FOSFOR: HISTORIE, EGENSKAPER, STRUKTUR, INNHENTING, BRUK - KJEMI - 2026

Den fosfor er et ikke-metallisk element som er representert ved den kjemiske betegnelsen P og har atomnummer 15. Den har tre allotrope former: hvit, rød fosfor og svart. Hvitt fosfor er fosforescerende, brenner spontant når det utsettes for luft, og er også sterkt giftig.

Hvitt fosfor ved en temperatur på 250 ºC blir rødt fosfor; en uoppløselig, polymer form som ikke brenner i luft. Ved høye temperaturer og trykk, så vel som i nærvær eller fravær av katalysatorer, oppnås svart fosfor, som ligner grafitt og er en god leder av elektrisitet.

Hvitt fosfor lagret i en flaske med vann. Kilde: W. Oelen

Fosfor ble isolert for første gang av H. Brand i 1669. For dette brukte han urin som en kilde til dette elementet. I 1770 oppdaget W. Scheele at han også kunne isolere fosfor fra bein.

Senere, på grunn av dannelsen av den elektriske ovnen av J. Burgess Readman (1800), ble fosfatbergarter den viktigste kilden til fosforproduksjon fra mineralet fluoroapatitt, som er til stede i dem.

Fosfor er det tolvte rikeste elementet i jordskorpen, og utgjør 0,1 vekt% av det. Videre er det det sjette elementet i overflod i menneskekroppen; hovedsakelig konsentrert i bein i form av hydroksylapatitt.

Det er derfor et essensielt element for levende vesener, og blir ett av de tre viktigste næringsstoffene til planter. Fosfor er en del av den kjemiske strukturen til nukleinsyrer; av energilagringsforbindelser (ATP), koenzymer; og generelt av forbindelser av metabolisme.

Historie

- Oppdagelse

I urin

Maleri av Joseph Wright fra Derby som illustrerer oppdagelsen av fosfor. Kilde: Joseph Wright av Derby

Fosfor ble isolert av Henning Brand i 1669, og var det første menneske som isolerte et element. Brand var en tysk alkymist fra Hamburg og klarte å skaffe en fosforforbindelse fra urin. For å gjøre dette samlet han urinen fra 50 spann og lot den bryte ned.

Brand fordampet deretter urinen og fikk en svartaktig rest, som han oppbevarte i flere måneder. Til dette la han til sand og varmte den opp, og klarte å eliminere gasser og oljer. Til slutt skaffet han et hvitt fast stoff som glødet grønt i mørket, som han kalte "kald ild."

Begrepet "fosfor" kommer tilfeldigvis av det greske ordet "Fosfor" som betyr lysbærer.

Brand publiserte ikke sine eksperimentelle resultater og solgte det til forskjellige alkymister, inkludert: Johann Kraft, Kunckel Lowenstern og Wilhelm Leibniz. Sannsynligvis rapporterte noen av dem Brands arbeid til Paris Academy of Sciences, og spredte dermed forskningen.

Imidlertid isolerte Brand ikke faktisk fosfor, men ammoniakknatriumfosfat. I 1680 forbedret Robert Boyle Brands prosedyre, hvor han var i stand til å oppnå en allotropisk form av fosfor (P ₄ ).

I beinene

Johan Gottlieb Gahn og Carl Wihelm Scheele etablerte i 1769 at en forbindelse av fosfor, kalsiumfosfat, ble funnet i bein. De fettete beinene ble utsatt for en prosess med fordøyelse med sterke syrer, slik som svovelsyre.

Deretter ble fordøyelsesproduktet oppvarmet i stålbeholdere med kull og kull, hvorved man fikk hvit fosfor ved destillasjon i retorter. Benene var den viktigste kilden til fosfor fram til 1840, da de ble erstattet for dette formålet med guano.

I guano

Guano er en blanding av fugleskitt og nedbrytningsprodukter for fugler. Det ble brukt som kilde til fosfor og gjødsel på 1800-tallet.

- Industriutvikling

Fosfatbergarter ble brukt i 1850 som en kilde til fosfor. Dette, sammen med oppfinnelsen av den elektriske ovnen for kalsinering av bergarter av James Burgess Readman (1888), gjorde PRs til det viktigste råstoffet for fosfor- og gjødselproduksjon.

I 1819 ble fyrstikkfabrikkene opprettet, og startet den industrielle utviklingen av bruken av fosfor.

Fysiske og kjemiske egenskaper

Utseende

Avhengig av den allotropiske formen, kan den være fargeløs, voksaktig hvit, gul, skarlagen, rød, lilla eller svart.

Atomvekt

30.973 u

Atomnummer (Z)

femten

Smeltepunkt

Hvitt fosfor: 44,15 ºC

Rød fosfor: ~ 590 ºC

Kokepunkt

Hvitt fosfor: 280,5 ºC

Tetthet (romtemperatur)

Hvit: 1.823 g / cm ³

Rød: 2,2-2,34 g / cm ³

Fiolett: 2,36 g / cm ³

Svart: 2,69 g / cm ³

Fusjonsvarme

Hvitt fosfor: 0,66 kJ / mol

Fordampingsvarme

Hvitt fosfor: 51,9 kJ / mol

Molær kalorikapasitet

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

Oksidasjonstilstander

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

Avhengig av elektronegativiteten til elementene det kombineres med, kan fosfor vise oksidasjonstilstanden +3 eller -3. Fosfor, i motsetning til nitrogen, har en tendens til å reagere fortrinnsvis med oksydasjonstilstanden +5; slik tilfellet av fosforpentoksyd (P ₂ O ₅ eller P ₂ ⁵⁺ O ₅ ²⁺ ).

elektro

2.19 på Pauling-skalaen

Ioniseringsenergi

-Først: 1.101 kJ / mol

-Sekund: 2.190,7 kJ / mol

-Tredde: 2 914 kJ / mol

Termisk ledningsevne

Hvitt fosfor: 0,236 W / (mK)

Svart fosfor: 12,1 W / (mK)

Det vises hvordan svart fosfor leder nesten seks ganger mer varme enn hvitt fosfor.

Magnetisk orden

De hvite, røde, lilla og svarte fosforene er diamagnetiske.

isotoper

Fosfor har 20 isotoper, de viktigste er: ³¹ P, den eneste stabile isotopen med en overflod på 100%; ³² P isotoputsender β ^- og med en halveringstid på 14,28 dager; og ³³ P, en ß-utsende isotop ^- og med en halveringstid på 25,3 dager.

phosphorescence

Hvit fosfor er fosforescerende og avgir et grønt lys i mørket.

Allotropiske endringer

Hvitt fosfor er ustabilt og endres ved temperaturer nær 250 ºC til en polymer form kjent som rød fosfor, som kan variere fra oransje til lilla i fargen. Det er et amorft stoff, men det kan bli krystallinsk; den gløtter ikke i mørket eller brenner i luften.

Hvitt fosfor ved høye temperaturer og trykk, eller i nærvær av katalysatorer, omdannes til en annen polymerform enn rød fosfor: svart fosfor. Dette er et krystallinsk stoff med svart farge, inert, som ligner grafitt, og som har evnen til å lede strøm.

løselighet

Hvitt fosfor i ren form er uoppløselig i vann, selv om det kan oppløses i karbonsulfid. I mellomtiden er røde og svarte fosfor uoppløselige i vann og er mindre flyktige enn hvite fosfor.

reaktivitet

Fosfor spontant brenner i luft for å danne P ₂ O _5, som i sin tur kan reagere med tre vannmolekyler under dannelse av orto-fosfor eller fosforsyre (H ₃ PO ₄ ).

Gjennom virkningen av varmt vann stammer fosfin (PH ₃ ) og fosforoksydsyre.

Fosforsyre virker på fosfatbergarter som forårsaker dihydrogenkalsiumfosfat eller superfosfat.

Den kan reagere med halogener for å danne halogenider PX ₃ , med X som representerer F, Cl, Br eller I; eller halogenider med formelen PX ₅ , hvor X er F, Cl eller Br.

Tilsvarende reagerer fosfor med metaller og metalloider for å danne fosfider, og med svovel for å danne forskjellige sulfider. På den annen side binder det seg til oksygen for å skape estere. På samme måte kombineres det med karbon for å danne organiske fosforforbindelser.

Struktur og elektronisk konfigurasjon

- Koblinger og tetrahedral enhet

Fosforatomer har følgende elektroniske konfigurasjoner:

3s ² 3p ³

Den har derfor fem valenselektroner, akkurat som nitrogen og de andre elementene i gruppe 15. Fordi det er et ikke-metallisk element, må atomene danne kovalente bindinger til valensokteten er fullført. Nitrogen oppnår dette ved å etablere seg som diatomiske molekyler N ₂ , med en trippelbinding, N≡N.

Det samme skjer med fosfor: to av dens P-atomer binding med en trippelbinding for å danne P- ₂ -molekylet , P≡P; det vil si difosfor allotropen. Imidlertid har fosfor en høyere atommasse enn nitrogen, og dens 3p orbitaler, mer diffuse enn nitrogenens 2p, overlapper mindre effektivt; derfor eksisterer P ₂ bare i gassform.

I stedet foretrekker P-atomene å organisere kovalent på romtemperatur på en annen måte: i et tetraedrisk molekyl P ₄ :

P4 molekylære enheter i hvite fosforkrystaller. Kilde: Benjah-bmm27 via Wikipedia.

Legg merke til at på bildet over alle P-atomene har tre enkeltbindinger i stedet for en trippelbinding. Således fosfor i P ₄ fullfører sin valens oktett. Imidlertid er det i P ₄ spenning i PP-bindingene, siden vinklene deres er langt fra 109,5º til det blotte øye.

- Allotropes

Hvitt fosfor

Det samme bildet av P ₄ enheter og deres ustabilitet forklare hvorfor hvitt fosfor er den mest ustabile allotrope av dette elementet.

De P ₄ enheter er arrangert i rommet for å definere en bcc krystall (α fase) under normale betingelser. Når temperaturen synker til -77,95 ºC, forvandles bcc-krystallen til en hcp (antagelig), tettere (ß-fase). Det vil si at P- ₄ enhetene er anordnet i to vekslende lag, A og B, for å etablere en ABAB … sekvens.

Rød fosfor

Kjedelignende struktur for rød fosfor. Kilde: Gabriel Bolívar.

På bildet over er bare et lite segment av den røde fosforstrukturen vist. Når de tre enhetene er justert "symmetrisk", kan det sies at det er en krystallinsk struktur, som oppnås ved å varme denne fosfor over 250 ºC.

Rød fosfor består imidlertid mesteparten av tiden av et amorft fast stoff, så strukturen er rotete. Deretter ble de polymere kjeder av P _{vil 4} anordnes uten en tilsynelatende mønster, noe ovenfor og andre under den samme vilkårlige plan.

Legg merke til at dette er den viktigste strukturelle forskjellen mellom hvit og rød fosfor: i den første er _P4'ene funnet individuelle, og i den andre, dannende kjeder. Dette er mulig fordi en av PP-bindingene i tetrahedronen er brutt for å binde seg til det nærliggende tetrahedronen. Dermed reduseres ringspenningen og den røde fosforen får større stabilitet.

Når det er en blanding av begge allotropene, blir det tilbudt øyet som en gul fosfor; en blanding av tetraeder og amorfe fosforkjeder. Faktisk blir hvitt fosfor gulaktig når det utsettes for solstrålene, siden strålingen favoriserer brudd på PP-bindingen som allerede er nevnt.

Violett eller Hittorf fosfor

Molekylær struktur av fiolett fosfor. Kilde: Kadmium på engelsk Wikipedia

Violett fosfor er den endelige utviklingen av rødt fosfor. Som det kan sees på bildet over, består det fortsatt av en polymerkjede; men nå er strukturene mer intrikate. Det ser ut til at konstruksjonsenheten ikke lenger er P ₄ men P ₂ , anordnet på en slik måte at de danner uregelmessige femkantede ringer.

Til tross for hvor asymmetrisk strukturen ser ut, klarer disse polymerkjedene å ordne seg godt nok og med periodisitet for den fiolette fosforen til å etablere monokliniske krystaller.

Svart fosfor

Struktur av svart fosfor sett fra forskjellige vinkler. Kilde: Benjah-bmm27.

Og til slutt har vi den mest stabile fosforallotropen: den svarte. Det tilberedes ved å varme opp hvitt fosfor under et trykk på 12.000 atm.

I det øvre bildet (under) kan det sees at strukturen, fra et høyere plan, har en viss likhet med grafitt; det er et stort nettverk av sekskantede ringer (selv om de ser ut som firkanter).

Øverst i venstre hjørne av bildet kan det som nettopp er blitt kommentert bli bedre verdsatt. De molekylære omgivelsene til P-atomer er trigonale pyramider. Legg merke til at strukturen sett fra siden (øvre høyre hjørne) er ordnet i lag som passer den ene over den andre.

Strukturen til svart fosfor er ganske symmetrisk og ordnet, noe som er i samsvar med dens evne til å etablere seg som orthorhombic krystaller. Stabling av deres polymere lag gjør P-atomene utilgjengelige for mange kjemiske reaksjoner; og det er derfor den er betydelig stabil og ikke veldig reaktiv.

Selv om det er verdt å nevne, er London-spredningskreftene og de molære massene av disse fosforsyre faste stoffene som styrer noen av deres fysiske egenskaper; mens dens strukturer og PP-bindinger definerer de kjemiske og andre egenskaper.

Hvor å finne og skaffe

Apatitt og fosforitt

Det er det tolvte elementet i jordskorpen og representerer 0,1 vekt% av den. Det er rundt 550 mineraler som inneholder fosfor, apatitt er det viktigste mineralet for å få fosfor.

Apatite er et mineral av fosfor og kalsium som kan inneholde varierende mengder fluor, klorid og hydroksid, hvis formel er følgende: Foruten apatitt, er det andre fosfor mineraler av kommersiell betydning; slik er tilfellet med wavelite og vivianita.

Fosfatberg eller fosforitt er den viktigste kilden til fosfor. Det er en ikke-detrital sedimentær bergart som har et fosforinnhold på 15-20%. Fosfor er vanligvis til stede som Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ F ₂ (fluoroapatitt). Det er også til stede som hydroksyapatitt, selv om det i mindre grad er.

I tillegg kan fluoroapatitt finnes som en del av stollende og metamorfe bergarter, så vel som kalksteiner og skiver.

Elektrotermisk reduksjon av fluoroapatitt

De valgte fosfatbergene blir overført til renseanlegget for prosessering. Til å begynne med knuses de for å oppnå bergfragmenter som deretter blir malt i kulemøller med 70 omdreininger i minuttet.

Deretter siktes produktet av sliping av bergfragmentene for å kunne fraksjonere dem. De fraksjoner som hadde et fosforinnhold på 34% blir valgt som fosforpentoksyd (P ₂ O ₅ ).

Hvitt fosfor (P ₄ ) oppnås industrielt ved elektrotermisk reduksjon av fluoroapatite med karbon ved en temperatur på 1500 ° C i nærvær av silisiumoksid:

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

P ₄ i gassformig tilstand, etter kondensering, blir samlet og lagret som et hvitt fast stoff nedsenket i vann for å forhindre at det reagerer med ytre luft.

legeringer

kobber

Fosfordekselet er produsert med forskjellige prosentandeler kobber og fosfor: Cu 94% - P 6%; Cu 92% - P 8%; Cu 85% - P 15%, etc. Legeringen brukes som et deoksydiseringsmiddel, fuktemiddel for kobberindustrien og også som en kjernekraft i aluminiumsindustrien.

Bronse

De er kobber, fosfor og tinnlegeringer som inneholder 0,5 - 11% fosfor og 0,01 - 0,35% tinn. Tinn øker motstanden mot korrosjon, mens fosfor øker legeringens slitestyrke og gir den stivhet.

Det brukes til fremstilling av fjærer, bolter og generelt i artikler som krever motstand mot tretthet, slitasje og kjemisk korrosjon. Det anbefales bruk i propellene til båtene.

Nikkelbelagt

Den mest kjente legeringen er NiP ₂₀ , hvor fosfornikkel brukes til lodding av legeringer for å forbedre deres motstand mot kjemisk erosjon, oksidasjon og høye temperaturer.

Legeringen brukes i gassturbin- og jetmotorkomponenter, elektroplettering og i produksjon av sveiseelektroder.

risiko

Hvitt fosfor forårsaker alvorlige hudforbrenninger og er en kraftig gift som kan være dødelig i doser på 50 mg. Fosfor hemmer cellulær oksidasjon og forstyrrer cellulær oksygenhåndtering, noe som kan føre til fet degenerasjon og celledød.

Akutt fosforforgiftning gir magesmerter, svie, hvitløk-luktende pust, fosforescerende oppkast, svette, muskelkramper og til og med en sjokkstilstand i løpet av de første fire dagene av svelging.

Senere ble manifestasjon av gulsott, petechiae, blødning, hjerteinfarkt med arytmier, endring av sentralnervesystemet og død på den tiende dagen etter inntak manifestert.

Den mest åpenbare manifestasjonen av kronisk fosforforgiftning er skade på benstrukturen i kjeven.

En økning i fosforkonsentrasjonen i plasma (hyperfosfatemi) forekommer vanligvis hos pasienter med nyresvikt. Dette forårsaker en unormal avsetning av fosfater i bløtvev, noe som kan føre til vaskulær dysfunksjon og hjerte- og karsykdommer.

applikasjoner

Fosfor er et viktig element for planter og dyr. Det er et av de tre viktigste næringsstoffene til planter, og er nødvendig for deres vekst og energibehov. I tillegg er det en del av nukleinsyrer, fosfolipider, mellomprodukter av metabolske prosesser, etc.

Hos virveldyr er fosfor til stede i bein og tenner i form av hydroksylapatitt.

- Elementært fosfor

En boks med fyrstikker eller "fyrstikk". Kilde: Pxhere.

Med fosfor lages en kjemisk emalje som brukes til å belyse tegn som er plassert på aluminium og dets legeringer; så vel som i fosforkobber og bronse.

Den brukes også til å lage brannbomber, granater, røykbomber og sporskuler. Rød fosfor brukes til å lage fyrstikker eller sikkerhetskamper.

Hvitt fosfor brukes til å lage organofosfater. I tillegg brukes den i produksjonen av fosforsyre.

En stor mengde av fosfor fremstilt forbrennes for fremstilling av fosfor tetraoksid (P ₄ O ₁₀ ), erholdt som et pulver eller et fast stoff.

- Forbindelser

fosfin

Det er råstoffet for utdyping av forskjellige fosforforbindelser. Det fungerer som et dopingmiddel for elektroniske komponenter.

Fosforsyre

Den brukes i produksjonen av brus på grunn av den karakteristiske smaken den gir dem. Det virker på fosfatbergarter for å danne dihydrogen kalsiumfosfat, også kjent som superfosfat, som brukes som gjødsel.

Fosforsyre er et konditionerende element i tannemaljen for å lette vedheftet av restaureringsmaterialene. Det brukes også blandet med olje, urea, tjære, bitumen og sand for å danne asfalt; materiale brukt i reparasjon av landkommunikasjonsruter.

organofosfater

Organofosfatforbindelser har mange anvendelser; slik som: flammehemmere, plantevernmidler, ekstraksjonsmidler, nervevirkningsmidler og for vannbehandling.

Dihydrogen kalsiumfosfatdihydrat

Det brukes som gjødsel, bakepulver, tilsetningsstoff til dyrefôr og til å lage tannkrem.

Fosforpentoksyd

Det brukes i kjemisk analyse som et dehydratiseringsmiddel og i organisk syntese som et kondensasjonsmiddel. Forbindelsen er først og fremst beregnet for produksjon av ortofosforsyre.

Natriumtripolyfosfat

Det brukes i vaskemidler og som en mykner, noe som forbedrer virkningen av vaskemidler og forhindrer korrosjon av rør.

Trinatriumfosfat

Det brukes som rengjøringsmiddel og mykner.

Natriumfosfater

Dibasisk natriumfosfat (Na ₂ HPO ₄ ) og monobasisk natriumfosfat (NaH ₂ PO ₄ ) er komponentene i et pH-buffersystem, som til og med virker i levende vesener; inkludert mennesker.

referanser

1. Reid Danielle. (2019). Allotropes av fosfor: former, bruk og eksempler. Studere. Gjenopprettet fra: study.com
2. Professor Robert J. Lancashire. (2014). Foredrag 5c. Strukturen av elementene, fortsatte P, S og I. Gjenopprettet fra: chem.uwimona.edu.jm
3. BYJU'S. (2019). Rødt fosfor. Gjenopprettet fra: byjus.com
4. Bing Li, Ceng-Ceng Ren, Shu-Feng Zhang, et al. (2019). Elektroniske strukturelle og optiske egenskaper ved flersjikt blått fosfor: En første-prinsippstudie. Journal of Nanomaterials, vol. 2019, artikkel-ID 4020762, 8 sider. doi.org/10.1155/2019/4020762
5. Dr. Dough Stewar. (2019). Fakta om fosforelement. Chemicool. Gjenopprettet fra: chemicool.com
6. Wikipedia. (2019). Fosfor. Gjenopprettet fra: en.wikipedia.org
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (3. juli 2019). Fosforfakta (atomnummer 15 eller element symbol P). Gjenopprettet fra: thoughtco.com
8. Linus Pauling Institute. (2019). Fosfor. Gjenopprettet fra: lpi.oregonstate.edu
9. Bernardo Fajardo P. & Héctor Lozano V. (nd). Nasjonal prosessering av fosfatbergart for superfosfatproduksjon. . Gjenopprettet fra: bdigital.unal.edu.co
10. Redaktørene av Encyclopaedia Britannica. (16. november 2018). Fosfor Chemical Chemical. Encyclopædia Britannica. Gjenopprettet fra: britannica.com
11. Reade International Corp. (2018). Kobberfosfor (CuP) -legering. Gjenopprettet fra: reade.com
12. KBM Affilips. (27. desember 2018). Nikkelfosfor (NiP) Master Alloy. AZoM. Gjenopprettet fra: azom.com
13. Lenntech BV (2019). Periodisk tabell: fosfor. Gjenopprettet fra: lenntech.com
14. Abhijit Naik. (21. februar 2018). Fosfor bruker. Gjenopprettet fra: sciencestruck.com