiarczku węgla. Pozyskiwany z ciepła czerwony fosfor zawiera mniej energii i jest znacznie mniej aktywny niż fosfor biały. Czerwony fosfor nie jest trujący, nie zapala się w powietrzu, dlatego jego przechowywanie nie jest tak niebezpieczne. Czerwony fosfor zapala się po uderzeniu. Gittorf twierdzi, że przejścia czerwonego fosforu w żółty nie obserwuje się w temperaturze 320 ° C, ale ten ostatni powstaje w temperaturze 358 ° C. W zamkniętej tubie czerwony fosfor jest silny w temperaturach od 450 do 610°C.

Krystaliczny lub fioletowy, fosfor ma strukturę krystaliczną, kryształy są trygonalne o stosunku osiowym a:c = 1:1,1308. Otrzymuje się go przez krystalizację ze stopionego ołowiu lub bizmutu, a także przez ogrzewanie białego fosforu pod ciśnieniem 500 kg/cm2 w obecności sodu. Nierozpuszczalny w dwusiarczku węgla; ciężar właściwy fioletowego fosforu 2,34; sublimuje w 690,9°C; temperatura topnienia 589,5°C pod ciśnieniem 43,1 atm.

Fosfor czarny (R. Bridgeman) otrzymuje się ze zwykłego fosforu po podgrzaniu do 216 ° C pod ciśnieniem 89 atm. Jest nierozpuszczalny w dwusiarczku węgla; zapala się w temperaturze 400 ° C i nie zapala się przy uderzeniu; temperatura przejścia czerwonego fosforu do czarnego 575°C; czerwony fosfor zamienia się w czarny po podgrzaniu w atmosferze wodoru o temperaturze 200°C i ciśnieniu 90 atm (V. Ipatiev). Tylko 2 modyfikacje mają znaczenie techniczne: biały (żółty) i czerwony fosfor.

Zdobywanie fosforu. Zazwyczaj przygotowuje się biały fosfor, który w razie potrzeby jest następnie przekształcany w czerwoną modyfikację. Materiałem wyjściowym do otrzymywania fosforu są fosforyty – naturalny fosforan trójwapniowy, a najlepiej popiół kostny. Proces polega na redukcji fosforanów węglem lub działaniu glinu na metafosforan sodu zmieszany z krzemionką:

6NaPO 3 + 3SiO 2 + 10Al \u003d 3Na 2 SiO 3 + 5Al 2 O 3 + 6P.

Istnieją 2 metody fabrycznej produkcji fosforu: 1) stara metoda Pelletiera, polegająca na obróbce fosforanu (mączki kostnej) rozcieńczonym kwasem siarkowym, a fosforan trójwapniowy przekształcany jest w fosforan jednowapniowy:

Ca 3 (PО 4) 2 + 2H 2 SO 4 \u003d 2CaSO 4 + Ca (H 2 PО 4) 2.

Roztwór tego ostatniego oddziela się od gipsu (CaSO 2H 2 O), odparowuje, kalcynuje węglem i otrzymuje się metafosforan wapnia:

Ca (H 2 RO 4) 2 \u003d 2H 2 O + Ca (RO 3) 2,

który po mocnej kalcynacji daje fosfor, fosforan trójwapniowy i tlenek węgla:

ZCa (RO 3) 2 + 10C \u003d Ca 3 (RO 4) 2 + 4P + 10CO.

Zgodnie z metodą Wehlera powstają one bezpośrednio z fosforanu trójwapniowego:

2Ca 3 (PO 4) 2 + 6SiO 2 + 10C \u003d 6CaSiO 3 + 10CO + 4P.

Proces ten wymaga wysokiej temperatury i zaczął być stosowany dopiero wraz z wprowadzeniem pieców elektrycznych. Istnieje również metoda otrzymywania fosforu z wolnego kwasu fosforowego zmieszanego z węglem za pomocą prądu elektrycznego. Akademik w ZSRR. E. V. Britske opracował metodę otrzymywania fosforu w wielkich piecach.

Produkt handlowy zawsze zawiera śladowe ilości arsenu, związków krzemu i węgla. Zanieczyszczenia mechaniczne są usuwane przez filtrację, a jeszcze lepiej przez powtórną destylację. Przekształcenie fosforu białego w czerwony odbywa się w temperaturze 260°C; spadek ciśnienia spowalnia przebieg reakcji; oświetlenie przyspiesza proces; Wpływają również katalizatory (jod, selen).

Analityczne oznaczanie fosforu. Pary fosforu działają na mokry papier impregnowany azotanem srebra powodując jego czernienie. Czerń jest spowodowana tworzeniem się fosforu i metalu srebro . Reakcja przebiega w 2 etapach. Fosfor reaguje z wodą, tworząc kwas wodorofosforowy i podfosforawy:

P 4 + 6H 2 O \u003d ZN 3 RO 2 + PH 3.

Związki powstałe w wyniku reakcji działają na azotan srebra:

H3PO 2 +2H2O + 4AgNO 3 \u003d 4HNO 3 +H3PO 4 +4Ag;

PH 3 + 3AgNO 3 \u003d 3HNO 3 + PAg 3.

Ta reakcja ma zastosowanie do odkrycia białego fosforu tylko w nieobecności H 2 S, AsH 3 , SbH 3 , a także aldehydu mrówkowego i kwasu mrówkowego. Odkrycie trującego fosforu (według Mitcherlicha) opiera się na zdolności fosforu do świecenia w wilgotnym powietrzu w ciemności. Rozdrobniona substancja, w której ma się znaleźć fosfor, umieszcza się w kolbie podłączonej do lodówki. Do kolby wlewa się tyle wody, aby uzyskać płynną zawiesinę, a zawartość kolby zobojętnia się kwasem winowym do lekko kwaśnego. Gdy kolba jest podgrzewana w ciemności, już niewielka ilość fosforu (kilka mg) powoduje poświatę w lodówce. Ponieważ zjawisko luminescencji może być również spowodowane obecnością siarczku fosforu po jego rozkładzie po podgrzaniu, zaleca się podgrzewanie kolby nie bezpośrednio, ale poprzez przepuszczanie do niej pary wodnej. W obecności śladów amoniaku, dwusiarczku węgla, oparów alkoholu, olejków eterycznych i nienasyconych węglowodorów nie obserwuje się blasku fosforu, dlatego nie należy zbyt wcześnie przerywać destylacji. Jeśli jednak nie obserwuje się poświaty, wówczas filtrat utlenia się wodą chlorową, odparowuje w łaźni wodnej do małej objętości i wykonuje się test na kwas fosforowy. W kolbie można również zaobserwować blask fosforu, najpierw podgrzewając ciecz do wrzenia, a następnie lekko ją schładzając i ponownie podgrzewając do wrzenia; 0,0171 mg fosforu świeci bardzo wyraźnie, 0,0085 mg - wyraźnie, 0,0042 mg - słabo i 0,001 mg - wątpliwe. Fosfor, redukowany przez wodór in statu nascendi, daje wodór fosforowy, który zmieszany z wodorem pali się szmaragdowozielonym płomieniem po zapaleniu na wylocie z platynowej rury. Substancje organiczne zapobiegają pojawianiu się koloru, a zatem d. b. rozdzielony. Kwas azotowy łatwo utlenia fosfor do kwasu fosforowego:

ZR 4 +20NNO 3 + 8 H 2 O \u003d 12 H 3 RO 4 +20NR 3.

Fosfor jest określany ilościowo po utlenieniu do kwasu fosforowego i wytrąceniu jako MgNH 4 PO 4 .

Aplikacja . Fosfor to jeden z pierwiastków, bez którego prawidłowy rozwój organizmów roślinnych i zwierzęcych nie jest możliwy. Istnieje bezpośredni związek między zawartością fosforu w pożywce a wzrostem roślin. Fosfor, obok azotu i potasu, jest najważniejszym składnikiem odżywczym, w którym znajduje się strona - x. rośliny. Wyobcowany z pola wraz ze zbiorem zbóż fosfor nie ma w swoim cyklu obiegu zamkniętego, dlatego też bez jego sztucznego wprowadzania do gleby z zewnątrz obserwuje się jej ubytek. Największą grupę stanowią nawozy zawierające fosfor. Fosfor jest używany w wojsku jako środek dymotwórczy oraz do napełniania pocisków zapalających.