Fosfor i jego związki. Praktyczne zastosowanie związków fosforu

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 05:38

Wśród pierwiastków biogennych szczególne miejsce powinien zająć fosfor. Rzeczywiście, bez niego istnienie tak ważnych związków, jak np. ATP czy fosfolipidy, a także wielu innych substancji organicznych, jest niemożliwe. Jednocześnie nieorganiczna materia tego pierwiastka jest bardzo bogata w różne molekuły. Fosfor i jego związki znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle, są ważnymi uczestnikami procesów biologicznych i są wykorzystywane w różnych gałęziach działalności człowieka. Dlatego zastanów się, czym jest ten pierwiastek, jaka jest jego prosta substancja i najważniejsze związki.

Fosfor: ogólna charakterystyka pierwiastka

Pozycję w układzie okresowym można opisać w kilku punktach.

1. Piąta grupa, główna podgrupa.
2. Trzecia mała kropka.
3. Liczba porządkowa - 15.
4. Masa atomowa wynosi 30 974.
5. Elektroniczna konfiguracja atomu 1s²2s²2p⁶3s2^3p3.
6. Możliwe stany utlenienia z-3 do +5.
7. Symbol chemiczny - P, wymowa we wzorach „pe”. Nazwa pierwiastka to fosfor. Nazwa łacińska Fosfor.

Historia odkrycia tego atomu sięga odległego XII wieku. Nawet w zapisach alchemików były informacje wskazujące na otrzymanie nieznanej „świetlistej” substancji. Jednak oficjalna data syntezy i odkrycia fosforu to 1669. Zbankrutowany kupiec Brand, w poszukiwaniu kamienia filozoficznego, przypadkowo zsyntetyzował substancję zdolną do emanowania blaskiem i spalania jasnym oślepiającym płomieniem. Dokonał tego poprzez wielokrotne kalcynowanie ludzkiego moczu.

Po tym, niezależnie od siebie, ten element został odebrany w przybliżeniu w ten sam sposób:

• I. Kunkel;
• R. Boyle;
• A. Margrabia;
• K. Scheele;
• A. Lavoisier.

Dziś jedną z najpopularniejszych metod syntezy tej substancji jest redukcja z odpowiednich minerałów zawierających fosfor w wysokich temperaturach pod wpływem tlenku węgla i krzemionki. Proces odbywa się w specjalnych piecach. Fosfor i jego związki są bardzo ważnymi substancjami zarówno dla istot żywych, jak i dla wielu syntez w przemyśle chemicznym. Dlatego należy zastanowić się, czym jest ten pierwiastek jako prosta substancja i gdzie występuje w naturze.

Prosta substancja fosfor

Trudno wymienić konkretny związek, jeśli chodzi o fosfor. Wynika to z licznychmodyfikacje alotropowe, które posiada ten pierwiastek. Istnieją cztery główne odmiany prostej substancji fosfor.

1. Biały. Jest to związek o wzorze Р₄. Jest to biała lotna substancja o ostrym, nieprzyjemnym zapachu czosnku. Zapala się samoistnie w powietrzu w normalnych temperaturach. Pali się jasnym jasnozielonym światłem. Bardzo trujący i zagrażający życiu. Aktywność chemiczna jest niezwykle wysoka, dlatego jest pozyskiwana i przechowywana pod warstwą oczyszczonej wody. Jest to możliwe ze względu na słabą rozpuszczalność w rozpuszczalnikach polarnych. Do tego białego fosforu najlepiej nadają się dwusiarczek węgla i substancje organiczne. Po podgrzaniu jest w stanie przekształcić się w kolejną formę alotropową - czerwony fosfor. Podczas kondensacji i chłodzenia oparów może tworzyć warstwy. Tłusta w dotyku, miękka, łatwa do krojenia nożem, biała (lekko żółtawa). Temperatura topnienia 44⁰C. Ze względu na swoją aktywność chemiczną jest wykorzystywany w syntezach. Jednak ze względu na swoją toksyczność nie ma szerokiego zastosowania przemysłowego.
2. Żółty. Jest to słabo oczyszczona forma białego fosforu. Jest jeszcze bardziej trujący, nieprzyjemnie pachnie też czosnkiem. Zapala się i pali jasnym, świetlistym zielonym płomieniem. Te żółte lub brązowe kryształki w ogóle nie rozpuszczają się w wodzie, po całkowitym utlenieniu wydzielają kłęby białego dymu o składzie P₄O₁₀.
3. Czerwony fosfor i jego związki są najczęstszą i najczęściej stosowaną modyfikacją tej substancji w przemyśle. Pastowata czerwona masa, która pod zwiększonym ciśnieniem możeprzejście w postać fioletowych kryształów jest chemicznie nieaktywne. Jest to polimer, który może rozpuszczać się tylko w niektórych metalach i niczym więcej. W temperaturze 250⁰С sublimuje, zamieniając się w białą modyfikację. Nie tak toksyczny jak poprzednie formy. Jednak długotrwałe narażenie na organizm jest toksyczne. Służy do nakładania powłoki zapalającej na pudełka zapałek. Tłumaczy się to tym, że nie może zapalić się spontanicznie, ale eksploduje (zapala się) podczas denotacji i tarcia.
4. Czarny. Według danych zewnętrznych jest bardzo podobny do grafitu, jest też tłusty w dotyku. Jest półprzewodnikiem elektrycznym. Kryształy ciemne, błyszczące, które w ogóle nie są w stanie rozpuścić się w żadnym rozpuszczalniku. Aby się zapalił, potrzebne są bardzo wysokie temperatury i wstępne ogrzewanie.

Również interesująca jest niedawno odkryta forma fosforu - metaliczny. Jest przewodnikiem i ma sześcienną sieć krystaliczną.

Właściwości chemiczne

Właściwości chemiczne fosforu zależą od jego formy. Jak wspomniano powyżej, najbardziej aktywna modyfikacja żółto-biała. Ogólnie rzecz biorąc, fosfor może wchodzić w interakcje z:

• metale, tworzące fosforki i działające jako środek utleniający;
• niemetale, działając jako środek redukujący i tworzący różne rodzaje lotnych i nielotnych związków;
• silne utleniacze, zamieniające się w kwas fosforowy;
• ze stężonymi ługami żrącymi według typudysproporcja;
• z wodą o bardzo wysokiej temperaturze;
• z tlenem tworząc różne tlenki.

Właściwości chemiczne fosforu są podobne do właściwości azotu. W końcu należy do grupy pniktogenów. Jednak aktywność jest o kilka rzędów wielkości wyższa ze względu na różnorodność modyfikacji alotropowych.

Przebywanie na łonie natury

Jako składnik odżywczy fosfor jest bardzo obfity. Jego procent w skorupie ziemskiej wynosi 0,09%. To dość duży wskaźnik. Gdzie znajduje się ten atom w naturze? Jest kilka głównych miejsc do nazwania:

• zielona część roślin, ich nasiona i owoce;
• tkanki zwierzęce (mięśnie, kości, szkliwo zębów, wiele ważnych związków organicznych);
• skórka;
• gleba;
• skały i minerały;
• woda morska.

W tym przypadku możemy mówić tylko o powiązanych formach, ale nie o prostej substancji. W końcu jest niezwykle aktywny, a to nie pozwala mu być wolnym. Wśród minerałów najbogatszych w fosfor są:

• Angielski;
• fluorapaptyt;
• swanbergit;
• fosforyt i inne.

Biologiczne znaczenie tego pierwiastka jest nie do przecenienia. W końcu jest to część związków takich jak:

• białka;
• fosfolipidy;
• DNA;
• RNA;
• fosfoproteiny;
• enzymy.

To znaczy wszystkie te, które są niezbędne i z których zbudowany jest cały organizm. Dzienna dieta dla przeciętnej osoby dorosłej wynosi około 2 gramy.

Fosfor i jego związki

Będąc bardzo aktywnym, pierwiastek ten tworzy wiele różnych substancji. W końcu tworzy również fosforki i sam działa jako środek redukujący. Z tego powodu trudno jest wymienić element, który byłby obojętny w reakcji z nim. Dlatego formuły związków fosforu są niezwykle różnorodne. Istnieje kilka klas substancji, w tworzeniu których jest aktywnym uczestnikiem.

1. Związki binarne - tlenki, fosforki, lotne związki wodoru, siarczki, azotki i inne. Na przykład: P₂O₅, PCL₃, P_2S3_{, PH}3 _{i inne.}
2. Substancje złożone: sole wszystkich typów (średnie, kwaśne, zasadowe, podwójne, złożone), kwasy. Przykład: N₃PO₄, Na₃PO₄, H₄P₂O₆, Ca(H_{2 PO}4₎2_{, (NH}4₎2 HPO₄ i inne.
3. Związki organiczne zawierające tlen: białka, fosfolipidy, ATP, DNA, RNA i inne.

Większość wskazanych rodzajów substancji ma duże znaczenie przemysłowe i biologiczne. Wykorzystanie fosforu i jego związków jest możliwe zarówno do celów medycznych, jak i do produkcji całkiem zwykłych artykułów gospodarstwa domowego.

Związki z metalami

Związki binarne fosforu z metalami i mniej elektroujemnymi niemetalami nazywane są fosforkami. Są to substancje podobne do soli, które są wyjątkowo niestabilne pod wpływem różnych czynników. Szybki rozkład (hydroliza) powoduje równomierneczysta woda.

Ponadto pod wpływem niestężonych kwasów substancja rozkłada się również na odpowiednie produkty. Na przykład, jeśli mówimy o hydrolizie fosforku wapnia, to produktami będą wodorotlenek metalu i fosfina:

Ca₃P₂ + 6H₂O=3Ca(OH) 2 _{+ 2PH}3_↑

I poddając fosforek rozkładowi pod działaniem kwasu mineralnego, otrzymujemy odpowiednią sól i fosfinę:

Ca₃P₂ + 6HCL=3CaCL₂ + 2PH ₃↑

Na ogół wartość rozważanych związków polega właśnie na tym, że w wyniku tego powstaje związek wodorowy fosforu, którego właściwości zostaną omówione poniżej.

Substancje lotne na bazie fosforu

Istnieją dwa główne:

• biały fosfor;
• fosfina.

Wspomnieliśmy już o pierwszym powyżej i podaliśmy charakterystykę. Powiedzieli, że to gęsty biały dym, silnie trujący, śmierdzący i samozapalny w normalnych warunkach.

Ale co to jest fosfina? Jest to najczęstsza i najbardziej znana substancja lotna, w skład której wchodzi omawiany pierwiastek. Jest binarny, a drugim uczestnikiem jest wodór. Formuła związku wodorowego fosforu to pH₃, nazwa to fosfina.

Właściwości tej substancji można opisać w następujący sposób.

1. Lotny gaz bezbarwny.
2. Bardzo trujące.
3. Pachnie jak zgniła ryba.
4. Nie wchodzi w interakcję z wodą i bardzo słabo się w niej rozpuszcza. Dobrze rozpuszczalny worganiczne.
5. W normalnych warunkach bardzo reaktywny.
6. Zapala się samoczynnie w powietrzu.
7. Wytwarzany z rozkładu fosforków metali.

Inna nazwa to Phosphane. Wiążą się z nim opowieści z czasów starożytnych. Chodzi o „wędrujące światła”, które ludzie czasami widzieli i widzą teraz na cmentarzach i bagnach. Pojawiające się tu i ówdzie sferyczne lub przypominające świecę światła, sprawiające wrażenie ruchu, uważano za złą wróżbę i przesądni ludzie bardzo się ich bali. Przyczyną tego zjawiska, według współczesnych poglądów niektórych naukowców, można uznać samorzutne spalanie fosfiny, która powstaje naturalnie podczas rozkładu pozostałości organicznych, zarówno roślinnych, jak i zwierzęcych. Gaz wydostaje się i w kontakcie z tlenem w powietrzu zapala się. Kolor i rozmiar płomienia mogą się różnić. Najczęściej są to zielonkawe jasne światła.

Oczywiście wszystkie lotne związki fosforu są substancjami trującymi, które łatwo wykryć po ostrym, nieprzyjemnym zapachu. Ten znak pomaga uniknąć zatrucia i nieprzyjemnych konsekwencji.

Związki z niemetalami

Jeśli fosfor zachowuje się jak czynnik redukujący, powinniśmy mówić o związkach binarnych z niemetalami. Najczęściej są bardziej elektroujemne. Możemy więc wyróżnić kilka rodzajów substancji tego rodzaju:

• związek fosforu i siarki - siarczek fosforu P₂S₃;
• chlorek fosforu III, V;
• tlenki i bezwodniki;
• bromek i jodek iinne.

Chemia fosforu i jego związków jest zróżnicowana, więc trudno wskazać najważniejsze z nich. Jeśli mówimy konkretnie o substancjach, które powstają z fosforu i niemetali, to największe znaczenie mają tlenki i chlorki o różnym składzie. Są wykorzystywane w syntezach chemicznych jako środki odwadniające, katalizatory itp.

Tak więc, jednym z najsilniejszych środków suszących jest najwyższy tlenek fosforu - P₂O₅. Przyciąga wodę tak silnie, że przy bezpośrednim kontakcie z nią następuje gwałtowna reakcja z silnym towarzyszeniem hałasu. Sama substancja jest białą, śnieżnopodobną masą, bliższą amorficznej w stanie skupienia.

Utlenione związki organiczne z fosforem

Wiadomo, że chemia organiczna znacznie przewyższa liczebnie chemię nieorganiczną pod względem liczby związków. Tłumaczy się to zjawiskiem izomerii i zdolnością atomów węgla do tworzenia łańcuchów atomów o różnych strukturach, zamykających się ze sobą. Oczywiście istnieje pewien porządek, to znaczy klasyfikacja, której podlega cała chemia organiczna. Klasy połączeń są różne, jednak nas interesuje jedna konkretna, bezpośrednio związana z danym elementem. Są to związki zawierające tlen z fosforem. Należą do nich:

• koenzymy - NADP, ATP, FMN, fosforan pirydoksalu i inne;
• białka;
• kwasy nukleinowe, ponieważ reszta kwasu fosforowego jest częścią nukleotydu;
• fosfolipidy i fosfoproteiny;
• enzymy i katalizatory.

Rodzaj jonu, w którymfosfor bierze udział w tworzeniu cząsteczki tych związków, kolejny to PO₄^3-, czyli jest to reszta kwasowa kwasu fosforowego. Jest obecny w niektórych białkach jako wolny atom lub prosty jon.

Dla prawidłowego funkcjonowania każdego żywego organizmu ten pierwiastek i utworzone przez niego związki organiczne są niezwykle ważne i niezbędne. Rzeczywiście, bez cząsteczek białka niemożliwe jest zbudowanie jednej strukturalnej części ciała. A DNA i RNA są głównymi nośnikami i przekaźnikami informacji dziedzicznej. Ogólnie rzecz biorąc, wszystkie połączenia muszą być obecne bezbłędnie.

Zastosowanie fosforu w przemyśle

Zastosowanie fosforu i jego związków w przemyśle można scharakteryzować w kilku punktach.

1. Wykorzystywane do produkcji zapałek, związków wybuchowych, bomb zapalających, niektórych paliw, smarów.
2. Jako pochłaniacz gazów i do produkcji żarówek.
3. Do ochrony metali przed korozją.
4. W rolnictwie jako nawóz do gleby.
5. Jako zmiękczacz wody.
6. W syntezach chemicznych w produkcji różnych substancji.

Rola w żywych organizmach sprowadza się do udziału w tworzeniu szkliwa i kości. Udział w reakcjach ana- i katabolizmu oraz utrzymanie buforowania środowiska wewnętrznego komórki i płynów biologicznych. Stanowi podstawę syntezy DNA, RNA, fosfolipidów.