O fosfore (zaujímavosti). Biely fosfor: vlastnosti, história objavu a aplikácie

Fosfor ako dusík

Organickí chemici získali obrovské množstvo zlúčenín, ktoré zahŕňajú vodík a prvky druhého obdobia Periodická tabuľka- uhlík, dusík, kyslík. Nezaostávajú za nimi ani špecialisti v oblasti chémie organoprvkových zlúčenín, ktorí spravidla do zloženia klasickej organickej zlúčeniny zavádzajú substituenty obsahujúce prvky starších období, ako je kremík či fosfor. Substituenty organoprvkov nepochybne poskytujú zlúčeninám široký rozsah praktick užitočné vlastnosti Dnes je však známych málo príkladov heteroatómov pôsobiacich ako ťažšie analógy klasických C, N, O v heterocyklických aromatických systémoch. Výskumníci z ETH Zurich pridali do tohto zoznamu syntetizovanie fosforu obsahujúceho analógu kyseliny kyanurovej (Angewandte Chemie Int. Ed., 2017, 56, 5, 1356-1360, doi: 10.1002/anie.201610156).

Šesťčlenný heterocyklus, kyselina kyanurová - C 3 N 3 (OH) 3 a jej deriváty sa často používajú ako sieťovacie činidlá pre polyméry, ako aj na výrobu herbicídov, farbív a iných užitočných chemikálií. Výskumníci zo skupiny Hansjörga Grützmachera sú presvedčení, že fosfor obsahujúci analóg kyseliny kyanurovej C 3 P 3 (OH) 3 (aka trifosfabenzén alebo 2,4,6-tri(hydroxy)-1,3,5-trifosfinín) môže nájsť uplatnenie. v rovnakých oblastiach sa stávajú základom pre syntézu polymérov obsahujúcich fosfor a možno aj ligandom pre komplexy prechodných kovov.

Kyselina kyanurová je jednou z prvých organických zlúčenín syntetizovaných v laboratóriu. V roku 1829 ho získal trimerizáciou kyseliny izokyanovej HNCO Friedrich Wöhler. Stalo sa to len rok po tom, čo ten istý Wöhler syntetizoval močovinu z anorganické látky. Dnes je priemyselná metóda výroby kyseliny kyanurovej založená na pyrolýze močoviny a je taká jednoduchá a jej úloha je taká veľká, že chemici sa už dlho zaujímajú o jej ťažší analóg, v ktorom by boli nahradené všetky atómy dusíka. atómami fosforu. Pred Grützmacherom a jeho spoluautormi sa to však nikomu nepodarilo.

Výskumníci zo Švajčiarska (možno ako mnohí pred nimi) spočiatku verili, že fosfor obsahujúci analóg kyseliny kyanurovej možno získať trimerizáciou materskej zlúčeniny HPCO, ale všetky pokusy skončili neúspešne. Potom zmenili taktiku a pomocou pokusov a omylov zistili, že interakcia sodnej soli Na(OCP) a zlúčeniny organického bóru vedie k bórom substituovanému fosfaalkínu, ktorého trimerizáciou vzniká mnohogramové množstvo zlúčeniny s C3P. 3 krúžok. Ďalšie spracovanie medziproduktu obsahujúceho bór s terc-butanolom umožnilo získať cieľovú zlúčeninu C3P3(OH)3.

Jose Goicoechea z Oxfordskej univerzity, v ktorej skupine v roku 2013 prvýkrát získali fosforový analóg močoviny, H2PC(O)NH2 („Journal of the American Chemical Society“, 2013, 135, 51, 19131- 19134, doi: 10.1021/ ja4115693), vyhlasuje, že jeho kolegovia z Zürichu urobili prelom a určite budú mať veľa nasledovníkov.

Grützmacher a jeho kolegovia zatiaľ neplánujú komercializáciu analógu kyseliny kyanurovej s obsahom fosforu. Výskumníci chcú predovšetkým študovať možnosť využitia aromatického C 3 P 3 (OH) 3 a jeho derivátov obsahujúcich bór a kremík ako π-akceptorových ligandov a pokúsiť sa získať komplexy prechodných kovov.

Viac ako tristo rokov nás delí od chvíle, keď hamburský alchymista Genning Brand objavil nový prvok - . Podobne ako iní alchymisti, aj Brand sa pokúsil nájsť elixír života či kameň mudrcov, pomocou ktorého starí ľudia mladnú, chorí sa uzdravujú a neslušní sa menia na... Brand neviedol záujem o blaho ľudí, ale vlastný záujem. Svedčia o tom fakty z histórie jediného skutočného objavu tohto alchymistu.

Počas jedného z experimentov odparil moč, zvyšok zmiešal s uhlím a pieskom a pokračoval v odparovaní. Čoskoro sa v retorte vytvorila látka, ktorá svietila v tme. Pravda, kaltes Feuer ( studený Oheň), alebo „môj oheň“, ako to nazval Brand, sa nepremenil ani nezmenil vzhľad starých ľudí, ale skutočnosť, že výsledná látka žiarila bez zahrievania, bola nezvyčajná a nová.

Značka rýchlo využila túto novú vlastnosť. Začal ukazovať rôzne privilegované osoby, dostával od nich dary a peniaze. Udržať tajomstvo získavania fosforu nebolo jednoduché a Brand ho čoskoro predal drážďanskému chemikovi I. Kraftovi. Počet fosforových demonštrátorov vzrástol, keď recept na jeho výrobu poznali I. Kunkel a K. Kirchmeyer. V roku 1680, bez ohľadu na svojich predchodcov, získal nový prvok slávny anglický fyzik a chemik Robert Boyle. Boyle však čoskoro zomrel a jeho študent A. Gankwitz zradil čistú vedu a opäť oživil „špekulácie o fosfore“. Až v roku 1743 našiel A. Markgraf pokročilejší spôsob výroby fosforu a zverejnil svoje údaje pre verejnosť. Táto udalosť ukončila Brandove podnikanie a poslúžila ako začiatok seriózneho štúdia fosforu a jeho zlúčenín.

V prvej, päťdesiatročnej etape histórie fosforu, okrem Boylovho objavu, bola dejinami vedy poznačená iba jedna udalosť: v roku 1715 Gensing zistil prítomnosť fosforu v mozgovom tkanive. Po experimentoch Markgrave sa história prvku, ktorý o mnoho rokov neskôr získal číslo 15, stala históriou mnohých veľkých objavov.

Chronológia týchto objavov

V roku 1769 Yu Gan dokázal, že kosti obsahujú veľa fosforu. to isté potvrdil o dva roky neskôr známy švédsky chemik K. Scheele, ktorý navrhol spôsob získavania fosforu z popola vznikajúceho pri pražení kostí.

O niekoľko rokov neskôr J. L. Proust a M. Klaproth pri štúdiu rôznych prírodných zlúčenín dokázali, že je rozšírený v zemskej kôre najmä vo forme fosforečnanu vápenatého.

Veľké úspechy dosiahol v skúmaní vlastností fosforu začiatkom 70. rokov 18. storočia. veľký francúzsky chemik Antoine Laurent. Spaľovaním fosforu s inými látkami v uzavretom objeme vzduchu dokázal, že fosfor je samostatný prvok a vzduch má zložité zloženie a skladá sa minimálne z dvoch zložiek – kyslíka a dusíka. "Týmto spôsobom po prvý raz postavil na nohy všetku chémiu, ktorá sa vo svojej flogistickej forme postavila na hlavu." Takto písal o diele F. Engels v predslove k druhému zväzku Ka-pitala.“

V roku 1709 Dondonald dokázal, že zlúčeniny fosforu sú nevyhnutné pre normálny vývoj rastlín.

V roku 1839 ďalší Angličan Laws ako prvý získal superfosfát – fosforové hnojivo, ktoré je ľahko stráviteľné. rastliny.

V roku 1847 Nemecký chemik Schrötter, kúrenie bez prístupu vzduchu, vyvinul novú odrodu (alotropickú modifikáciu) prvku č.15 - a už v 20. storočí, v roku 1934, americký fyzik P. Bradzhyen, študujúci vplyv vysokých tlakov na rôzne, izoloval podobný čierny fosfor. Toto sú hlavné míľniky v histórii prvku č. 15. Teraz sa pozrime, čo nasledovalo po každom z týchto objavov.

„V roku 1715 Gensing zistil prítomnosť fosforu v mozgovom tkanive... V roku 1769 Hahn dokázal, že kosti obsahujú veľa fosforu“

Fosfor je analógom dusíka

Hoci sa fyzikálne a chemické vlastnosti týchto prvkov značne líšia, majú. a najmä všeobecne platí, že oba tieto prvky sú absolútne nevyhnutné pre zvieratá a rastliny. Akademik A.E. Fersman nazval fosfor „prvkom života a myslenia“, ale túto definíciu možno len ťažko klasifikovať ako literárne preháňanie. Fosfor sa nachádza doslova vo všetkých orgánoch zelených rastlín: v stonkách, koreňoch, listoch, no najviac v plodoch a semenách. Rastliny akumulujú fosfor a dodávajú ho živočíchom.

U zvierat sa fosfor koncentruje najmä v kostre, svaloch a nervovom tkanive.

Medzi ľudskými potravinami je žĺtok kuracích vajec obzvlášť bohatý na fosfor.

Ľudské telo obsahuje v priemere asi 1,5 kg prvku č. 15. Z tohto množstva je 1,4 kg v kostiach, asi 130 g vo svaloch a 12 g v nervoch a mozgu. Takmer všetky najdôležitejšie fyziologické procesy prebiehajúce v našom tele sú spojené s premenami organofosforových látok. Fosfor je prítomný v kostiach hlavne vo forme fosforečnanu vápenatého. Zubná sklovina je tiež zlúčenina fosforu, ktorá svojim zložením a kryštálovou štruktúrou zodpovedá najdôležitejšiemu minerálu fosforu, apatitu Ca5(P04)3(F, Cl).

Prirodzene, ako každý životne dôležitý prvok, fosfor prechádza v prírode kolobehom. Rastliny ho berú z pôdy a z rastlín sa tento prvok dostáva do tiel ľudí a zvierat. Fosfor sa vracia do pôdy s exkrementmi a keď mŕtvoly hnijú. Fosforobaktérie premieňajú organický fosfor na anorganické zlúčeniny.

Za jednotku času sa však z pôdy odstráni podstatne viac fosforu, ako sa do pôdy dostane. Svetová úroda v súčasnosti každoročne odstraňuje z polí viac ako 3 milióny ton fosforu.

Prirodzene, dostať udržateľné úrody Tento fosfor sa musí vrátiť do pôdy, a preto nie je prekvapujúce, že svetová produkcia fosforečnanu v súčasnosti presahuje 100 miliónov ton ročne.

„...Proust a Klaproth dokázali, že fosfor je široko distribuovaný v zemskej kôre, hlavne vo forme fosforečnanu vápenatého“

V zemskej kôre sa fosfor vyskytuje výlučne vo forme zlúčenín. Ide najmä o málo rozpustné soli kyseliny ortofosforečnej; Katiónom je najčastejšie vápenatý ión.

Fosfor predstavuje 0,08 % hmotnosti zemská kôra. Z hľadiska prevalencie je medzi všetkými prvkami na 13. mieste. Fosfor je obsiahnutý v minimálne 190 mineráloch, z ktorých najvýznamnejšie sú: fluorapatit Ca5(P04)3F, hydroxylapatit Ca5(P04)3OH, fosforit Cae(P04)2 s nečistotami.

Fosfor sa delí na primárny a sekundárny. Medzi primárnymi sú najmä apatity, ktoré sa často vyskytujú medzi horninami vyvretého pôvodu. Tie vznikli v čase vzniku zemskej kôry.

Na rozdiel od apatitov sa fosfority vyskytujú medzi horninami sedimentárneho pôvodu, ktoré vznikajú v dôsledku smrti živých bytostí. Tie sú druhoradé.

Fosfor sa nachádza v meteoritoch vo forme fosfidov železa, kobaltu a niklu. Tento spoločný prvok je samozrejme prítomný aj v morská voda (6 10-6%).

„Lavoisier dokázal, že fosfor je nezávislý chemický prvok...“

Fosfor je nekov (ktorý sa predtým nazýval metaloid) so strednou aktivitou. Vonkajšia dráha atómu fosforu obsahuje päť elektrónov, z ktorých tri sú nepárové. Preto môže vykazovať valencie 3-, 3+ a 5+.

Na to, aby fosfor vykazoval 5+, je potrebný nejaký účinok na atóm, ktorý by dva párové elektróny poslednej dráhy premenil na nepárové.

Fosfor sa často nazýva mnohostranný prvok. Skutočne, v rozdielne podmienky správa sa inak, vykazuje buď oxidačné alebo redukčné vlastnosti. Všestrannosť fosforu zahŕňa aj jeho schopnosť existovať v niekoľkých alotropných modifikáciách.

Azda najznámejšou modifikáciou prvku č.15 je mäkký, voskový, biely alebo žltý fosfor. Bol to Brand, kto ho objavil a vďaka svojim vlastnostiam dostal prvok svoje meno: v gréčtine „fosfor“ znamená svietiaci, svietiaci. Molekula bieleho fosforu pozostáva zo štyroch atómov usporiadaných do tvaru štvorstenu. Hustota 1,83, teplota topenia 44,1° C. jedovatý, ľahko oxiduje. Rozpustný v sírouhlíku, kvapalnom amoniaku a SO2, benzéne, éteri. Je takmer nerozpustný vo vode.

Pri zahriatí bez prístupu vzduchu nad 250° C sa sfarbí do červena. Toto je už polymér, ale nie veľmi usporiadaná štruktúra. Reaktivita červeného fosforu je výrazne nižšia ako reaktivita bieleho fosforu. V tme nesvieti, nerozpúšťa sa v sírouhlíku a nie je jedovatý. Jeho hustota je oveľa väčšia, jeho štruktúra je jemne kryštalická.

12.10.2015

História objavu fosforu je celkom fascinujúca a zaujímavá. Podľa hlavnej verzie bola táto látka získaná v dôsledku hľadania „kameňa mudrcov“. S jeho pomocou chcel jeden skrachovaný obchodník Henning Brand vyriešiť svoje finančné ťažkosti. Veril, že primárnu hmotu možno nájsť práve v ľudských fyziologických produktoch. Takže jeho experimenty, ktoré začali v roku 1669, zahŕňali ľudský moč.

Po zhromaždení niekoľkých ton tohto produktu v kasárňach vojakov ho dlho odparoval, čím vznikla tekutina podobná sirupu. Po opätovnom zriedení vodou identifikoval takzvaný „močový olej“. Následne po ďalšej destilácii sa začala vytvárať zrazenina. Počas experimentu zistil, že ak sa podrobí dlhšej kalcinácii, sediment sa zmení na biely svietiaci prach.

Obchodník sa rozhodol, že objavil elementárny oheň, ktorý by sa neskôr mohol zmeniť na zlato, a tak sa rozhodol svoj objav ponechať v prísne stráženom tajomstve. Prášok ukázal ľuďom výlučne za peniaze, predával ho v minimálnom množstve za cenu často vyššiu ako zlato. Značka pôvodne dala výslednej látke názov studený Oheň alebo môj oheň, ďalej len názov fosfor pochádza z gréckych slov - svetlo A nesiem.

Prirodzene, mnohí sa pokúšali jeho skúsenosť zopakovať. Alchymista Kunkel presvedčil svojho priateľa Krafta, aby tajomstvo kúpil od obchodníka. Podarilo sa mu to, len sa ukázal byť oveľa prefíkanejší a recept na výrobu fosforu si nechal u seba. Následne tiež cestoval po mestách a predvádzal experimenty s práškom výlučne za peniaze, čím zarobil značné bohatstvo.

V Anglicku v tom istom čase, úplne nezávisle od všetkých ostatných, objavil fosfor alchymista Boylem. K tomuto vynálezu ho údajne dotlačil sám Craft, ktorý prišiel do Londýna v roku 1677 s predvádzacími predstaveniami. Bol rád, že ho prijali, a po odchode dal Boyleovi stopu a povedal, že pôvodná látka, z ktorej získaval fosfor, je to, čo má ľudské telo. Po preskúmaní krvi, kostí a tak ďalej viedli Boyleove experimenty k úspechu;

Po jeho smrti začal jeho obdivovateľ Gankwitz pokračovať v získavaní fosforu. O niečo vylepšil metódu a dokonca sa pokúsil vyrobiť niečo ako zápalky. Jeho energická činnosť umožnila uzavrieť najziskovejšie dohody so známymi vedeckými inštitúciami v celej Európe. Aj vďaka nemu bola v Londýne otvorená farmaceutická spoločnosť. Napriek ich nebezpečné testy fosforu sa Gankwitz dožil 80 rokov a bezpečne prežil svoje deti a mnohých zamestnancov.

Už podľa XVIII storočia Mnoho ľudí začalo vyrábať tento prvok. Vedec Marggraf zjednodušil metódu pridaním chloridu olovnatého do moču Scheele ako prvý získal fosfor z kostí a rohov zvierat. Od tých čias cena fosforu každým rokom klesala viac a viac, pretože konkurencia neustále rástla a následne príbuzní vynálezcov dokonca začali predávať výrobný recept.

Hoci sa vyššie uvedená verzia považuje za hlavnú verziu objavu, existuje predpoklad, že fosfor sa ťažil už v 12. storočí. Údajne istý vedec Bekhil, ktorý destiloval moč s hlinou, získal určitú látku. Možno to bol aj vtedy fosfor. Existujú aj zmienky zo 17. storočia o bolonskom kameni, ktorý sa našiel pri Bologni, po vypálení získal schopnosť žiariť.

Fosfor je dôležitou zložkou živej a neživej prírode. Nachádza sa v hlbinách Zeme, vo vode a v našich telách a akademik Fersman ho dokonca nazval „prvkom života a myslenia“. Napriek svojej užitočnosti môže byť biely fosfor mimoriadne nebezpečný a jedovatý. Povedzme si podrobnejšie o jeho vlastnostiach.

Otvorenie prvku

História objavu fosforu začala alchýmiou. Už od 15. storočia európski vedci túžia nájsť kameň mudrcov alebo „veľký elixír“, pomocou ktorého dokážu premeniť akýkoľvek kov na zlato.

V 17. storočí sa alchymista Hennig Brand rozhodol, že cesta k „magickému činidlu“ vedie cez moč. Je žltá, čo znamená, že obsahuje zlato alebo je s ním nejako spojená. Vedec starostlivo zhromaždil materiál, bránil ho a potom ho destiloval. Namiesto zlata dostal Biela hmota, ktorý v tme svietil a dobre horel.

Brand nazval objav „studeným ohňom“. Neskôr prišli írsky alchymista Robert Boyle a Nemec Andreas Maggraf s myšlienkou získať fosfor podobným spôsobom. Ten do moču pridal aj uhlie, piesok a minerál fosgenit. Následne bola látka nazvaná phosphorus mirabilis, čo v preklade znamená „zázračný nosič svetla“.

Svetelný prvok

Objav fosforu sa stal medzi alchymistami skutočnou senzáciou. Niektorí sa každú chvíľu pokúšali kúpiť tajomstvo získania látky od Branda, iní sa tam snažili dostať na vlastnú päsť. V 18. storočí sa dokázalo, že prvok je obsiahnutý v kostných pozostatkoch organizmov a čoskoro sa otvorilo niekoľko tovární na jeho výrobu.

Francúzsky fyzik Lavoisier dokázal, že fosfor je jednoduchá látka. V periodickej tabuľke má číslo 15. Spolu s dusíkom, antimónom, arzénom a bizmutom patrí do skupiny pniktidov a je charakterizovaný ako nekov.

Prvok je v prírode celkom bežný. V percentuálnom vyjadrení je na 13. mieste v hmotnosti zemskej kôry. Fosfor aktívne interaguje s kyslíkom a nenachádza sa vo voľnej forme. Existuje v mnohých mineráloch (viac ako 190), ako sú fosfority, apatity atď.

Biely fosfor

Fosfor existuje v niekoľkých formách alebo alotropoch. Líšia sa od seba hustotou, farbou a chemické vlastnosti. Zvyčajne existujú štyri hlavné formy: biely, čierny, červený a kovový fosfor. Ostatné modifikácie sú len zmesou vyššie uvedených.

Biely fosfor je veľmi nestabilný. O normálnych podmienkach na svetle rýchlo sčervenie a vysoký tlak sfarbí to na čierno. Jeho atómy sú usporiadané do tvaru štvorstenu. Má kryštalickú molekulovú mriežku s molekulovým vzorcom P4.

Zvýrazňujem aj žltý fosfor. Nejde o ďalšiu modifikáciu látky, ale o názov nerafinovaného bieleho fosforu. Môže mať svetlo alebo tmavo hnedý odtieň a vyznačuje sa silnou toxicitou.

Vlastnosti bieleho fosforu

Podľa konzistencie a vzhľad látka pripomína vosk. Má cesnakovú vôňu a je mastný na dotyk. Mäkký fosfor (bez osobitné úsilie môže sa rezať nožom) a deformuje sa. Po očistení sa stáva bezfarebným. Jeho priehľadné kryštály sa na slnku dúhovo trblietajú a vyzerajú ako diamanty.

Topí sa pri 44 stupňoch. Aktivita látky sa prejavuje už pri izbovej teplote. Hlavnou charakteristikou fosforu je jeho schopnosť chemiluminiscencie alebo žiaru. Oxiduje na vzduchu, vydáva bielo-zelené svetlo a po čase sa samovoľne vznieti.

Látka je prakticky nerozpustná vo vode, ale pri dlhšom kontakte s kyslíkom v nej môže horieť. Dobre sa rozpúšťa v organické rozpúšťadlá napríklad v sírouhlíku, kvapalnom parafíne a benzéne.

Aplikácia fosforu

Človek „skrotil“ fosfor na mierové aj vojenské účely. Látka sa používa na výrobu kyseliny fosforečnej, ktorá sa používa na výrobu hnojív. Predtým bol široko používaný na farbenie vlny a výrobu fotosenzitívnych emulzií.

Biely fosfor nie je široko používaný. Jeho hlavnou hodnotou je horľavosť. Látka sa teda používa na zápalnú muníciu. Tento typ zbrane bol relevantný počas oboch svetových vojen. Bol použitý vo vojne v Gaze v roku 2009, ako aj v Iraku v roku 2016.

Červený fosfor sa používa vo väčšej miere. Používa sa na výrobu palív, mazív, výbušniny a zápasové hlavy. Rôzne spojenia Fosfor sa v priemysle používa v zmäkčovačoch vody a pridáva sa do pasivačných činidiel na ochranu kovu pred koróziou.

Obsah v tele a účinok na človeka

Fosfor patrí medzi životne dôležité potrebné prvky pre nás. Vo forme zlúčenín s vápnikom je prítomný v zuboch a kostre, dodáva kostiam tvrdosť a pevnosť. Prvok je prítomný v zlúčeninách ATP a DNA. Je nevyhnutný pre funkciu mozgu. Keďže je v nervových bunkách, podporuje prenos nervových impulzov.

Fosfor sa nachádza vo svalovom tkanive. Podieľa sa na procese premeny energie z bielkovín, tukov a sacharidov vstupujúcich do tela. Prvok udržiava acidobázickú rovnováhu v bunkách a dochádza k ich deleniu. Podporuje metabolizmus a je nevyhnutný pri telesnom raste a regenerácii.

Fosfor však môže byť nebezpečný. Samotný biely fosfor je veľmi toxický. Dávky nad 50 miligramov sú smrteľné. Otravu fosforom sprevádza vracanie, bolesť hlavy a žalúdka. Kontakt látky s pokožkou spôsobuje popáleniny, ktoré sa hoja veľmi pomaly a bolestivo.

Nadbytok fosforu v tele vedie k krehkosti kostí, výskytu srdcovo-cievne ochorenia, vzhľad krvácania, anémia. Presýtením fosforom trpí aj pečeň a tráviaci systém.