Фосфор в чистом виде

Фосфор в чистом виде

Одним из наиболее важных биогенных элементов признан именно фосфор. Его отсутствие делает невозможным жизнедеятельность многих живых организмов, в том числе и человеческого, поскольку он содержится в белках, фосфолипидах, и многих других органических соединениях, среди которых АТФ и ДНК. Одновременно с этим неорганика фосфора является богатой разнообразными молекулами. Участвует в образовании свыше 200 минералов, из которых наиболее приоритетными являются фосфорит и апатит.

Фосфором называется химический элемент, название которого с древнегреческого означает «светоносный». В периодической системе Менделеева фосфор занял место в 15-й группе третьего периода. Он относится к группе химических элементов под названием пниктогены.

Существует несколько версий открытия данного элемента. Наиболее раннее упоминание о существовании фосфора можно найти в алхимических записях, которые датируются 12 веком. Само название элемента в подобных работах отсутствует, однако, можно встретить сведения о получении неизвестного «светящегося» вещества.

По официально версии фосфор был открыт в 1669 году обанкротившимся торговым купцом, пытающимся найти философский камень. Произошло это случайно во время многократного прокаливания мочи человека, в результате чего было образовано вещество, от которого исходил яркий свет.

Получение фосфора

Современные ученые владеют многими методами, посредством которых можно синтезировать фосфор. Наиболее популярным считается его восстановление из минералов, в составе которых он содержится. Как правило, таковыми являются апатиты или фосфориты, взаимодействующие с коксом и кремнеземом в достаточно высоких температурных условиях (порядка 1600 0 С). Производство фосфора, в данном случае, осуществляется в специальных печах.

В природе данный химический элемент широко распространен. Фосфор обладает очень сильной химической активностью, в связи с чем не встречается в свободном состоянии. Он содержится в земной коре и воде, однако к наиболее крупным его запасам во всем мире относятся морские фосфориты наряду с продуктами их выветривания. Ученые считают, что последние имеют океаническое происхождение.

Так, фосфаты формировались путем разных органических и неорганических процессов на протяжении очень продолжительного времени в прибрежных регионах пояса пассатов. Фосфаты аккумулировались из внешней среды, что привело к многократному увеличению концентрации фосфоритов в месторождении.

Сегодня наиболее крупные такие месторождения находятся на территории Марокко, а также Западной Сахары, Америки, Китая, Туниса, Казахстана. Пальма первенства в этом принадлежит именно Марокко – на долю этой страны приходится 70% от всех запасов фосфатов в мире. Но, не смотря на это, среди стран-производителей фосфора Марокко расположилась на втором месте, пропустив вперед США. По данным на 2002 г. в мире из года в год добывается порядка 135 млн. тонн данного вещества.

Стоит отметить, что не все месторождения данного вещества могут называться промышленными. Таковыми принято считать только те, из 1 га которых можно получить фосфатную породу в количестве минимум 6000 тонн и более. Добыча фосфата осуществляется в открытых карьерах с применением скребковых экскаваторов. Первым делом происходит очистка от песчаных наносов и пустых пород, после чего и начинается извлечение фосфатной руды, путь которой к обогатительным фабрикам пролегает по стальным трубам. Стоит сказать, что таким образом руда может преодолевать расстояния в несколько километров.

В морской воде вид данного вещества несколько отличается от других мест его нахождения. Так в водной среде фосфор представлен ортофосфат-анионом, концентрация которого, в среднем, насчитывает около 0,07 мг 3 /л. Общий океанический объем фосфора составляет 9,8*1010 тонн.

Применение фосфора

Таблица 1. Применение фосфора и его соединений

Вещества Область применения
Белый фосфор Получение красного фосфора, зажигательных и дымообразующих веществ, в металлургии.
Красный фосфор В производстве спичек: P+KCLO3+S+MnO2+Fe2O3
P2O5 Получение фосфорной кислоты
H3PO4 Получение фосфорных солей и удобрений
Используются в качестве фосфорных удобрений в сельском хозяйстве

Сфер человеческой деятельности, в которых применяется фосфор и его соединения, колоссальное множество. Это связано, прежде всего, с тем, что как само вещество, так и его соединения, принимают очень важное, неотъемлемое, участие в биологических процессах живых организмов.

Кроме этого, с участием данного химического элемента осуществляется производство такого очень известного предмета, которым пользуется каждый человек, как спички. С его участием изготавливаются взрывчатые соединения, зажигательные бомбы, некоторые виды топлива, смазочные материалы. Использование фосфора уместно для производства антикоррозионных материалов, при производстве ламп накаливания, в качестве средства для снижения жесткости воды, а также для поглощения газов. Кроме этого, фосфор является распространенным веществом, применяемым в сельском хозяйстве в качестве материала для удобрения почвы. Также он является активным участником химических синтезов во время производства различных веществ.

Читайте также:  Без пуриновая диета

Ну и ко всему стоит добавить, что фосфор – это жизненно необходимый элемент, на котором основывается синтез ДНК, РНК и фосфолипидов

Соединения фосфора:

Фосфор (несущий свет) впервые был получен арабским алхимиком Ахад Бехилем в 12 веке. Из европейских ученых первым открыл фосфор немец Хенниг Брант в 1669 г., во время проведения опытов с человеческой мочой в попытках извлечь из нее золото (ученый полагал, что золотистый цвет мочи вызван присутствием частичек золота). Несколько позже фосфор был получен И. Кункелем и Р. Бойлем — последний описал его в своей статье «Способ приготовления фосфора из человеческой мочи» (14.10.1680; работа была опубликована в 1693 г.). Позже Лавуазье доказал, что фосфор является простым веществом.

Содержание фосфора в земной коре составляет 0,08% по массе — это один из самых распространенных химических элементов на нашей планете. По причине своей высокой активности, фосфор в свободном состоянии в природе не встречается, но входит в состав почти 200 минералов, самыми распространенными из которых являются апатит Ca5(PO4)3(OH) и фосфорит Ca3(PO4)2.

Фосфор играет немаловажную роль в жизни животных, растений и человека — он входит в состав такого биологического соединения, как фосфолипид, также присутствует в белковых и других таких важнейших органических соединениях, как ДНК и АТФ.


Рис. Строение атома фосфора.

Атом фосфора содержит 15 электронов, и имеет схожую с азотом электронную конфигурацию внешнего валентного уровня (3s 2 3p 3 ), но у фосфора по сравнению с азотом менее выражены неметаллические свойства, что объясняется наличием свободной d-орбитали, большим радиусом атома и меньшей энергией ионизации.

Вступая в реакции с другими химическими элементами, атом фосфора может проявлять степень окисления от +5 до -3 (наиболее характерна степень окисления +5, остальные встречаются достаточно редко).

  • +5 — оксид фосфора P2O5(V); фосфорная кислота (H3PO4); фосфаты, галогениды, сульфиды фосфора V (соли фосфорной кислоты);
  • +3 — P2O3(III); фосфористая кислота (H3PO3); фосфиты, галогениды, сульфиды фосфора III (соли фосфористой кислоты);
  • 0 — P;
  • -3 — фосфин PH3; фосфиды металлов.

В основном (невозбужденном) состоянии у атома фосфора на внешнем энергетическом уровне находится два спаренных электрона на s-подуровне + 3 неспаренных электрона на p-орбиталях (d-орбиталь свободна). В возбужденном состоянии один электрон с s-подуровня переходит на d-орбиталь, что расширяет валентные возможности атома фосфора.


Рис. Переход атома фосфора в возбужденное состояние.

Два атома фосфора объединяются в молекулу P2 при температуре порядка 1000°C.

При более низких температурах фосфор существует в четырехатомных молекулах P4, а также в более устойчивых полимерных молекулах P.

Аллотропные модификации фосфора:

  • Белый фосфор — чрезвычайно ядовитое (летальная доза белого фосфора для взрослого человека составляет 0,05—0,15 г) воскоподобное вещество с запахом чеснока, без цвета, люминисцирующее в темноте (процесс медленного окисления в P4O6); высокая реакционная способность белого фосфора объясняется некрепкими связями Р-Р (у белого фосфора молекулярная кристаллическая решетка с формулой P4, в узлах которой расположены атомы фосфора), которые достаточно легко разрываются, в результате чего белый фосфор при нагревании или в процессе длительного хранения переходит в более устойчивые полимерные модификации: красный и черный фосфор. По этим причинам белый фосфор хранят без доступа воздуха под слоем очищенной воды или в специальных инертных средах.
  • Желтый фосфор — огнеопасное, сильно ядовитое вещество, в воде не растворяется, легко окисляется на воздухе и самовозгорается, при этом горит ярко-зеленым ослепительным пламенем с выделением густого белого дыма.
  • Красный фосфор — полимерное, нерастворимое в воде вещество со сложной структурой, обладающее наименее реакционной способностью. Красный фосфор широко применяется в промышленном производстве, т. к. не так сильной ядовит. Поскольку на открытом воздухе красный фосфор, впитывая влагу, постепенно окисляется с образованием гигроскопичного оксида ("отсыревает"), образует вязкую фосфорную кислоту, поэтому, красный фосфор хранится в герметически закрытой таре. В случае отмокания красный фосфор очищают от остатков фосфорной кислоты путем промывания водой, затем высушивают и используют по назначению.
  • Черный фосфор — жирное на ощупь графитоподобное вещество серо-черного цвета, обладающее полупроводниковыми свойствами — наиболее устойчивая модификация фосфора со средней реакционной способностью.
  • Металлический фосфор получают из черного фосфора под высоким давлением. Металлический фосфор очень хорошо проводит электрический ток.

Химические свойства фосфора

Из всех аллотропных модификаций фосфора самой активной является белый фосфор (P4). Зачастую в уравнении химических реакций пишут просто P, а не P4. Поскольку, фосфор, как и азот, имеет много вариантов степеней окисления, то в одних реакциях он является окислителем, в других — восстановителем, в зависимости от веществ, с которыми он взаимодействует.

Читайте также:  Всаа ультимат нутришн 12000

Окислительные свойства фосфор проявляет в реакциях с металлами, которые протекают при нагревании с образованием фосфидов:
3Mg + 2P = Mg3P2.

Фосфор является восстановителем в реакциях:

  • с более электроотрицательными неметаллами (кислородом, серой, галогенами):
  • соединения фосфора (III) образуются при недостатке окислителя
    4P + 3O2 = 2P2O3
  • соединения фосфора (V) — при избытке: кислорода (воздуха)
    4P + 5O2 = 2P2O5
  • с галогенами и серой фосфор образует галогениды и сульфид 3-х или 5-ти валентного фосфора, в зависимости от соотношения реагентов, которые берутся в недостатке или избытке:
    • 2P+3Cl2(нед.) = 2PCl3 — хлорид фосфора (III)
    • 2P+3S(нед.) = P2S3 — сульфид фосфора (III)
    • 2P+5Cl2(изб.) = 2PCl5 — хлорид фосфора (V)
    • 2P+5S(изб.) = P2S5 — сульфид фосфора (V)
    • с концентрированной серной кислотой:
      2P+5H2SO4 = 2H3PO4+5SO2↑+2H2O
    • с конецнтрированной азотной кислотой:
      P+5HNO3 = H3PO4+5NO2↑+H2O
    • с разбавленной азотной кислотой:
      3P+5HNO3+2H2O = 3H3PO4+5NO↑
    • Фосфор выступает одновременно и окислителем, и восстановителем в реакциях диспропорционирования с водными растворами щелочей при нагревании, образуя (кроме фосфина) гипофосфиты (соли фосфорноватистой кислоты), в которых проявляет нехарактерную для себя степень окисления +1:
      4P 0 +3KOH+3H2O = P -3 H3↑+3KH2P +1 O2

      НАДО ЗАПОМНИТЬ: с другими кислотами, кроме указанных выше реакций, фосфор не реагирует.

      Получение и применение фосфора

      Промышленным способом фосфор получают путем его восстановления коксом из фосфоритов (фторапататиов), в состав которых входит фосфат кальция, прокаливая в электропечах при температуре 1600°C с добавлением кварцевого песка:
      Ca3(PO4)2 + 5C + 3SiO2 = 3CaSiO3 + 2P + 5CO.

      На первом этапе реакции под действием высокой температуры оксид кремния (IV) вытесняет оксид фосфора (V) из фосфата:
      Ca3(PO4)2 + 3SiO2 = 3CaSiO3 + P2O5.

      Затем оксид фосфора (V) восстанавливается углём до свободного фосфора:
      P2O5+5C = 2P+5CO.

      Применение фосфора:

      Если вам понравился сайт, будем благодарны за его популяризацию 🙂 Расскажите о нас друзьям на форуме, в блоге, сообществе. Это наша кнопочка:

      Код кнопки:
      Политика конфиденциальности Об авторе

      В Парижской библиотеке хранится манускрипт по алхимии, в котором описано открытие фосфора. Если верить документу, выделить элемент в чистом виде впервые удалось Алхид Бахилу.

      Он жил в 12-ом веке. Фосфор мужчина получил, перегоняя мочу с известью и глиной . Алхимик назвал светящееся вещество эскарбуклем. Современное имя элементу дал Хеннинг Бранд.

      Он соединил греческие слова «свет» и «несу». Немец выделил белый фосфор в 1669-ом году, задокументировав свою заслугу, выступив перед ученым сообществом.

      Хеннинг Бранд, как и Алхид Бахил, воспользовался выпаренной мочой, но нагревал ее с белым песком. В 17-ом веке, да и в 12-ом, свечение полученного вещества казалось чудом. У современников на физические свойства фосфора иной взгляд.

      Физические и химические свойства фосфора

      Элемент фосфор светится из-за процессов окисления. Взаимодействие с кислородом проходит быстро, возможно самовоспламенение.

      Скорое и обильное высвобождение химической энергии приводит к ее переходу в энергию света. Процесс проходит даже при комнатной температуре.

      Вот и секрет сияния фосфора. Кислород проще всего реагирует с белой модификацией элемента. Ее можно перепутать с воском, свечным парафином. Плавится вещество уже при 44-х градусах Цельсия.

      Свойства фосфора белого цвета отличаются от свойств других модификаций элемента. Они, к примеру, не токсичны.

      Бесцветный же фосфор ядовит, нерастворим в воде. Ей, как правило, и блокируют окисление порошка. Не вступая в реакцию с водой, белый фосфор легко растворяется органике, к примеру, сероуглероде.

      В первой модификации вещество фосфор наименее плотное. На кубический метр приходится лишь 1 800 граммов. При этом, смертельной дозой для взрослого человека является всего 0,1 грамм.

      Еще ядовитее желтый фосфор. По-сути, это разновидность белого, но не очищенная. Плотность вещества та же, воспламеняемость тоже.

      Температура плавления чуть ниже – 34 градуса. Закипает элемент при 280-ти по шкале Цельсия. За счет загрязнений, при горении выделяется густой дым. С водой желтый фосфор, как и белый, в реакцию не вступает.

      Существует еще красный фосфор. Его впервые получили в 1847-ом году. Австрийский химик Шреттер нагрел белую модификацию элемента до 500-от градусов в атмосфере угарного газа.

      Реакция проводилась в герметичной колбе. Полученный вид фосфора оказался термодинамически стабильным. Вещество растворяется разве что в некоторых расплавленных металлах.

      Воспламениться атом фосфора может лишь при прогреве атмосферы до 250 градусов Цельсия. Альтернатива – активное трение, или сильный удар.

      Цвет красного фосфора бывает не только алым, но и фиолетовым. Свечение отсутствует. Почти отсутствует и ядовитость. Токсичное действие красной модификации элемента минимально. Поэтому, именно алый фосфор широко используют в промышленности.

      Читайте также:  Жим гантелей параллельным хватом

      Предпоследняя модификация элемента – черная. Получена в 1914-ом году, является самой стабильной. У вещества металлический блеск. Поверхность черного фосфора лоснится, похожа на графит .

      Модификация не поддается ни одному растворителю, воспламеняется лишь в атмосфере, прогретой до 400-от градусов. Масса фосфора черного наиболее велика, как и плотность. Вещество «рождается» из белого при давлении в 13 000 атмосфер.

      Если довести давление до сверхвысокого, появляется последняя, металлическая модификация элемента. Ее плотность достигает почти 4-х граммов на кубический сантиметр. Формула фосфора не меняется, но преобразуется кристаллическая решетка. Она становится кубической. Вещество начинает проводить электрический ток.

      Применение фосфора

      Оксид фосфора служит дымообразующим средством. Воспламеняясь, желтая модификация элемента дает густую завесу, что пригождается в оборонной промышленности.

      В частности, фосфор добавляют в трассирующие пуля. Оставляя за собой дымный след, они позволяют корректировать направление, точность посылов. «Дорожка» сохраняется на протяжении километра.

      В военной промышленности фосфор нашел место, так же, как воспламенитель. В этой роли элемент выступает и в мирных целя. Так, красную модификации используют при изготовлении спичек. Смазкой в них служит пара фосфор-сера, то есть, сульфид 15-го элемента таблицы Менделеева .

      Хлорид фосфора нужен при производстве пластификаторов. Так называют добавки, увеличивающие пластичность пластмасс и прочих полимеров. Хлорид закупают и аграрии. Они примешивают вещество к инсектицидам.

      Их применяют для уничтожения вредителей на полях, в частности, насекомых. Опрыскивают посадки и пестицидами. В них присутствует уже дуэт кальций-фосфор или же фосфиды цинка .

      Если насекомых с помощью фосфорных смесей убивают, то растения – взращивают. Так, пары азот-фосфор и калий-фосфор – завсегдатаи удобрений. 15-ый элемент питает насаждения, ускоряет их развитие, повышает урожайность. Фосфор необходим и человеку.

      В костях, нуклеиновых цепочках, белках, его скрыто примерно 800 граммов. Не зря же элемент был впервые добыт путем перегонки мочи. Запасы организма требуют ежедневного пополнения в размере 1,2-1,5 граммов. Они поступают с морепродуктами, бобовыми, сырами и хлебом.

      Кислоты фосфора добавляют в продукты и искусственным путем. Зачем? Разбавленная фосфорная кислота служит усилителем вкуса для сиропов, мармеладов и газированных напитков. Если в составе продукта указана Е338, речь идет о соединении с участием 15-го элемента таблицы Менделеева.

      Применение фосфора природа не связала с его свечением. Человек же сделал упор именно на это свойство. Так, львиная доля запасов элемента идет на производство красок. Составы для машин еще и защищают их от коррозии. Изобретены краски для стекла и глянцевых поверхностей. Есть варианты для дерева, бетона, пластика.

      Без 15-го элемента не обходятся многие синтетические моющие средства. В них содержится магний. Фосфор связывает его ионы.

      Иначе, эффективность составов снижается. Без 15-го элемента снижается и качество некоторых сталей. Их основа – железо. Фосфор – лишь лигатура .

      Добавка увеличивает прочность сплава. В низколегированных сталях фосфор нужен для облегчения их обработки и увеличении сопротивляемости коррозии.

      Добыча фосфора

      В таблице Менделеева фосфор 15-ый, но по распространенности на Земле – 11-ый. Вещество не редко и за пределами планеты. Так, в метеоритах содержится от 0,02 до 0,94% фосфора. Он найден и в образцах грунта, взятых с Луны.

      Земные представители элемента – 200 минерал, созданные природой на его основе. В чистом виде фосфор не встречается. Даже в литосфере он представлен ортофосватом, то есть, окислен до высшей степени.

      Чтобы выделить чистый элемент промышленники работают с фосфатом кальция. Его получают из фосфоритов и втораппатитов. Это 2 минерала, наиболее богатые 15-ым элементом. После реакции восстановления, остается 100-процентный фосфор.

      В качестве восстановителя выступает кокс, то есть углерод. Кальций, при этом, связывают кварцевым песком. Все это специалисты проделывают в электропечах. То есть, процесс выделения фосфора относится к электротермическим.

      Таково получение белого или желтого фосфора. Все зависит от степени очистки. Что нужно сделать, чтобы перевести продукт в красную, черную, металлическую модификации, описано в главе «Химические и физические свойства элемента».

      Цена фосфора

      Есть фирмы и магазины, специализирующиеся на поставках химического сырья. Фосфор, как правило, предлагают в упаковках по 500 граммов и килограмму. За красную модификацию весом в 1 000 граммов просят около 2 000 рублей.

      Белый фосфор предлагают реже и по цене примерно на 30-40% дешевле. Черная и металлическая модификации дорогостоящие и реализуются, как правило на заказ через крупные предприятия-производители.

      Ссылка на основную публикацию
      Формула серотонина картинка
      Пасмурные осенние дни вгоняют вас в депрессию? Хочется забиться в теплый угол и ничего не делать? Возможно, вам просто не...
      Фитнес занятия для мам с детьми
      Полноценное развитие малыша невозможно без достаточного количества движений. В физическое воспитание детей раннего возраста входит: обучение правильной ходьбе, развитие чувства...
      Фитнес занятия для пожилых
      Многие считают, что пожилой возраст и физическая активность – несовместимые понятия, ведь пожилым людям сложно заниматься спортом из-за хронических болезней...
      Формула спорта пятигорск
      Откройте формулу здоровья! Formula Sport Club — это идеальное место для создания тела своей мечты. Современно оборудованный тренажёрный зал в...
      Adblock detector