FOSFOR: ISTORIC, PROPRIETĂȚI, STRUCTURĂ, OBȚINERE, UTILIZĂRI - CHIMIE - 2025

Fosforul este un element nemetalic , care este reprezentat prin simbolul P chimic și are numărul atomic 15. Ea are trei forme alotropice principale: alb, fosfor roșu și negru. Fosforul alb este fosforescent, arde spontan atunci când este expus la aer și este, de asemenea, foarte otrăvitor.

Fosforul alb la o temperatură de 250 ºC devine fosfor roșu; o formă insolubilă, polimerică, care nu arde în aer. La temperaturi și presiuni ridicate, precum și în prezența sau absența catalizatorilor, se obține fosfor negru, care seamănă cu grafitul și este un bun conductor de electricitate.

Fosforul alb depozitat într-o sticlă cu apă. Sursa: W. Oelen

Fosforul a fost izolat pentru prima dată de H. Brand în 1669. Pentru aceasta a folosit urina ca sursă a acestui element. În 1770, W. Scheele a descoperit că poate izola și fosforul de oase.

Mai târziu, datorită creării cuptorului electric de către J. Burgess Readman (1800), rocile fosfat au devenit principala sursă de producție de fosfor din fluoroapatita minerală, prezentă în ele.

Fosforul este cel de-al doisprezecelea element cel mai abundent din scoarța terestră, reprezentând 0,1% din greutate. Mai mult, este al șaselea element din abundență în corpul uman; concentrată în principal în oase sub formă de hidroxilapatit.

Prin urmare, este un element esențial pentru ființele vii, devenind unul dintre cele trei substanțe nutritive principale ale plantelor. Fosforul face parte din structura chimică a acizilor nucleici; compuși de stocare a energiei (ATP), coenzime; și, în general, a compușilor metabolismului.

Istorie

- Descoperire

În urină

Pictura de Joseph Wright din Derby ilustrând descoperirea fosforului. Sursa: Joseph Wright din Derby

Fosforul a fost izolat de marca Henning în 1669, fiind primul om care a izolat un element. Brand a fost un alchimist german din Hamburg și a reușit să obțină un compus fosfor din urină. Pentru a face acest lucru, a colectat urina din 50 de găleți și i-a permis să se descompună.

Brand a evaporat apoi urina și a obținut un reziduu negricios, pe care l-a păstrat câteva luni. La aceasta a adăugat nisip și l-a încălzit, reușind să elimine gazele și uleiurile. În cele din urmă, a obținut un solid alb care strălucea verde în întuneric, pe care l-a numit „foc rece”.

Termenul „fosfor”, provine coincidențial din cuvântul grecesc „fosfor”, care înseamnă purtător de lumină.

Brand nu a publicat rezultatele sale experimentale și le-a vândut unor diverși alchimiști, printre care: Johann Kraft, Kunckel Lowenstern și Wilhelm Leibniz. Probabil că unii dintre ei au raportat activitatea lui Brand la Academia de Științe din Paris, răspândind astfel cercetările.

Cu toate acestea, Brand nu a izolat de fapt fosforul de sodiu, fosforul, ci amoniacul. În 1680, Robert Boyle a îmbunătățit procedura lui Brand, prin care a fost capabil să obțină o formă alotropă de fosfor (P ₄ ).

În oase

Johan Gottlieb Gahn și Carl Wihelm Scheele au stabilit, în 1769, că în oase a fost găsit un compus de fosfor, fosfat de calciu. Oasele dezgropate au fost supuse unui proces de digestie cu acizi puternici, cum ar fi acidul sulfuric.

Apoi, produsul de digestie a fost încălzit în recipiente de oțel cu cărbune și cărbune, obținând astfel fosfor alb prin distilare în replicile. Oasele au fost principala sursă de fosfor până în 1840, când au fost înlocuite în acest scop de guano.

În guano

Guano este un amestec de excremente de păsări și produse de descompunere a păsărilor. A fost folosit ca sursă de fosfor și îngrășăminte în secolul al XIX-lea.

- Dezvoltare industriala

Rocile fosfat au fost utilizate în 1850 ca sursă de fosfor. Acest lucru, împreună cu invenția cuptorului electric pentru calcinarea rocilor de James Burgess Readman (1888), au făcut din PRs principala materie primă pentru producția de fosfor și îngrășământ.

În 1819, au fost înființate fabricile de chibrituri, începând dezvoltarea industrială a utilizării fosforului.

Proprietati fizice si chimice

Aspect

În funcție de forma alotropă, acesta poate fi incolor, alb ceară, galben, stacojiu, roșu, violet sau negru.

Greutate atomica

30,973 u

Număr atomic (Z)

cincisprezece

Punct de topire

Fosfor alb: 44,15 ºC

Fosfor roșu: ~ 590 ºC

Punct de fierbere

Fosfor alb: 280,5 ºC

Densitatea (temperatura camerei)

Alb: 1,823 g / cm ³

Roșu: 2.2-2.34 g / cm ³

Violet: 2,36 g / cm ³

Negru: 2,69 g / cm ³

Căldură de fuziune

Fosfor alb: 0,66 kJ / mol

Căldură de vaporizare

Fosfor alb: 51,9 kJ / mol

Capacitate calorică molară

Fosfor alb: 23.824 J / (mol.K)

Stări de oxidare

-3, -2, -1, +1, +2, +3 , +4 și +5

În funcție de electronegativitatea elementelor cu care este combinat, fosforul poate prezenta starea de oxidare +3 sau -3. Fosforul, spre deosebire de azot, tinde să reacționeze preferențial cu starea de oxidare +5; cum este cazul pentoxid de fosfor (P ₂ O ₅ sau P ₂ ⁵⁺ O ₅ ²⁺ ).

electronegativitate

2.19 pe scara Pauling

Energie de ionizare

-Primul: 1.101 kJ / mol

-A doua: 2.190,7 kJ / mol

-Trat: 2.914 kJ / mol

Conductivitate termică

Fosfor alb: 0,236 W / (mK)

Fosfor negru: 12,1 W / (mK)

Este arătat cum fosforul negru conduce de aproape șase ori mai multă căldură decât fosforul alb.

Ordine magnetică

Fosforii albi, roșii, mov și negri sunt diamagnetici.

izotopi

Fosforul are 20 izotopi, principalii fiind: ³¹ P, singurul izotop stabil cu o abundență de 100%; ³² P emotop izotop β ^- și cu un timp de înjumătățire plasmatică de 14,28 zile; și ³³ P, un izotop β care emite ^- și cu un timp de înjumătățire de 25,3 zile.

Fosforescenţă

Fosforul alb este fosforescent și emite o lumină verde în întuneric.

Modificări alotrope

Fosforul alb este instabil și se schimbă la temperaturi apropiate de 250ºC într-o formă polimerică cunoscută sub numele de fosfor roșu, care poate varia de la culoare portocalie la purpurie. Este o substanță amorfă, dar poate deveni cristalină; nu strălucește în întuneric și nu arde în aer.

Fosforul alb la temperaturi și presiuni ridicate sau în prezența catalizatorilor se transformă într-o formă polimerică diferită de fosforul roșu: fosforul negru. Aceasta este o substanță cristalină de culoare neagră, inertă, similară cu grafitul și care are capacitatea de a conduce electricitate.

Solubilitate

Fosforul alb sub formă pură este insolubil în apă, deși poate fi solubilizat în sulfură de carbon. Între timp, fosforii roșii și negri sunt insolubili în apă și sunt mai puțin volatili decât fosforul alb.

reactivitatea

Fosforul arde spontan în aer pentru a forma P ₂ O _5, care la rândul său poate reacționa cu trei molecule de apă pentru a forma acid ortofosforic sau fosforic (H ₃ PO ₄ ).

Prin acțiunea apei calde, apar fosfina (PH ₃ ) și oxacidii de fosfor.

Acidul fosforic acționează asupra rocilor fosfat provocând dihidrogen fosfat de calciu sau superfosfat.

Poate reacționa cu halogenii pentru a forma halogenuri PX ₃ , cu X reprezentând F, Cl, Br sau I; sau halogenuri cu formula PX ₅ , unde X este F, Cl sau Br.

De asemenea, fosforul reacționează cu metalele și metaloizii pentru a forma fosfide, iar cu sulful pentru a forma diverse sulfuri. Pe de altă parte, se leagă de oxigen pentru a crea esteri. În același mod, se combină cu carbonul pentru a forma compuși fosforici organici.

Structura și configurația electronică

- Legături și unitate tetraedrică

Atomii fosforosi au următoarea configurație electronică:

3s ² 3p ³

Prin urmare, are cinci electroni de valență, cum ar fi azotul și celelalte elemente din grupa 15. Deoarece este un element nemetalic, atomii săi trebuie să formeze legături covalente până la finalizarea octetului de valență. Azotul realizează acest lucru prin stabilirea sa ca molecule diatomice N ₂ , cu o legătură triplă, N≡N.

Același lucru se întâmplă și cu fosfor: doi dintre atomii legăturii sale P cu o triplă legătură , pentru a forma P ₂ molecula , P≡P; adică alotropul difosfor. Cu toate acestea, fosforul are o masă atomică mai mare decât azotul, iar orbitalele sale 3p, mai difuze decât cele 2p ale azotului, se suprapun mai puțin eficient; De aceea, P ₂ există numai în stare gazoasă.

În schimb, la temperatura camerei, atomii P preferă să se organizeze covalent într-un alt mod: într-o moleculă tetraedrică P ₄ :

Unități moleculare P4 în cristale de fosfor alb. Sursa: Benjah-bmm27 prin Wikipedia.

Rețineți că în imagine deasupra tuturor atomilor P au trei legături individuale în loc de o legătură triplă. Astfel, fosforul din P ₄ își completează octetul de valență. Cu toate acestea, în P ₄ există tensiune în legăturile PP, deoarece unghiurile lor sunt departe de 109,5º cu ochiul liber.

- Alotrope

Fosfor alb

Aceeași imagine a unităților P ₄ și instabilitatea lor explică de ce fosforul alb este cel mai instabil alotrop al acestui element.

Unitățile P ₄ sunt dispuse în spațiu pentru a defini un cristal de ccc (faza α) în condiții normale. Atunci când temperatura scade la -77,95 ºC, cristalul de bcc se transformă într-un CP (se presupune), mai dens (faza β). Adică, unitățile P ₄ sunt dispuse în două straturi alternative, A și B, pentru a stabili o secvență ABAB …

Fosfor roșu

Structura în lanț pentru fosfor roșu. Sursa: Gabriel Bolívar.

În imaginea de mai sus, este prezentat doar un segment mic al structurii roșii de fosfor. Deoarece cele trei unități sunt aliniate „simetric”, se poate spune că este o structură cristalină, care se obține prin încălzirea acestui fosfor peste 250 ºC.

Fosforul roșu, însă, de cele mai multe ori este format dintr-un solid amorf, astfel încât structura sa este dezordonată. Apoi, lanțurile polimerice ale P4 _ar fi aranjate fără un model aparent, unele deasupra și altele sub același plan arbitrar.

Rețineți că aceasta este diferența structurală principală dintre fosfor alb și roșu: în primul rând, P ₄ sunt găsite individuale, iar în al doilea, formând lanțuri. Acest lucru este posibil deoarece una dintre legăturile PP din interiorul tetraedrului este ruptă pentru a se lega de tetraedrul vecin. Astfel, tensiunea inelară este redusă și fosforul roșu câștigă o stabilitate mai mare.

Când există un amestec de ambele alotrope, acesta este oferit ochiului sub formă de fosfor galben; un amestec de tetraedre și lanțuri de fosfor amorf. De fapt, fosforul alb devine gălbuie atunci când este expus razelor soarelui, deoarece radiația favorizează ruperea legăturii PP menționate deja.

Fosfor violet sau Hittorf

Structura moleculară a fosforului violet. Sursa: Cadmiu la Wikipedia engleză

Fosforul violet este evoluția finală a fosforului roșu. După cum se poate observa în imaginea de mai sus, acesta constă în continuare dintr-un lanț polimeric; dar acum structurile sunt mai complexe. Se pare că unitatea structurală nu mai este P _4, ci P ₂ , aranjată astfel încât să formeze inele neregulate pentagonale.

În ciuda aspectului asimetric al structurii, aceste lanțuri de polimeri reușesc să se aranjeze suficient de bine și cu periodicitate pentru ca fosforul violet să stabilească cristale monoclinice.

Fosfor negru

Structura de fosfor negru văzută din diferite unghiuri. Sursa: Benjah-bmm27.

Și în sfârșit avem cel mai stabil alotrop fosforos: cel negru. Se prepară prin încălzirea fosforului alb sub o presiune de 12.000 atm.

În imaginea superioară (mai jos), se poate observa că structura sa, dintr-un plan superior, are o anumită asemănare cu cea a grafitului; este o rețea pură de inele hexagonale (chiar dacă arată ca pătrate).

În colțul din stânga sus al imaginii, ceea ce tocmai a fost comentat poate fi apreciat mai bine. Imprejurimile moleculare ale atomilor P sunt piramidele trigonale. Rețineți că structura vizualizată din lateral (colțul din dreapta sus) este dispusă în straturi care se potrivesc unul peste celălalt.

Structura fosforului negru este destul de simetrică și ordonată, ceea ce este în concordanță cu capacitatea sa de a se stabili ca cristale ortorombe. Stivuirea straturilor lor polimerice face ca atomii P să fie indisponibili pentru multe reacții chimice; și de aceea este considerabil stabil și nu este foarte reactiv.

Deși merită menționat, forțele de dispersie londoneze și masele molare ale acestor solide fosforice sunt cele care guvernează unele dintre proprietățile lor fizice; în timp ce structurile sale și legăturile PP, definesc proprietățile chimice și alte proprietăți.

Unde să găsești și să obții

Apatit și fosforit

Este cel de-al doisprezecelea element al scoarței terestre și reprezintă 0,1% din greutate. Există aproximativ 550 de minerale care conțin fosfor, apatitul fiind cel mai important mineral pentru obținerea fosforului.

Apatitul este un mineral de fosfor și calciu care poate conține cantități variabile de fluor, clorură și hidroxid, a căror formulă este următoarea:. Pe lângă apatit, există și alte minerale fosforice de importanță comercială; este cazul wavelitei și a vivianitei.

Rockul fosfat sau fosforitul este principala sursă de fosfor. Este o rocă sedimentară nedetritabilă care are un conținut de fosfor de 15-20%. Fosforul este de obicei prezentă ca Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ F ₂ (fluoroapatite). De asemenea, este prezent sub formă de hidroxiapatită, deși într-o măsură mai mică.

În plus, fluoroapatita poate fi găsită ca parte a rocilor ignee și metamorfice, precum și calcare și schisti.

Reducerea electrotermică a fluoroapatitei

Rocile fosfat alese sunt transferate la stația de tratare pentru prelucrare. Inițial, acestea sunt zdrobite pentru a obține fragmente de rocă care sunt apoi măcinate în mori cu bilă la 70 de rotații pe minut.

Apoi, produsul măcinării fragmentelor de rocă este cernut pentru a le putea fracționa. Acele fracții cu un conținut de fosfor de 34% sunt alese ca pentoxid de fosfor (P ₂ O ₅ ).

Fosforul alb (P ₄ ) este obținut industrial prin reducerea electrotermică a fluoroapatitei cu carbon la o temperatură de 1.500 ºC în prezența oxidului de siliciu:

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

P ₄ în stare gazoasă, după condensare, este colectat și depozitat ca un solid alb scufundat în apă pentru a împiedica reacția cu aerul exterior.

aliaje

arămie

Capacul de fosfor este fabricat cu procente diferite de cupru și fosfor: Cu 94% - P 6%; Cu 92% - P 8%; Cu 85% - P 15% etc. Aliajul este utilizat ca un dezoxidizant, agent de umectare pentru industria cuprului și, de asemenea, ca nucleant în industria aluminiului.

Bronz

Sunt aliaje de cupru, fosfor și staniu care conțin 0,5 - 11% fosfor și 0,01 - 0,35% staniu. Tinul crește rezistența la coroziune, în timp ce fosforul mărește rezistența la uzură a aliajului și îi conferă rigiditate.

Este utilizat la fabricarea arcurilor, a șuruburilor și, în general, la articole care necesită rezistență la oboseală, uzură și coroziune chimică. Utilizarea sa este recomandată la elicele bărcilor.

Placat cu nichel

Cel mai cunoscut aliaj este NiP ₂₀ , nichelul fosfor fiind utilizat în aliajele de brazare pentru a îmbunătăți rezistența lor la eroziunea chimică, oxidare și temperaturi ridicate.

Aliajul este utilizat în turbina cu gaz și în componentele motoarelor cu jet, în galvanizare și în producerea electrozilor de sudare.

riscuri

Fosforul alb provoacă arsuri severe ale pielii și este o otravă puternică care poate fi fatală în doze de 50 mg. Fosforul inhibă oxidarea celulară, care interferează cu gestionarea celulară a oxigenului, ceea ce poate duce la degenerare grasă și moarte celulară.

Intoxicația acută cu fosfor produce dureri abdominale, arsură, respirație mirositoare a usturoi, vărsături fosforescente, transpirație, crampe musculare și chiar o stare de șoc în primele patru zile de la ingestie.

Ulterior, s-a manifestat icterul, petechia, hemoragia, implicarea miocardului cu aritmii, alterarea sistemului nervos central și moartea în a zecea zi după ingestie.

Cea mai evidentă manifestare a otrăvirii cronice cu fosfor este deteriorarea structurii osoase a maxilarului.

O creștere a concentrației de fosfor plasmatic (hiperfosfatemie), apare de obicei la pacienții cu insuficiență renală. Aceasta provoacă un depozit anormal de fosfați în țesuturile moi, ceea ce poate duce la disfuncții vasculare și boli cardiovasculare.

Aplicații

Fosforul este un element esențial pentru plante și animale. Este unul dintre cele trei substanțe nutritive principale ale plantelor, fiind necesar pentru creșterea lor și necesarul de energie. În plus, face parte din acizii nucleici, fosfolipide, produse intermediare ale proceselor metabolice etc.

La vertebrate, fosforul este prezent în oase și dinți sub formă de hidroxilapatit.

- Fosfor elementar

O cutie de chibrituri sau „potrivire”. Sursa: Pxhere.

Cu fosfor, se realizează un email chimic, care este folosit pentru a lumina semne plasate pe aluminiu și aliajele sale; precum și în cupru fosfor și bronz.

De asemenea, este folosit pentru fabricarea de bombe incendiare, grenade, bombe de fum și gloanțe de urmărire. Fosforul roșu este utilizat la confecționarea meciurilor sau a meciurilor de siguranță.

Fosforul alb este folosit pentru a face organofosfați. În plus, este utilizat la producerea acidului fosforic.

O cantitate mare de fosfor produs este incinerată pentru producerea de tetraoxid de fosfor (P ₄ O ₁₀ ), obținută sub formă de pulbere sau solid.

- Compuși

fosfină

Este materia primă pentru elaborarea diferiților compuși fosforici. Acționează ca un agent de dopare pentru componente electronice.

Acid fosforic

Este folosit la producerea băuturilor răcoritoare datorită aromei caracteristice pe care le conferă. Acționează asupra rocilor fosfat pentru a forma dihidrogenul fosfat de calciu, cunoscut și sub denumirea de superfosfat, care este utilizat ca îngrășământ.

Acidul fosforic este un element de condiționare a smalțului dinților pentru a facilita aderența materialelor dvs. de restaurare. De asemenea, este folosit, amestecat cu ulei, uree, gudron, bitum și nisip, pentru a forma asfalt; material utilizat la repararea căilor de comunicații terestre.

organofosfați

Compușii organofosfat au numeroase aplicații; cum ar fi: substanțe ignifuge, pesticide, agenți de extracție, agenți de acțiune nervoasă și pentru tratarea apei.

Dihidrogen fosfat de calciu dihidrat

Este utilizat ca îngrășământ, praf de copt, aditiv pentru hrana animalelor și pentru fabricarea pastelor de dinți.

Pentoxidul de fosfor

Este utilizat în analiza chimică ca agent de deshidratare și în sinteza organică ca agent de condensare. Compusul este destinat în principal pentru producerea acidului ortofosforic.

Tripolifosfat de sodiu

Este utilizat în detergenți și ca îndulcitor de apă, care îmbunătățește acțiunea detergenților și contribuie la prevenirea coroziunii conductelor.

Fosfat de trisodiu

Se folosește ca agent de curățare și îndulcitor de apă.

Fosfati de sodiu

Fosfat dibazic de sodiu (Na ₂ HPO ₄ ) și fosfat monobazic de sodiu (NaH ₂ PO ₄ ) sunt componentele unui sistem tampon de pH, care chiar acționează ființe vii; inclusiv ființe umane.

Referințe

1. Reid Danielle. (2019). Alotrope de fosfor: forme, utilizări și exemple. Studiu. Recuperat din: studiu.com
2. Prof. Robert J. Lancashire. (2014). Prelegere 5c. Structura elementelor, P, S și I. continuate. Recuperat din: chem.uwimona.edu.jm
3. Byju'S. (2019). Fosfor roșu. Recuperat din: byjus.com
4. Bing Li, Ceng-Ceng Ren, Shu-Feng Zhang și colab. (2019). Proprietățile structurale și optice electronice ale fosforului albastru multistrat: un studiu de prim-principiu. Journal of Nanomaterials, vol. 2019, articol ID 4020762, 8 pagini. doi.org/10.1155/2019/4020762
5. Dr. Dough Stewar. (2019). Fapte cu element de fosfor. Chemicool. Recuperat de la: chemicool.com
6. Wikipedia. (2019). Fosfor. Recuperat de la: en.wikipedia.org
7. Helmenstine, Anne Marie, doctorat. (03 iulie 2019). Fapte de fosfor (numărul atomic 15 sau elementul simbolul P). Recuperat de la: thinkco.com
8. Institutul Linus Pauling. (2019). Fosfor. Recuperat din: lpi.oregonstate.edu
9. Bernardo Fajardo P. & Héctor Lozano V. (nd). Prelucrarea națională a rocilor fosfat pentru producția de superfosfați. . Recuperat din: bdigital.unal.edu.co
10. Redactorii Encyclopaedia Britannica. (16 noiembrie 2018). Elementul chimic cu fosfor. Encyclopædia Britannica. Recuperat de la: britannica.com
11. Reade International Corp. (2018). Fosfor de cupru (CuP) Aliaj. Recuperat de la: reade.com
12. KBM Affilips. (27 decembrie 2018). Fosforul de nichel (NiP) Master Aleea. AZoM. Recuperat din: azom.com
13. Lenntech BV (2019). Tabel periodic: fosfor. Recuperat de la: lenntech.com
14. Abhijit Naik. (21 februarie 2018). Folosirea fosforului. Recuperat de la: șticestruck.com