- история
- - Открытие
- В моче
- В костях
- В гуано
- - Индустриальное развитие
- Физические и химические свойства
- Внешность
- Атомный вес
- Атомный номер (Z)
- Температура плавления
- Точка кипения
- Плотность (комнатная температура)
- Теплота плавления
- Теплота испарения
- Молярная калорийность
- Состояния окисления
- Электроотрицательность
- Энергия ионизации
- Теплопроводность
- Магнитный заказ
- Изотопы
- фосфоресценция
- Аллотропические изменения
- Растворимость
- Реактивность
- Структура и электронная конфигурация
- - Звенья и тетраэдрический блок
- - Аллотропы
- Белый фосфор
- Красный фосфор
- Фиолетовый или люминофор Hittorf
- Черный фосфор
- Где найти и получить
- Апатит и фосфорит
- Электротермическое восстановление фторапатита
- сплавы
- содержащий медь
- бронза
- Никелированная
- риски
- Приложения
- - Элементный фосфор
- - Соединения
- фосфин
- Фосфорная кислота
- Фосфорорганические
- Дигидрат дигидрата фосфата кальция
- Пятиокись фосфора
- Триполифосфат натрия
- Тринатрийфосфат
- Фосфаты натрия
- Ссылки
Люминофора является неметаллическим элементом , который представлен химический символ P и имеет атомный номер 15. Он состоит из трех основных аллотропных форм: белый, красный фосфор и черный. Белый фосфор фосфоресцирует, самопроизвольно горит при контакте с воздухом, а также очень ядовит.
Белый фосфор при температуре 250 ºC становится красным фосфором; нерастворимая полимерная форма, не горящая на воздухе. При высоких температурах и давлениях, а также при наличии или отсутствии катализаторов получается черный фосфор, напоминающий графит и являющийся хорошим проводником электричества.
Белый фосфор хранят в бутылке с водой. Источник: W. Oelen
Фосфор был впервые выделен Х. Брандом в 1669 году. Для этого он использовал мочу как источник этого элемента. В 1770 году В. Шееле обнаружил, что он также может выделять фосфор из костей.
Позже, в связи с созданием электропечи Дж. Берджессом Ридманом (1800 г.), фосфатные породы стали основным источником производства фосфора из присутствующего в них минерала фторапатита.
Фосфор является двенадцатым элементом земной коры по распространенности, составляя 0,1% от его веса. Более того, это шестой элемент в изобилии в человеческом теле; в основном сосредоточен в костях в виде гидроксилапатита.
Следовательно, он является важным элементом для живых существ и одним из трех основных питательных веществ растений. Фосфор входит в химическую структуру нуклеиновых кислот; соединений-накопителей энергии (АТФ), коферментов; и в целом соединения метаболизма.
история
- Открытие
В моче
Картина Джозефа Райта из Дерби, иллюстрирующая открытие фосфора. Источник: Джозеф Райт из Дерби
Фосфор был выделен Хеннингом Брэндом в 1669 году, став первым человеком, выделившим элемент. Бранд был немецким алхимиком из Гамбурга, которому удалось получить соединение фосфора из мочи. Для этого он собрал мочу из 50 ведер и дал ей разложиться.
Затем Бранд выпарил мочу и получил черноватый осадок, который хранил в течение нескольких месяцев. К этому он добавил песок и нагрел его, удалив газы и масла. Наконец, он получил белое твердое вещество, которое светилось зеленым в темноте, которое он назвал «холодным огнем».
Термин «фосфор» по совпадению произошел от греческого слова «фосфор», что означает носитель света.
Бранд не публиковал результаты своих экспериментов и продавал их различным алхимикам, включая Иоганна Крафта, Кункеля Ловенштерна и Вильгельма Лейбница. Вероятно, некоторые из них сообщили о работе Бранда в Парижской академии наук, тем самым распространив свои исследования.
Однако на самом деле Бранд выделил не фосфор, а фосфат аммиака и натрия. В 1680 году Роберт Бойль усовершенствовал процедуру Брэнда, с помощью которой он смог получить аллотропную форму фосфора (P 4 ).
В костях
Йохан Готтлиб Ган и Карл Вихельм Шееле в 1769 году установили, что в костях было обнаружено соединение фосфора - фосфат кальция. Обезжиренные кости подвергались процессу переваривания сильными кислотами, такими как серная кислота.
Затем продукт сбраживания нагревали в стальных емкостях с углем и углем, получая белый фосфор путем перегонки в ретортах. Кости были основным источником фосфора до 1840 года, когда они были заменены для этой цели гуано.
В гуано
Гуано представляет собой смесь птичьего помета и продуктов разложения птиц. Он использовался как источник фосфора и удобрений в 19 веке.
- Индустриальное развитие
Фосфатные породы начали использовать в 1850 году в качестве источника фосфора. Это, вместе с изобретением Джеймсом Берджессом Ридманом (1888 г.) электрической печи для обжига горных пород, сделало ПП основным сырьем для производства фосфора и удобрений.
В 1819 году были открыты спичечные фабрики, положившие начало промышленному освоению фосфора.
Физические и химические свойства
Внешность
В зависимости от аллотропной формы он может быть бесцветным, восково-белым, желтым, алым, красным, пурпурным или черным.
Атомный вес
30 973 ю
Атомный номер (Z)
15
Температура плавления
Белый фосфор: 44,15 ºC
Красный фосфор: ~ 590 ºC
Точка кипения
Белый фосфор: 280,5 ºC
Плотность (комнатная температура)
Белый: 1823 г / см 3
Красный: 2,2-2,34 г / см 3
Фиолетовый: 2,36 г / см 3
Черный: 2,69 г / см 3
Теплота плавления
Белый фосфор: 0,66 кДж / моль
Теплота испарения
Белый фосфор: 51,9 кДж / моль
Молярная калорийность
Белый фосфор: 23,824 Дж / (моль · К)
Состояния окисления
-3, -2, -1, +1, +2, +3 , +4 и +5
В зависимости от электроотрицательности элементов, с которыми он сочетается, фосфор может иметь степень окисления +3 или -3. Фосфор, в отличие от азота, имеет тенденцию реагировать преимущественно со степенью окисления +5; это случай пятиокиси фосфора (P 2 O 5 или P 2 5+ O 5 2+ ).
Электроотрицательность
2,19 по шкале Полинга
Энергия ионизации
-Первый: 1101 кДж / моль
-Второй: 2190,7 кДж / моль
-Третий: 2914 кДж / моль
Теплопроводность
Белый фосфор: 0,236 Вт / (м · К)
Черный люминофор: 12,1 Вт / (м · К)
Показано, как черный фосфор проводит почти в шесть раз больше тепла, чем белый фосфор.
Магнитный заказ
Белый, красный, пурпурный и черный люминофор диамагнитны.
Изотопы
Фосфор состоит из 20 изотопов, основными из которых являются: 31 P, единственный стабильный изотоп с содержанием 100%; Эмиттер изотопа 32 P β - и с периодом полураспада 14,28 суток; и 33 P, β-излучающий изотоп - с периодом полураспада 25,3 дня.
фосфоресценция
Белый люминофор фосфоресцирует и излучает в темноте зеленый свет.
Аллотропические изменения
Белый фосфор нестабилен и при температурах, близких к 250ºC, превращается в полимерную форму, известную как красный фосфор, цвет которой может варьироваться от оранжевого до фиолетового. Это аморфное вещество, но оно может становиться кристаллическим; он не светится в темноте и не горит на воздухе.
Белый фосфор при высоких температурах и давлениях или в присутствии катализаторов превращается в полимерную форму, отличную от красного фосфора: черный фосфор. Это кристаллическое вещество черного цвета, инертное, похожее на графит и обладающее способностью проводить электричество.
Растворимость
Белый фосфор в чистом виде нерастворим в воде, хотя может растворяться в сероуглероде. Между тем красный и черный люминофор нерастворимы в воде и менее летуч, чем белый фосфор.
Реактивность
Фосфор самопроизвольно сгорает на воздухе с образованием P 2 O 5, который, в свою очередь, может реагировать с тремя молекулами воды с образованием ортофосфорной или фосфорной кислоты (H 3 PO 4 ).
Под действием горячей воды образуются фосфин (PH 3 ) и оксокислоты фосфора.
Фосфорная кислота действует на фосфатные породы, вызывая дигидрофосфат кальция или суперфосфат.
Он может реагировать с галогенами с образованием галогенидов PX 3 , где X представляет F, Cl, Br или I; или галогениды формулы PX 5 , где X представляет собой F, Cl или Br.
Точно так же фосфор реагирует с металлами и металлоидами с образованием фосфидов, а с серой - с образованием различных сульфидов. С другой стороны, он связывается с кислородом с образованием сложных эфиров. Таким же образом он соединяется с углеродом с образованием органических фосфорных соединений.
Структура и электронная конфигурация
- Звенья и тетраэдрический блок
Атомы фосфора имеют следующую электронную конфигурацию:
3с 2 3п 3
Следовательно, он имеет пять валентных электронов, таких как азот и другие элементы группы 15. Поскольку это неметаллический элемент, его атомы должны образовывать ковалентные связи до тех пор, пока октет валентности не завершится. Азот достигает этого, утвердившись в виде двухатомных молекул N 2 с тройной связью NN.
То же самое происходит с фосфором: два его атома P связаны тройной связью с образованием молекулы P 2 , P≡P; то есть дифосфорный аллотроп. Однако фосфор имеет более высокую атомную массу, чем азот, и его 3p-орбитали, более диффузные, чем 2p азота, перекрываются менее эффективно; следовательно, P 2 существует только в газообразном состоянии.
Вместо этого при комнатной температуре атомы P предпочитают ковалентно организовываться другим способом: в тетраэдрической молекуле P 4 :
Молекулярные единицы P4 в кристаллах белого фосфора. Источник: Benjah-bmm27 через Википедию.
Обратите внимание, что на изображении выше все атомы P имеют три одинарные связи вместо одной тройной связи. Таким образом, люминофор в P 4 завершает свой октет валентности. Однако в P 4 связи PP натянуты, так как их углы для невооруженного глаза далеки от 109,5 °.
- Аллотропы
Белый фосфор
Тот же образ звеньев P 4 и их нестабильность объясняют, почему белый фосфор является наиболее нестабильным аллотропом этого элемента.
Блоки P 4 расположены в пространстве для определения кристалла с ОЦК (α-фаза) при нормальных условиях. При понижении температуры до -77,95 ºC кристалл ОЦК превращается в ГПУ (предположительно), более плотный (β-фаза). То есть блоки P 4 расположены на двух чередующихся уровнях, A и B, чтобы установить последовательность ABAB …
Красный фосфор
Цепочечная структура для красного фосфора. Источник: Габриэль Боливар.
На изображении выше показан только небольшой сегмент структуры красного фосфора. Поскольку три элемента расположены «симметрично», можно сказать, что это кристаллическая структура, которая получается при нагревании люминофора выше 250 ºC.
Красный фосфор, однако, в большинстве случаев представляет собой аморфное твердое вещество, поэтому его структура нечеткая. Тогда полимерные цепи P 4 будут расположены без видимого рисунка, некоторые выше, а другие ниже одной и той же произвольной плоскости.
Обратите внимание, что это основное структурное различие между белым и красным фосфором: в первом P 4 находятся индивидуально, а во втором образуют цепочки. Это возможно, потому что одна из связей PP внутри тетраэдра разорвана, чтобы соединиться с соседним тетраэдром. Таким образом, натяжение кольца уменьшается, а красный фосфор приобретает большую стабильность.
Когда есть смесь обоих аллотропов, она предлагается глазу как желтый люминофор; смесь тетраэдров и аморфных цепей фосфора. Фактически, белый фосфор становится желтоватым под воздействием солнечных лучей, поскольку излучение способствует разрыву уже упомянутой связи PP.
Фиолетовый или люминофор Hittorf
Молекулярная структура фиолетового фосфора. Источник: Кадмий в английской Википедии.
Фиолетовый фосфор - это последний этап образования красного фосфора. Как видно на изображении выше, он по-прежнему состоит из полимерной цепи; но теперь структуры более сложные. Кажется, что структурная единица больше не P 4, а P 2 , расположенная таким образом, что они образуют неправильные пятиугольные кольца.
Несмотря на то, насколько асимметричной выглядит структура, этим полимерным цепям удается располагаться достаточно хорошо и с периодичностью, чтобы фиолетовый люминофор мог образовывать моноклинные кристаллы.
Черный фосфор
Структура черного люминофора, видимая под разными углами. Источник: Benjah-bmm27.
И, наконец, самый стабильный аллотроп фосфора - черный. Его получают нагреванием белого фосфора под давлением 12000 атм.
На верхнем изображении (ниже) можно увидеть, что его структура с более высокой плоскости имеет определенное сходство со структурой графита; это чистая сеть из шестиугольных колец (даже если они выглядят как квадраты).
В верхнем левом углу изображения лучше видно то, что только что было прокомментировано. Молекулярное окружение атомов P представляет собой тригональные пирамиды. Обратите внимание, что структура, если смотреть сбоку (верхний правый угол), расположена слоями, которые накладываются один на другой.
Структура черного фосфора довольно симметрична и упорядочена, что согласуется с его способностью утвердиться в виде орторомбических кристаллов. Сложение их полимерных слоев делает атомы P недоступными для многих химических реакций; и поэтому он значительно стабилен и не очень реактивен.
Хотя стоит упомянуть, что дисперсионные силы Лондона и молярные массы этих фосфорных твердых тел определяют некоторые из их физических свойств; а его структуры и связи PP определяют химические и другие свойства.
Где найти и получить
Апатит и фосфорит
Это двенадцатый элемент земной коры, составляющий 0,1% от ее веса. Существует около 550 минералов, содержащих фосфор, причем апатит является наиболее важным минералом для получения фосфора.
Апатит - это минерал фосфора и кальция, который может содержать различное количество фтора, хлорида и гидроксида, формула которого следующая: Помимо апатита, существуют и другие полезные ископаемые фосфора; так обстоит дело с вевелитом и вивианитой.
Фосфорит или фосфорит - основной источник фосфора. Это осадочная безобломочная порода с содержанием фосфора 15-20%. Фосфор обычно присутствует в виде Ca 10 (PO 4 ) 6 F 2 (фторапатит). Он также присутствует в виде гидроксиапатита, хотя и в меньшей степени.
Кроме того, фторапатит можно найти в составе магматических и метаморфических пород, а также известняков и сланцев.
Электротермическое восстановление фторапатита
Отобранные фосфоритные породы передаются на очистные сооружения. Сначала их измельчают, чтобы получить обломки породы, которые затем измельчают в шаровых мельницах со скоростью 70 оборотов в минуту.
Затем продукт измельчения обломков породы просеивают, чтобы его можно было фракционировать. Фракции с содержанием фосфора 34% выбраны как пятиокись фосфора (P 2 O 5 ).
Белый фосфор (P 4 ) получают в промышленности электротермическим восстановлением фторапатита углеродом при температуре 1500 ºC в присутствии оксида кремния:
2Ca 3 (PO 4 ) 2 (s) + 6SiO 2 (s) + 10 C (s) => P 4 (g) + CaSiO 3 (l) + CO (g)
P 4 в газообразном состоянии после конденсации собирается и хранится в виде белого твердого вещества, погруженного в воду, чтобы предотвратить его реакцию с внешним воздухом.
сплавы
содержащий медь
Люминофорная крышка изготавливается с различным процентным содержанием меди и фосфора: Cu 94% - P 6%; Cu 92% - P 8%; Cu 85% - P 15% и др. Сплав используется как раскислитель, смачивающий агент в медной промышленности, а также как зародыш в алюминиевой промышленности.
бронза
Это сплавы меди, фосфора и олова, содержащие 0,5–11% фосфора и 0,01–0,35% олова. Олово повышает устойчивость к коррозии, а фосфор увеличивает износостойкость сплава и придает ему жесткость.
Он используется в производстве пружин, болтов и, в целом, в изделиях, требующих устойчивости к усталости, износу и химической коррозии. Его рекомендуется использовать в гребных винтах лодок.
Никелированная
Самый известный сплав - NiP 20 , в котором никель-фосфор используется в припоях для повышения их стойкости к химической эрозии, окислению и высоким температурам.
Сплав используется в деталях газовых турбин и реактивных двигателей, гальванике и производстве сварочных электродов.
риски
Белый фосфор вызывает серьезные ожоги кожи и является сильным ядом, который может быть смертельным в дозе 50 мг. Фосфор подавляет клеточное окисление, препятствуя регулированию клеточного кислорода, что может привести к жировой дегенерации и гибели клеток.
Острое отравление фосфором вызывает боль в животе, жжение, дыхание с запахом чеснока, фосфоресцирующую рвоту, потоотделение, мышечные судороги и даже шоковое состояние в течение первых четырех дней приема пищи.
Позже проявились желтуха, петехии, кровотечение, поражение миокарда аритмией, нарушение центральной нервной системы и смерть на десятый день после приема внутрь.
Наиболее очевидным проявлением хронического отравления фосфором является повреждение костной структуры челюсти.
Повышение концентрации фосфора в плазме (гиперфосфатемия) обычно возникает у пациентов с почечной недостаточностью. Это вызывает аномальное отложение фосфатов в мягких тканях, что может привести к сосудистой дисфункции и сердечно-сосудистым заболеваниям.
Приложения
Фосфор - важный элемент для растений и животных. Это одно из трех основных питательных веществ растений, необходимое для их роста и потребности в энергии. Кроме того, он входит в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов, промежуточных продуктов обменных процессов и др.
У позвоночных фосфор присутствует в костях и зубах в форме гидроксилапатита.
- Элементный фосфор
Коробка спичек или «спичка». Источник: Pxhere.
Из фосфора изготавливается химическая эмаль, которая используется для подсветки вывесок на алюминии и его сплавах; а также в люминофорной меди и бронзе.
Из него также делают зажигательные бомбы, гранаты, дымовые шашки и трассирующие пули. Красный фосфор используется для изготовления спичек или спичек.
Белый фосфор используется для производства органофосфатов. Кроме того, он используется в производстве фосфорной кислоты.
Большое количество произведенного фосфора сжигается для производства тетраоксида фосфора (P 4 O 10 ), полученного в виде порошка или твердого вещества.
- Соединения
фосфин
Это сырье для производства различных соединений фосфора. Он действует как допинг для электронных компонентов.
Фосфорная кислота
Он используется в производстве безалкогольных напитков из-за характерного вкуса, который он им придает. Он действует на фосфатные породы с образованием дигидрофосфата кальция, также известного как суперфосфат, который используется в качестве удобрения.
Фосфорная кислота - это кондиционирующий элемент зубной эмали, облегчающий адгезию реставрационных материалов. Он также используется в смеси с маслом, мочевиной, гудроном, битумом и песком для образования асфальта; материал, используемый при ремонте наземных путей сообщения.
Фосфорорганические
Фосфаторганические соединения имеют множество применений; такие как: антипирены, пестициды, экстракционные агенты, нервно-паралитические агенты и для очистки воды.
Дигидрат дигидрата фосфата кальция
Он используется как удобрение, разрыхлитель, кормовая добавка для животных и при изготовлении зубной пасты.
Пятиокись фосфора
Он используется в химическом анализе как дегидратирующий агент и в органическом синтезе как конденсирующий агент. Состав в первую очередь предназначен для производства ортофосфорной кислоты.
Триполифосфат натрия
Он используется в моющих средствах и в качестве смягчителя воды, что улучшает действие моющих средств и помогает предотвратить коррозию труб.
Тринатрийфосфат
Используется как чистящее средство и смягчитель воды.
Фосфаты натрия
Двухосновный фосфат натрия (Na 2 HPO 4 ) и одноосновный фосфат натрия (NaH 2 PO 4 ) являются компонентами буферной системы pH, которая действует даже на живых существ; включая людей.
Ссылки
- Рид Даниэль. (2019). Аллотропы фосфора: формы, использование и примеры. Учиться. Получено с: study.com
- Проф. Роберт Дж. Ланкашир. (2014). Лекция 5в. Структура элементов, продолжение P, S и I. Получено с: chem.uwimona.edu.jm
- BYJU'S. (2019). Красный фосфор. Получено с: byjus.com
- Бинг Ли, Ценг-Ценг Рен, Шу-Фэн Чжан и др. (2019). Электронные структурные и оптические свойства многослойного голубого фосфора: исследование из первых принципов. Журнал наноматериалов, т. 2019, Идентификатор статьи 4020762, 8 стр. doi.org/10.1155/2019/4020762
- Доктор Доу Стюар. (2019). Факты об элементе фосфора. Chemicool. Получено с: chemicool.com
- Wikipedia. (2019). Фосфор. Получено с: en.wikipedia.org
- Хельменстин, Энн Мари, доктор философии. (03 июля 2019 г.). Факты о фосфоре (атомный номер 15 или символ элемента P). Получено с: thinkco.com
- Институт Линуса Полинга. (2019). Фосфор. Получено с: lpi.oregonstate.edu
- Бернардо Фахардо П. и Эктор Лосано В. (б. Д.). Национальная переработка фосфоритной руды для производства суперфосфата. , Получено с: bdigital.unal.edu.co
- Редакторы энциклопедии Британника. (16 ноября 2018 г.). Фосфор химический элемент. Encyclopdia Britannica. Получено с: britannica.com
- Reade International Corp. (2018). Медно-фосфорный (CuP) сплав. Получено с: reade.com
- KBM Affilips. (27 декабря 2018 г.). Никель-фосфорный мастер-сплав. AZoM. Получено с: azom.com
- Lenntech BV (2019). Таблица Менделеева: фосфор. Получено с: lenntech.com
- Абхиджит Найк. (21 февраля 2018 г.). Фосфор использует. Получено с: sciencestruck.com