FOSFOR: HISTORIA, EGENSKAPER, STRUKTUR, ERHÅLLANDE, ANVÄNDNING - KEMI - 2026

Det fosforescenta är ett icke-metalliskt element, som representeras av den kemiska symbolen P och har atomnummer 15. Det har tre huvudsakliga allotropa former: vit, röd fosfor och svart. Vitt fosfor är fosforescerande, brinner spontant när det utsätts för luft och är också mycket giftigt.

Vitt fosfor vid en temperatur av 250 ºC blir rött fosfor; en olöslig, polymer form som inte brinner i luften. Vid höga temperaturer och tryck, såväl som i närvaro eller inte av katalysatorer, erhålls svart fosfor, vilket liknar grafit och är en god elektrisk ledare.

Vit fosfor lagras i en flaska med vatten. Källa: W. Oelen

Fosfor isolerades för första gången av H. Brand 1669. För detta använde han urin som en källa till detta element. 1770 upptäckte W. Scheele att han också kunde isolera fosfor från ben.

Senare, på grund av skapandet av den elektriska ugnen av J. Burgess Readman (1800), blev fosfatberg den huvudsakliga källan till fosforproduktion från mineralen fluoroapatit, närvarande i dem.

Fosfor är det tolfte vanligaste elementet i jordskorpan och står för 0,1 viktprocent. Dessutom är det det sjätte elementet i överflöd i människokroppen; huvudsakligen koncentrerad i ben i form av hydroxylapatit.

Det är därför ett väsentligt element för levande varelser och blir ett av de tre huvudsakliga näringsämnena hos växter. Fosfor är en del av den kemiska strukturen i nukleinsyror; av energilagringsföreningar (ATP), koenzym; och i allmänhet av metabolismföreningar.

Historia

- Upptäckt

I urin

Målning av Joseph Wright från Derby som illustrerar upptäckten av fosfor. Källa: Joseph Wright från Derby

Fosfor isolerades av Henning Brand 1669 och var den första människan som isolerade ett element. Brand var en tysk alchemist från Hamburg och lyckades få en fosforförening från urin. För att göra detta samlade han urinen från 50 hinkar och tillät den att sönderdelas.

Brand avdunstade sedan urinen och erhöll en svartaktig rest, som han höll i flera månader. Till detta tillsatte han sand och värmde den och lyckades eliminera gaser och oljor. Slutligen erhöll han ett vitt fast ämne som glödde grönt i mörkret, som han kallade "kall eld."

Termen "fosfor" kommer sammanfallande från det grekiska ordet "fosfor" som betyder ljusbärare.

Brand publicerade inte sina experimentella resultat och sålde det till olika alkemister, inklusive: Johann Kraft, Kunckel Lowenstern och Wilhelm Leibniz. Troligtvis rapporterade några av dem Brands arbete till Paris Academy of Sciences och sprider därmed sin forskning.

Men Brand isolerade faktiskt inte fosfor, utan ammoniaknatriumfosfat. År 1680 förbättrade Robert Boyle Brands förfarande, genom vilket han kunde få en allotropisk form av fosfor (P ₄ ).

I benen

Johan Gottlieb Gahn och Carl Wihelm Scheele etablerade 1769 att en förening av fosfor, kalciumfosfat, hittades i ben. De avfettade benen utsattes för en process med matsmältning med starka syror, såsom svavelsyra.

Därefter upphettades produkten av matsmältningen i stålbehållare med kol och kol, varigenom man erhöll vit fosfor genom destillation i retorter. Benen var den viktigaste källan till fosfor fram till 1840, då de ersattes för detta ändamål med guano.

I guano

Guano är en blandning av fågeluttag och fågelnedbrytningsprodukter. Det användes som en källa till fosfor och gödselmedel på 1800-talet.

- Industriell utveckling

Fosfatbergarter användes 1850 som källa till fosfor. Detta, tillsammans med uppfinningen av den elektriska ugnen för kalcinerande stenar av James Burgess Readman (1888), gjorde PR: er till det huvudsakliga råvaran för fosfor- och gödselproduktion.

1819 inrättades tändsticksfabrikerna som började den industriella utvecklingen av användningen av fosfor.

Fysiska och kemiska egenskaper

Utseende

Beroende på allotropisk form kan den vara färglös, vaxartad, vit, gul, skarlakansröd, röd, lila eller svart.

Atomvikt

30.973 u

Atomnummer (Z)

femton

Smältpunkt

Vit fosfor: 44,15 ºC

Röd fosfor: ~ 590 ºC

Kokpunkt

Vit fosfor: 280,5 ºC

Densitet (rumstemperatur)

Vit: 1 823 g / cm ³

Röd: 2,2-2,34 g / cm ³

Violett: 2,36 g / cm ³

Svart: 2,69 g / cm ³

Smältvärme

Vit fosfor: 0,66 kJ / mol

Förångningsvärme

Vit fosfor: 51,9 kJ / mol

Molär kalorikapacitet

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

Oxidationstillstånd

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

Beroende på elektronegativiteten hos de element som det kombineras kan fosfor visa oxidationstillståndet +3 eller -3. Till skillnad från kväve tenderar fosfor att föredra att reagera företrädesvis med oxidationstillståndet +5; såsom är fallet med fosforpentoxid (P ₂ O ₅ eller P ₂ ⁵⁺ O ₅ ²⁺ ).

Elektronnegativitet

2.19 på Pauling-skalan

Joniseringsenergi

-Först: 1.101 kJ / mol

-Sekund: 2,190,7 kJ / mol

-Tredde: 2 914 kJ / mol

Värmeledningsförmåga

Vit fosfor: 0,236 W / (mK)

Svart fosfor: 12,1 W / (mK)

Det visas hur svart fosfor leder nästan sex gånger mer värme än vitt fosfor.

Magnetisk ordning

De vita, röda, lila och svarta fosforerna är diamagnetiska.

isotoper

Fosfor har 20 isotoper, de viktigaste är: ³¹ P, den enda stabila isotopen med ett överflöd på 100%; ³² P isotopemitter ß ^- och med en halveringstid på 14,28 dagar; och ³³ P, en ß-emitterande isotop ^- och med en halveringstid på 25,3 dagar.

Fosforescens

Vit fosfor är fosforescerande och avger ett grönt ljus i mörkret.

Allotropa förändringar

Vit fosfor är instabil och förändras vid temperaturer nära 250 ° C till en polymerform känd som röd fosfor, som kan variera från orange till lila i färg. Det är en amorf substans, men den kan bli kristallin; det glöder inte i mörkret eller brinner i luften.

Vitt fosfor vid höga temperaturer och tryck, eller i närvaro av katalysatorer, förvandlas till en annan polymerform än röd fosfor: svart fosfor. Detta är ett kristallint ämne med svart färg, inert, liknande grafit, och som har förmågan att leda elektricitet.

löslighet

Vit fosfor i ren form är olöslig i vatten, även om den kan solubiliseras i kolsulfid. Samtidigt är röda och svarta fosforer olösliga i vatten och är mindre flyktiga än vita fosforer.

Reaktivitet

Fosfor brinner spontant i luft till formen P ₂ O _5, som i sin tur kan reagera med tre vattenmolekyler för att bilda ortofosforsyra eller fosforsyra (H ₃ PO ₄ ).

Genom påverkan av varmt vatten kommer fosfin (PH ₃ ) och fosforoxidsyror.

Fosforsyra verkar på fosfatstenar och orsakar dihydrogenkalciumfosfat eller superfosfat.

Det kan reagera med halogener för att bilda halogenider PX ₃ , med X som representerar F, Cl, Br eller I; eller halogenider med formeln PX ₅ , där X är F, Cl eller Br.

Fosfor reagerar också med metaller och metalloider för att bilda fosfider och med svavel för att bilda olika sulfider. Å andra sidan binder det sig till syre för att skapa estrar. På samma sätt kombineras det med kol för att bilda organiska fosforföreningar.

Struktur och elektronisk konfiguration

- Länkar och tetraedrisk enhet

Fosforatomer har följande elektroniska konfiguration:

3s ² 3p ³

Den har därför fem valenselektroner, precis som kväve och de andra elementen i grupp 15. Eftersom det är ett icke-metalliskt element måste dess atomer bilda kovalenta bindningar tills valensoketeten är klar. Kväve uppnår detta genom att etablera sig som diatomära molekyler N ₂ , med en trippelbindning, N≡N.

Samma sak händer med fosfor: två av dess P-atomer bindning med en trippelbindning för att bilda P ₂ -molekylen , P≡P; det vill säga den difosfor allotropen. Fosfor har emellertid en högre atommassa än kväve, och dess 3p-orbitaler, mer diffusa än kvävans 2p, överlappar mindre effektivt; därför, P ₂ finns endast i det gasformiga tillståndet.

I stället föredrar P-atomerna vid rumstemperatur att organisera kovalent på ett annat sätt: i en tetraedrisk molekyl P ₄ :

P4 molekylära enheter i vita fosforkristaller. Källa: Benjah-bmm27 via Wikipedia.

Observera att i bilden framför allt har P-atomerna tre enkelbindningar istället för en trippelbindning. Sålunda, fosforn i P ₄ slutför dess valens oktett. Men i P ₄ finns spänningar i PP obligationer eftersom deras vinklar är långt ifrån 109.5º för blotta ögat.

- Allotropes

Vit fosfor

Samma bild av P ₄ enheter och deras instabilitet förklara varför vit fosfor är den mest instabila allotrope av detta element.

P ₄ enheter är arrangerade i rymden för att definiera en bcc kristall (α fas) under normala förhållanden. När temperaturen sjunker till -77,95 ºC förvandlas bcc-kristallen till en hcp (antagligen), tätare (ß-fas). Det vill säga, de P ₄ enheter är anordnade i två alternerande skikt, A och B, för att upprätta en ABAB … sekvens.

Röd fosfor

Kedjeliknande struktur för röd fosfor. Källa: Gabriel Bolívar.

I bilden ovan visas bara ett litet segment av den röda fosforstrukturen. Eftersom de tre enheterna är inriktade "symmetriskt" kan man säga att det är en kristallin struktur som erhålls genom att värma denna fosfor till över 250 ºC.

Röd fosfor består dock för det mesta av ett amorft fast ämne, så strukturen är smutsig. Sedan, de polymera kedjorna av P _{skulle 4} vara anordnad utan en skenbar mönster, vissa ovan och andra nedanför samma godtyckliga plan.

Observera att detta är den huvudsakliga strukturella skillnaden mellan vit och röd fosfor: i den första finns P4: _erna individuella och i den andra bildande kedjor. Detta är möjligt eftersom en av PP-bindningarna i tetrahedronen bryts för att binda till den angränsande tetrahedronen. Således reduceras ringspänningen och den röda fosforen får större stabilitet.

När det finns en blandning av båda allotroperna erbjuds det ögat som en gul fosfor; en blandning av tetraedra och amorfa fosforkedjor. I själva verket blir vit fosfor gulaktig när den utsätts för solens strålar, eftersom strålningen gynnar brytningen av PP-bindningen som redan nämnts.

Violett eller Hittorf fosfor

Molekylär struktur av violett fosfor. Källa: Kadmium på engelska Wikipedia

Violett fosfor är den slutliga utvecklingen av röd fosfor. Som framgår av bilden ovan består den fortfarande av en polymerkedja; men nu är strukturerna mer komplicerade. Det verkar som den strukturella enheten är inte längre P ₄ men P ₂ , anordnade på ett sådant sätt att de bildar oregelbundna pentagonal ringar.

Trots hur asymmetrisk strukturen ser ut lyckas dessa polymerkedjor ordna sig tillräckligt väl och med periodicitet för den violetta fosforen för att etablera monokliniska kristaller.

Svart fosfor

Struktur av svart fosfor sett från olika vinklar. Källa: Benjah-bmm27.

Och slutligen har vi den mest stabila fosforallotropen: den svarta. Det framställs genom att värma vitt fosfor under ett tryck av 12 000 atm.

I den övre bilden (nedan) kan man se att dess struktur, från ett högre plan, har en viss likhet med grafit; det är ett rent nätverk av sexkantiga ringar (även om de ser ut som rutor).

I det övre vänstra hörnet av bilden kan det som just har kommenterats uppskattas bättre. P-atomernas molekylära omgivningar är trigonala pyramider. Observera att strukturen sett från sidan (övre högra hörnet) är arrangerad i lager som passar en över varandra.

Strukturen för svart fosfor är ganska symmetrisk och ordnad, vilket överensstämmer med dess förmåga att etablera sig som orthorhombiska kristaller. Staplingen av deras polymerskikt gör P-atomerna inte tillgängliga för många kemiska reaktioner; och det är därför det är betydligt stabilt och inte särskilt reaktivt.

Även om det är värt att nämna är Londons spridningskrafter och molmassorna av dessa fosforhaltiga fasta substanser det som styr några av deras fysiska egenskaper; medan dess strukturer och PP-bindningar definierar de kemiska och andra egenskaperna.

Var att hitta och få

Apatit och fosforit

Det är det tolfte elementet i jordskorpan och representerar 0,1 viktprocent. Det finns cirka 550 mineraler som innehåller fosfor, apatit är det viktigaste mineralet för att få fosfor.

Apatite är ett mineral av fosfor och kalcium som kan innehålla varierande mängder fluor, klorid och hydroxid, vars formel är följande: Förutom apatit finns det andra fosformineraler av kommersiell betydelse; detta är fallet med wavelite och vivianita.

Fosfatberg eller fosforit är den viktigaste källan till fosfor. Det är ett icke-detritalt sedimentärt berg som har ett fosforinnehåll på 15-20%. Fosfor är vanligen närvarande som Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ F ₂ (fluorapatit). Det är också närvarande som hydroxyapatit, även om det i mindre utsträckning.

Dessutom kan fluoroapatit hittas som en del av stolliga och metamorfa bergarter, liksom kalkstenar och schister.

Elektrotermisk reduktion av fluoroapatit

De valda fosfatbergarna överförs till behandlingsanläggningen för bearbetning. Ursprungligen krossas de för att erhålla bergfragment som sedan malas i kulkvarnar med 70 varv per minut.

Därefter siktas produkten från slipning av bergfragmenten för att kunna fraktionera dem. Dessa fraktioner med en halt av 34% fosfor väljs som fosforpentoxid (P ₂ O ₅ ).

Vita fosfor (P ₄ ) erhålls industriellt genom den elektrotermiska reduktionen av fluorapatit med kol vid en temperatur av 1500 ° C i närvaro av kiseloxid:

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

P ₄ i gasformigt tillstånd, efter kondenserande, samlas in och lagras som ett vitt fast nedsänkt i vatten för att förhindra den från att reagera med extern luft.

Alloys

koppar

Fosforkåpan tillverkas med olika procent av koppar och fosfor: Cu 94% - P 6%; Cu 92% - P 8%; Cu 85% - P 15%, etc. Legeringen används som avoxidiseringsmedel, vätmedel för kopparindustrin och även som en kärnkraft i aluminiumindustrin.

Brons

Det är koppar, fosfor och tennlegeringar som innehåller 0,5 - 11% fosfor och 0,01 - 0,35% tenn. Tenn ökar motståndet mot korrosion, medan fosfor ökar legeringens slitstyrka och ger den styvhet.

Det används vid tillverkning av fjädrar, bultar och i allmänhet i artiklar som kräver motståndskraft mot trötthet, slitage och kemisk korrosion. Användningen rekommenderas i propellerna på båtarna.

Nickelpläterad

Den mest kända legeringen är NiP ₂₀ , där fosfornickel används i hårdlödningslegeringar för att förbättra deras motståndskraft mot kemisk erosion, oxidation och höga temperaturer.

Legeringen används i gasturbin- och jetmotorkomponenter, elektroplätering och vid tillverkning av svetselektroder.

risker

Vit fosfor orsakar allvarliga hudförbränningar och är ett kraftfullt gift som kan vara dödligt i doser av 50 mg. Fosfor hämmar cellulär oxidation, vilket stör den cellulära syrehanteringen, vilket kan leda till fet degeneration och celldöd.

Akut fosforförgiftning ger magsmärta, brännande, vitlök-luktande andetag, fosforescerande kräkningar, svettningar, muskelkramper och till och med ett chockstillstånd under de första fyra dagarna efter intag.

Senare manifesterades gulsot, petechiae, blödning, hjärtinfarkt med arytmier, förändring av centrala nervsystemet och död den tionde dagen efter intag.

Den mest uppenbara manifestationen av kronisk fosforförgiftning är skador på benstrukturen i käken.

En ökning av plasmafosforkoncentrationen (hyperfosfatemi) förekommer vanligtvis hos patienter med njursvikt. Detta orsakar en onormal deponering av fosfater i mjuka vävnader, vilket kan leda till vaskulär dysfunktion och hjärt-kärlsjukdom.

tillämpningar

Fosfor är ett viktigt element för växter och djur. Det är en av de tre huvudsakliga näringsämnena hos växter, som är nödvändig för deras tillväxt och energibehov. Dessutom är det en del av nukleinsyror, fosfolipider, mellanprodukter av metaboliska processer, etc.

I ryggradsdjur finns fosfor i ben och tänder i form av hydroxylapatit.

- Elementärt fosfor

En låda med matcher eller "match". Källa: Pxhere.

Med fosfor tillverkas en kemisk emalj som används för att belysa tecken placerade på aluminium och dess legeringar; liksom i fosforkoppar och brons.

Det används också för att göra brandbomber, granater, rökbomber och spårkulor. Röd fosfor används för att göra tändstickor eller säkerhetsmatchningar.

Vit fosfor används för att framställa organofosfater. Dessutom används den för produktion av fosforsyra.

En stor mängd av de fosfor produceras förbränns för produktion av fosfortetraoxid (P ₄ O ₁₀ ), erhölls som ett pulver eller en fast substans.

- Föreningar

fosfin

Det är råmaterialet för utarbetande av olika fosforföreningar. Det fungerar som ett dopingagent för elektroniska komponenter.

Fosforsyra

Det används i produktionen av läskedrycker på grund av den karakteristiska smaken den ger dem. Det verkar på fosfatstenar för att bilda dihydrogen kalciumfosfat, även känt som superfosfat, som används som gödningsmedel.

Fosforsyra är ett konditioneringselement i tandemaljen för att underlätta vidhäftningen av dina restaureringsmaterial. Det används också blandat med olja, urea, tjära, bitumen och sand för att bilda asfalt; material som används för reparation av landkommunikationsvägar.

organofosfater

Organofosfatföreningar har många tillämpningar; såsom: flamskyddsmedel, bekämpningsmedel, extraktionsmedel, nervverkande medel och för vattenbehandling.

Dihydrogen kalciumfosfatdihydrat

Det används som gödselmedel, bakpulver, fodertillsats och för att göra tandkräm.

Fosforpentoxid

Det används i kemisk analys som ett dehydratiseringsmedel och i organisk syntes som kondensationsmedel. Föreningen är främst avsedd för framställning av ortofosforsyra.

Natriumtripolyfosfat

Det används i tvättmedel och som en mjukgörare, vilket förbättrar rengöringsmedlets verkan och hjälper till att förhindra korrosion av rör.

Trinatriumfosfat

Det används som rengöringsmedel och mjukgörare.

Natriumfosfater

Dibasiskt natriumfosfat (Na ₂ HPO ₄ ) och monobasiskt natriumfosfat (NaH ₂ PO ₄ ) är komponenterna i ett pH-buffertsystem, som till och med verkar i levande varelser; inklusive människor.

referenser

1. Reid Danielle. (2019). Allotropes av fosfor: former, användningar och exempel. Studie. Återställd från: study.com
2. Professor Robert J. Lancashire. (2014). Föreläsning 5c. Elementens struktur, fortsättning P, S och I. Återställd från: chem.uwimona.edu.jm
3. BYJU talet. (2019). Rött fosfor. Återställd från: byjus.com
4. Bing Li, Ceng-Ceng Ren, Shu-Feng Zhang, et al. (2019). Elektroniska strukturella och optiska egenskaper hos flerskiktsblått fosfor: en första principstudie. Journal of Nanomaterials, vol. 2019, artikel ID 4020762, 8 sidor. doi.org/10.1155/2019/4020762
5. Dr. Dough Stewar. (2019). Fakta om fosforelement. Chemicool. Återställd från: chemicool.com
6. Wikipedia. (2019). Fosfor. Återställd från: en.wikipedia.org
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (03 juli 2019). Fosforfakta (atomnummer 15 eller element symbol P). Återställd från: thoughtco.com
8. Linus Pauling Institute. (2019). Fosfor. Återställs från: lpi.oregonstate.edu
9. Bernardo Fajardo P. & Héctor Lozano V. (nd). Nationell fosfatbergbehandling för superfosfatproduktion. . Återställd från: bdigital.unal.edu.co
10. Redaktörerna för Encyclopaedia Britannica. (16 november 2018). Fosfor Chemical Element. Encyclopædia Britannica. Återställd från: britannica.com
11. Reade International Corp. (2018). Kopparfosforlegering (CuP) -legering. Återställd från: reade.com
12. KBM Affilips. (27 december 2018). Nickel Phosphorus (NiP) Master Alloy. AZoM. Återställd från: azom.com
13. Lenntech BV (2019). Periodisk tabell: fosfor. Återställd från: lenntech.com
14. Abhijit Naik. (21 februari 2018). Fosforanvändningar. Återställd från: sciencestruck.com