Despre fosfor (fapte interesante). Fosfor alb: proprietăți, istoria descoperirii și aplicării
Fosforul ca azot
Chimii organici au primit un număr mare de compuși, care includ hidrogen și elemente din a doua perioadă a sistemului periodic - carbon, azot, oxigen. Nu departe de ei se află specialiști în domeniul chimiei compușilor organoelementali, care, de regulă, introduc substituenți care conțin elemente de perioade mai înalte, precum siliciul sau fosforul, în compoziția unui compus organic clasic. Substituenții organoelementului oferă, fără îndoială, compușilor o gamă largă de practic proprietăți utile Cu toate acestea, puține exemple sunt cunoscute astăzi când heteroatomii acționează ca analogi mai grei ai C, N, O clasic în sistemele aromatice heterociclice. Cercetătorii de la ETH Zurich au adăugat la această listă prin sintetizarea unui analog al acidului cianuric care conține fosfor (Angewandte Chemie Int. Ed., 2017, 56, 5, 1356-1360, doi: 10.1002/anie.201610156).
Un heterociclu cu șase atomi, acidul cianuric - C 3 N 3 (OH) 3 și derivații săi sunt adesea utilizați ca agenți de reticulare a polimerilor, precum și pentru a obține erbicide, coloranți și alte substanțe chimice utile. Cercetătorii din grupul lui Hansjorg Grützmacher sunt încrezători că analogul acidului cianuric C 3 P 3 (OH) 3 care conține fosfor (alias trifosfabenzen sau 2,4,6-tri(hidroxi)-1,3,5-trifosfinină) poate fi utilizat. în aceleași zone, devenind baza pentru sinteza polimerilor care conțin fosfor și, eventual, un ligand pentru complecșii de metale tranziționale.
Acidul cianuric este unul dintre primii compuși organici sintetizati în laborator. În 1829, a fost obținut prin trimerizarea acidului izocianic HNCO de către Friedrich Wöhler. Acest lucru sa întâmplat la numai un an după ce același Wöhler a sintetizat uree din substante anorganice. Astăzi, metoda industrială de producere a acidului cianuric se bazează pe piroliza ureei și este atât de simplă, iar rolul său este atât de mare încât chimiștii au fost de mult interesați de analogul său mai greu, în care toți atomii de azot ar fi înlocuiți cu fosfor. atomi. Cu toate acestea, înainte de Grützmacher et al., nimeni nu a fost capabil să facă acest lucru.
Cercetătorii din Elveția (poate ca mulți înaintea lor) au crezut mai întâi că un analog al acidului cianuric care conține fosfor poate fi obținut prin trimerizarea compusului de bază HPCO, dar toate încercările s-au încheiat cu eșec. Apoi și-au schimbat tactica și prin încercare și eroare au descoperit că interacțiunea sării de sodiu a Na(OCP) și un compus organobor conduce la o fosfaalchina substituită cu bor, a cărei trimerizare dă cantități de mai multe grame dintr-un compus cu un Ciclul C 3 P 3. Tratarea suplimentară a intermediarului care conţine bor cu terţ-butanol a furnizat compusul ţintă C3P3(OH)3.
José Goicoechea de la Universitatea Oxford, al cărui grup în 2013 a fost primul care a obținut un analog al ureei care conține fosfor, H 2 PC (O) NH 2 („Journal of the American Chemical Society”, 2013, 135, 51, 19131). -19134, doi: 10.1021 / ja4115693), susține că colegii săi din Zurich au făcut o descoperire și sunt sigur că vor avea un număr mare de urmăritori.
Grützmacher și colegii nu au încă planuri de a comercializa un analog al acidului cianuric care conține fosfor. Cercetătorii doresc în primul rând să exploreze posibilitatea utilizării C 3 P 3 (OH) 3 aromatic, derivații săi care conțin bor și siliciu ca liganzi π-acceptori și să încerce să obțină complecși de metale de tranziție.
Mai mult de trei sute de ani ne despart de momentul în care alchimistul din Hamburg Genning Brand a descoperit un nou element -. Ca și alți alchimiști, Brand a încercat să găsească elixirul vieții sau piatra filosofală, cu ajutorul căreia bătrânii devin mai tineri, bolnavii se însănătoșesc, iar ignobilul se transformă în. Nu preocuparea pentru bunăstarea oamenilor, ci interesul propriu a condus Brand. Acest lucru este dovedit de fapte din istoria singurei descoperiri reale făcute de acest alchimist.
În timpul unuia dintre experimente, a evaporat urina, a amestecat reziduul cu cărbune, nisip și a continuat evaporarea. Curând, în replică s-a format o substanță care strălucea în întuneric. Adevărat, kaltes Feuer ( Foc rece), sau „focul meu”, așa cum l-a numit Brand, nu s-a transformat în sau a schimbat aspectul bătrânilor, dar că substanța rezultată strălucea fără încălzire a fost neobișnuită și nouă.
Această proprietate a noului Brand nu a întârziat să profite. A început să arate diverse persoane privilegiate, primind de la ei daruri și bani. Nu a fost ușor să păstrezi secretul obținerii fosforului, iar în curând Brand l-a vândut chimistului din Dresda I. Kraft. Numărul demonstranților de fosfor a crescut atunci când rețeta pentru fabricarea lui a devenit cunoscută de I. Kunkel și K. Kirchmeyer. În 1680, indiferent de predecesori, un nou element a fost obținut de celebrul fizician și chimist englez Robert Boyle. Dar Boyle a murit curând, iar studentul său A. Hankwitz a trădat știința pură și a reînviat „speculația fosforului”. Abia în 1743, A. Markgraf a găsit o modalitate mai perfectă de a obține fosfor și și-a publicat datele pentru informații generale. Acest eveniment a pus capăt afacerii mărcii și a fost începutul unui studiu serios despre fosfor și compușii săi.
La prima etapă de cincizeci de ani din istoria fosforului, pe lângă descoperirea lui Boyle, un singur eveniment a fost marcat de istoria științei: în 1715, Gensing a stabilit prezența fosforului în țesutul cerebral. După experimentele lui Markgraf, istoria elementului, care mulți ani mai târziu a dobândit numărul 15, a devenit istoria multor mari descoperiri.
Cronologia acestor descoperiri
În 1769, Yu. Gan a dovedit că oasele conțin mult fosfor. același lucru a fost confirmat doi ani mai târziu de celebrul chimist suedez K. Scheele, care a propus o metodă de obținere a fosforului din cenușa formată în timpul prăjirii oaselor.
Câțiva ani mai târziu, J. L. Proust și M. Klaproth, investigând diverși compuși naturali, au demonstrat că este larg răspândit în scoarța terestră, în principal sub formă de fosfat de calciu.
Un mare succes în studiul proprietăților fosforului a fost obținut la începutul anilor 70 ai secolului al XVIII-lea. marele chimist francez Antoine Laurent. Prin arderea fosforului cu alte substanțe într-un volum închis de aer, a demonstrat că fosforul este un element independent, iar aerul are o compoziție complexă și este compus din cel puțin două componente - oxigen și azot. „În acest fel, pentru prima dată, el a pus pe picioare toată chimia, care în forma ei flogistică stătea pe cap.” Așa că F. Engels a scris despre lucrare în prefața celui de-al doilea volum din Ka-pital.
În 1709, Dondonald a dovedit că compușii de fosfor sunt necesari pentru dezvoltarea normală a plantelor.
În 1839, un alt englez, Lause, a primit pentru prima dată superfosfat - un îngrășământ cu fosfor care este ușor digerabil. plantelor.
În 1847, chimistul german Schretter, încălzind fără acces la aer, a învățat o nouă varietate (modificare alotropică) a elementului nr. 15 - , iar deja în secolul XX, în 1934, fizicianul american P. Bradzhyen, studiind efectul presiuni ridicate pe fosfor negru diferit, izolat. Acestea sunt reperele majore din istoria elementului # 15. Acum să ne uităm la ce a urmat fiecare dintre aceste descoperiri.
„În 1715, Gensing a stabilit prezența fosforului în țesutul cerebral... În 1769, Hahn a demonstrat că oasele conțin mult fosfor”
Analog de fosfor al azotului
Deși proprietățile fizice și chimice ale acestor elemente sunt foarte diferite, acestea au. și în general, în special, că ambele aceste elemente sunt absolut necesare animalelor și plantelor. Academicianul A.E. Fersman a numit fosforul „un element al vieții și al gândirii”, dar această definiție cu greu poate fi clasificată drept exagerare literară. Fosforul se găsește literalmente în toate organele plantelor verzi: în tulpini, rădăcini, frunze, dar mai ales în fructe și semințe. Plantele acumulează fosfor și îl furnizează animalelor.
La animale, fosforul este concentrat în principal în schelet, mușchi și țesut nervos.
Dintre produsele alimentare umane, gălbenușul de ouă de pui este deosebit de bogat în fosfor.
Corpul uman conține în medie aproximativ 1,5 kg de element nr. 15. Din această cantitate, 1,4 kg se află în oase, aproximativ 130 g în mușchi și 12 g în nervi și creier. Aproape toate cele mai importante procese fiziologice care au loc în corpul nostru sunt asociate cu transformarea substanțelor fosfor-organice. Fosforul este prezent în oase în principal sub formă de fosfat de calciu. Smalțul dinților este, de asemenea, un compus de fosfor, care în compoziție și structură cristalină corespunde celui mai important mineral fosforic apatit Ca5(P04)3(F, Cl).
Desigur, ca orice element vital, fosforul face un ciclu în natură. Plantele îl iau din sol, din plante acest element pătrunde în organismele oamenilor și animalelor. Fosforul revine în sol cu excrementele și când cadavrele putrezesc. Fosforobacteriile transformă fosforul organic în compuși anorganici.
Cu toate acestea, mult mai mult fosfor este eliminat din sol pe unitatea de timp decât intră în sol. Recolta mondială duce acum peste 3 milioane de tone de fosfor din câmpuri în fiecare an.
Desigur, pentru a obține producții durabile, acest fosfor trebuie returnat în sol și, prin urmare, nu este nimic surprinzător în faptul că producția mondială de minereu de fosforit este acum mult mai mare de 100 de milioane de tone pe an.
„... Proust și Klaproth au demonstrat că fosforul este distribuit pe scară largă în scoarța terestră, în principal sub formă de fosfat de calciu”
În scoarța terestră, fosforul apare exclusiv sub formă de compuși. Acestea sunt în principal săruri puțin solubile ale acidului ortofosforic; Cel mai comun cation este un ion de calciu.
Fosforul reprezintă 0,08% din greutate Scoarta terestra. În ceea ce privește prevalența, se află pe locul 13 dintre toate elementele. Fosforul este continut in cel putin 190 de minerale, dintre care cele mai importante sunt: fluorapatita Ca5(P04)3F, hidroxilapatita Ca5(P04)3OH, fosforit Cae(P04)2 cu impuritati.
Fosforul este împărțit în primar și secundar. Dintre cele primare, apatitele sunt deosebit de comune, des întâlnite printre rocile de origine magmatică. Acestea s-au format în momentul formării scoarței terestre.
Spre deosebire de apatite, fosforiții apar printre rocile de origine sedimentară, formate ca urmare a morții ființelor vii. Acestea sunt secundare.
Sub formă de fosfuri de fier, cobalt, nichel, fosforul se găsește în meteoriți. Desigur, acest element comun se găsește și în apa de mare (6 10-6%).
„Lavoisier a dovedit că fosforul este un element chimic independent...”
Fosforul este un nemetal (ceea ce se numea metaloid) cu activitate medie. Există cinci electroni pe orbita exterioară a atomului de fosfor, iar trei dintre ei nu sunt perechi. Prin urmare, poate prezenta valențe 3-, 3+ și 5+.
Pentru ca fosforul să arate 5+, este necesară o anumită acțiune asupra atomului, care ar transforma cei doi electroni perechi ai ultimei orbite în cei nepereche.
Fosforul este adesea menționat ca un element cu mai multe fațete. Într-adevăr, în conditii diferite se comportă diferit, prezentând proprietăți fie oxidante, fie reducătoare. Diversitatea fosforului este, de asemenea, capacitatea sa de a fi în mai multe modificări alotropice.
Poate cea mai faimoasă modificare a elementului numărul 15 este moale, precum ceara, fosforul alb sau galben. Brand a fost cel care l-a descoperit și, datorită proprietăților sale, elementul și-a primit numele: în greacă, „fosfor” înseamnă luminos, luminifer. Molecula albă de fosfor este formată din patru atomi dispuși sub forma unui tetraedru. Densitate 1,83, punct de topire 44,1 ° C. otrăvitor, ușor de oxidat. Solubil în disulfură de carbon, amoniac lichid și SO2, benzen, eter. Aproape insolubil în apă.
Când este încălzit fără acces la aer peste 250 ° C, devine roșu. Acesta este deja un polimer, dar nu o structură foarte ordonată. Reactivitatea fosforului roșu este mult mai mică decât cea a albului. Nu strălucește în întuneric, nu se dizolvă în disulfură de carbon și nu este otrăvitor. Densitatea sa este mult mai mare, structura este cu granulație fină.
12.10.2015
Istoria descoperirii fosforului este destul de fascinantă și interesantă. Conform versiunii principale, această substanță a fost obținută ca urmare a căutării „pietrei filozofale”. Cu ajutorul lui, un comerciant în faliment, Henning Brand, a vrut să-și rezolve dificultățile financiare. El credea că materia primară poate fi găsită tocmai în produsele fiziologice ale omului. Deci, în experimentele sale, începând cu 1669, urină umană a intrat în ea.
După ce a strâns mai multe tone din acest produs în cazarma soldaților, l-a evaporat mult timp, în urma căruia s-a obținut un lichid asemănător siropului. Diluând-o din nou cu apă, a scos la iveală așa-numitul „ulei de urină”. Ulterior, următoarea distilare a început să precipite. În cursul experimentului, el a aflat că dacă este supus unei calcinări prelungite, precipitatul se transformă în praf alb luminos.
Negustorul a decis că a descoperit focul elementar, care s-ar putea transforma în aur în viitor, așa că a decis să-și păstreze descoperirea în cea mai strictă încredere. El le-a arătat oamenilor pudra exclusiv pentru bani, vânzând-o în cantități minime la un preț adesea mai mare decât cel al aurului. Brand a dat numele substanței obținute inițial Foc rece sau focul meu, denumit în continuare fosfor derivat din cuvintele grecești ușoarăȘi port.
Desigur, mulți au încercat să-și repete experiența. Alchimistul Kunkel l-a convins pe prietenul său Kraft să cumpere secretul de la comerciant. A reușit, doar că s-a dovedit a fi mult mai viclean și a lăsat cu el rețeta de a face fosfor. În viitor, el a călătorit și prin orașe, arătând experimente cu pulbere exclusiv pentru bani, făcând o avere destul de mare pe asta.
În Anglia, în același timp, complet independent de toată lumea, fosforul a fost descoperit de alchimistul Boyle. Această invenție ar fi fost provocată de însuși Kraft, care a venit la Londra în 1677 cu spectacole demonstrative. A fost încântat să fie primit și, după ce a plecat, i-a dat lui Boyle un indiciu spunând că substanța originală din care și-a extras fosforul este ceea ce posedă corpul uman. După ce a examinat sângele, apoi oasele și așa mai departe, experimentele lui Boyle au dus la succes, a obținut un element luminos.
După moartea sa, admiratorul său Hankwitz a continuat să primească fosfor. A îmbunătățit oarecum metoda și chiar a încercat să facă o aparență de meciuri. Activitatea sa furtunoasă a făcut posibilă încheierea celor mai profitabile acorduri cu instituții științifice cunoscute din toată Europa. De asemenea, datorită lui, la Londra s-a deschis o companie farmaceutică. În ciuda lor teste periculoase fosfor, Gankwitz a trăit până la 80 de ani și a supraviețuit în siguranță copiilor săi și multor muncitori.
Deja să secolul al XVIII-lea Mulți oameni au început să producă acest element. Omul de știință Marggraf a simplificat metoda prin adăugarea de clorură de plumb în urină, Scheele a fost primul care a obținut fosfor din oasele și coarnele animalelor. Din acel moment, prețul fosforului a scăzut din ce în ce mai mult în fiecare an, deoarece concurența a crescut constant și, ulterior, rudele inventatorilor au început să vândă cu totul rețeta.
Deși cele de mai sus sunt considerate versiunea principală a descoperirii, există o presupunere că fosforul a fost extras încă din secolul al XII-lea. Se presupune că un anume om de știință Behil, după ce a distilat urină cu argilă, a primit o anumită substanță. Poate că era deja fosfor atunci. Există, de asemenea, referiri din secolul al XVII-lea la piatra bologneză găsită lângă Bologna, în timpul arderii căreia a dobândit capacitatea de a străluci.
Fosforul este un constituent important al vieții și natura neînsuflețită. Se găsește în intestinele Pământului, în apă și în corpul nostru, iar academicianul Fersman chiar l-a numit „un element al vieții și al gândirii”. În ciuda utilității sale, fosforul alb poate fi extrem de periculos și otrăvitor. Să vorbim mai multe despre caracteristicile sale.
Deschiderea unui element
Istoria descoperirii fosforului a început cu alchimia. Încă din secolul al XV-lea, oamenii de știință europeni au fost dornici să găsească piatra filosofală, sau „marele elixir”, cu ajutorul căruia va fi posibil să transforme orice metal în aur.
În secolul al XVII-lea, alchimistul Hennig Brand a decis că calea către „reactivul magic” era prin urină. Este galben, ceea ce înseamnă că conține aur sau este într-un fel legat de acesta. Omul de știință a colectat cu sârguință materialul, l-a apărat și apoi l-a distilat. În loc de aur, a primit o substanță albă care strălucea în întuneric și ardea bine.
Brand a numit descoperirea „foc rece”. Mai târziu, alchimistul irlandez Robert Boyle și germanul Andreas Maggraf s-au gândit să obțină fosfor într-un mod similar. Acesta din urmă a adăugat cărbune, nisip și mineralul fosgenit în urină. Ulterior, substanța a fost numită phosphor mirabilis, care s-a tradus ca „purtător miraculos de lumină”.
Element luminos
Descoperirea fosforului a devenit o adevărată senzație printre alchimiști. Unii au încercat din când în când să cumpere secretul obținerii substanței de la Brand, alții au încercat să ajungă singuri la asta. În secolul al XVIII-lea, s-a dovedit că elementul este conținut în rămășițele osoase ale organismelor, iar în curând au fost deschise mai multe fabrici pentru producerea lui.
Fizicianul francez Lavoisier a demonstrat că fosforul este o substanță simplă. În tabelul periodic, se află la numărul 15. Împreună cu azotul, antimoniul, arsenul și bismutul, aparține grupului de pnictide și este caracterizat ca un nemetal.
Elementul este destul de comun în natură. În termeni procentuali, în masa scoarței terestre, ocupă locul 13. Fosforul interacționează activ cu oxigenul și nu apare în formă liberă. Există ca parte a numeroaselor minerale (mai mult de 190), precum fosforite, apatite etc.
Fosfor alb
Fosforul există sub mai multe forme sau modificări alotrope. Ele diferă unele de altele prin densitate, culoare și proprietăți chimice. De obicei, există patru forme principale: fosfor alb, negru, roșu și metalic. Alte modificări sunt doar o combinație a celor de mai sus.
Fosforul alb este foarte instabil. La conditii normale la lumină se transformă repede în roșu și presiune ridicataîl face negru. Atomii săi sunt aranjați sub forma unui tetraedru. Are o rețea moleculară cristalină, cu formula moleculară P4.
Extrag și fosfor galben. Aceasta nu este o altă modificare a substanței, ci denumirea de fosfor alb brut. Poate avea atât nuanță maro deschis, cât și maro închis și se caracterizează printr-o toxicitate puternică.
Proprietățile fosforului alb
din punct de vedere al consistenţei şi aspect substanta seamana cu ceara. Are un miros de usturoi și este gras la atingere. Fosfor moale (fără eforturi deosebite se poate tăia cu un cuţit) şi se deforma. După curățare, devine incolor. Cristalele sale transparente strălucesc irizate la soare și arată ca diamantele.
Se topește la 44 de grade. Activitatea substanței se manifestă chiar și la temperatura camerei. Principala caracteristică a fosforului este capacitatea sa de a chemiluminiscență sau luminiscență. Oxidat în aer, emite o lumină alb-verde și în cele din urmă se aprinde spontan.
Substanța este practic insolubilă în apă, dar poate arde în ea la contactul prelungit cu oxigenul. Se dizolvă bine în solventi organici, de exemplu, în disulfură de carbon, parafină lichidă și benzen.
Utilizarea fosforului
Omul a „îmblânzit” fosforul atât în scopuri pașnice, cât și în scopuri militare. Substanța este folosită pentru a produce acid fosforic, care este folosit pentru îngrășăminte. Anterior, era folosit pe scară largă pentru vopsirea lânii, făcând emulsii fotosensibile.
Fosforul alb nu este utilizat pe scară largă. Valoarea sa principală în combustibilitate. Deci, substanța este folosită pentru muniție incendiară. Acest tip de armă a fost relevant în timpul ambelor războaie mondiale. A fost folosit în războiul din Gaza în 2009 și în Irak în 2016.
Fosforul roșu este utilizat mai pe scară largă. Este folosit pentru a produce combustibil, lubrifianți, explozivi și capete de chibrit. Conexiuni diverse fosforul este folosit în industrie în dedurizatoarele de apă, adăugat la agenții de pasivizare pentru a proteja metalul de coroziune.
Conținutul în organism și impactul asupra oamenilor
Fosforul este unul dintre cele vitale elementele necesare pentru noi. Sub formă de compuși cu calciu, este prezent în dinți și schelet, dând oaselor duritate și rezistență. Elementul este prezent în compușii ATP și ADN. Este esențială pentru activitatea creierului. Fiind în celulele nervoase, favorizează transmiterea impulsurilor nervoase.
Fosforul se găsește în țesutul muscular. Este implicat în procesul de transformare a energiei din proteine, grăsimi și carbohidrați care intră în organism. Elementul menține echilibrul acido-bazic în celule, se efectuează diviziunea lor. Promovează metabolismul, este esențial în timpul creșterii organismului și refacerii acestuia.
Cu toate acestea, fosforul poate fi periculos. În sine, fosforul alb este foarte toxic. Dozele de peste 50 de miligrame sunt fatale. Intoxicația cu fosfor este însoțită de vărsături, dureri de cap și dureri de stomac. Contactul cu substanța de pe piele provoacă arsuri care se vindecă foarte lent și dureros.
Un exces de fosfor în organism duce la fragilitatea oaselor, apariția boli cardiovasculare, sângerare, anemie. Supraîncărcarea cu fosfor afectează, de asemenea, ficatul și sistemul digestiv.
