Опубликовано Оставить комментарий

Фосфор как химический элемент дьявола

Фосфор является химическим элементом периодической таблицы Д.И. Менделеева с атомным номером 15 и условным обозначением P. Фосфор не встречается в свободном виде из-за высокой химической активности, но входит в состав большого количества соединений и минералов.


Открытие фосфора

Картина Джозефа Райта «Алхимик открывающий фосфор» (1771)
Картина Джозефа Райта «Алхимик открывающий фосфор» (1771)

Открытие такого химического элемента как фосфор в настоящее время приписывается немецкому алхимику XVII века «Хеннигу Бранду». В 1669 году немецкому экспериментатору совершенно случайно удалось выделить вещество белого цвета, которое светилось в темноте и ярко горело.

Фосфор является первым химическим элементом в истории, который был получен в случайном порядке. Как и множество так называемых алхимиков того времени, которых насчитывалось десятки, а может даже сотни человек, Бранд пытался выделить мифический «философский камень».  По известным преданиям этот камень (или вещество) был способен обращать неблагородные металлы в золото.

Бранд экспериментировал с мочой, вероятно по той причине, что она такого же цвета как и золото. Она содержит значительные количества растворенных фосфатов, образующихся в результате метаболизма нормального здорового человека. Работая в Гамбурге, Бранд осуществил процесс, который заключался в том, чтобы мочу отстоять в течение нескольких дней, пока она не начнет извергать жуткий запах. Впоследствие он выварил ее до состояния пасты и нагрел ее до высокой температуры. Нагретые пары пасты были пропущены через воду, которые, по задумке, должны были конденсировать в золото.

В результате химических реакций немецкий алхимик получил гидрофосфат аммония-натрия (NH4)NaHPO4. Данное вещество назвали фосфором мирабилис, которое дословно переводится как «чудесный носитель света». Фосфор по счету стал тринадцатым химическим элементом, который был открыт учеными и подвержен самовоспламеняться при взаимодействии с воздухом. По этой причине в научной среде его иногда называют «элементом дьявола».


Характеристики

Образец порошка красного фосфора
Образец порошка красного фосфора
Физические характеристики
Состояние при Н.У. Твердое
Температура плавления Белый: 44,15 °С;
Красный: 590°C;
Точка кипения Белый: 280 °С
Плотность при Н.У. Белый: 1,823 г/см 3
Красный: 2,2 г/см 3
Точка сублимации Красный: 416 — 590°C
Теплота плавления Белый: 0,66 КДж/моль
Теплота испарения 51,9 кДж/моль
Мол. теплоемкость 23,894 Дж/(моль·К)
Молярный объем 17,0 см 3 ·моль -1
Химические характеристики
Атомный номер(Z) 15
Атомная масса 30,973
Электронная конфигурация 3s23p3
Радиус атома 128 пм
Ковалентный радиус 106 пм
Степени окисления -3, -1, 0, +1, +2, +3, +5
Радиус иона 35 пм
Электроотрицательность 0.98 (шкала Полинга)
Энергия ионизации 2,19 кДж/моль
Изотопы ³¹P; ³²P; ³³P

Добыча и производство

Образец белого фосфора в стекляной пробирке
Образец белого фосфора в стекляной пробирке

Чистый химический элемент получают из коммерчески добываемых фосфоросодержащих минералов. Одними из основных минералов такого рода являются фосфорит и апатит. Геологическая служба США оценила в 2017 году мировые запасы фосфора в 68 млрд тонн. При этом ежегодное извлечение этого химического элемента оценивается в 260 миллионов тонн и коммерческое потребление растет из года в год.

Фосфорит как минерал один из главных источников фосфора
Фосфорит как минерал один из главных источников фосфора

Методов извлечения чистого фосфора на сегодняшний день достаточно много. До появления множества современных методов элементарный фосфор получали в промышленных масштабах из так называемой костной золы. Костная зола представляет собой белое вещество, которое образуется в результате обжига костей. Она по своему химическому существу состоит из 55,82% оксида кальция, 42,39% пятиокиси фосфора и 1,79% воды. Процесс получения чистого фосфора начинают с обработки костной золы серной кислотой. В данном процессе трикальцийфосфат в костной золе превращается в монокальцийфосфат под воздействием серной кислоты в химической реакции:

Ca3 (PO4)2 + 2 H2SO4 → Ca(H2PO4)2 + 2CaSO4

Затем монокальцийфосфат дегидратируется до соответствующего метафосфата в химичнской формуле:

Ca(H2PO4)2 → Ca(PO 3 )2 + 2 H2O

При воспламенении до белого каления (~ 1300 °C) с древесным углем метафосфат кальция дает две трети своего веса белого фосфора, в то время как одна треть фосфора остается в остатке в виде ортофосфата кальция:

3Ca(PO3)2 + 10C → Ca3(PO4)2 + 10CO + P4

Современные мотеды производства чистого фосфора включают производство из фосфоросодержащих минералов(апатита и фосфорита), которые нагреваются вместе с кварцевым гравием до температуры 1500°C в электронно восстановительной печи и таким образом превращаются в белый фосфор в ходе химической реакции:

154kJ + Ca3(PO4)2 + 3SiO2 + 5C → 3CaSiO3 + 5CO + P2

Печь выполнена в виде закрытой низкошахтной печи, а подвод тепла осуществляется электродами Седерберга. Углеродная масса, содержащаяся в электроде, действует как восстановитель, а диоксид кремния в кварце — как шлакообразователь. Газообразный фосфор, образующийся в ходе процесса, конденсируется и собирается под водой специальными приспособлениями.


Применение

Спички из красного фосфора
Спички из красного фосфора

Применение чистого фосфора является достаточно редким явлением, которое ограничивается лабораторными опытами и медицинскими исследованиями. В повседневной жизни фосфор применяется повсеместно в составе различных соединений.

Большая часть фосфора, которая приблизительно составляет порядка 80% от общего объема, применяется для изготовления фосфатных удобрений. Фосфатные удобрения жизненно необходимы растениям, так как фосфор участвует в передаче энергии, прочности корней и стеблей, фотосинтезе, расширении корней растений, образовании семян и цветов и других важных факторах, влияющих на общее здоровье и генетику растений.

Другими известными применениями является металлургическая промышленность, где фосфор является важным компонентом при производстве стали, фосфористой бронзы и других продуктов отрасли. В пищевой промышленности фосфорная кислота применяется для подкисления пищевых продуктов и для консервации. Она маркируется как пищевая добавка под номером Е338. Красный фосфор используется для изготовления пластмасс, так как продукты химической реакции фосфора, воздуха и воды образуют обугленный защитный слой от огня.

Красный и белый фосфор также используются в военных целях. Очень токсичный и самовоспламеняющийся белый фосфор используется в зажигательных боеприпасах, таких как фосфорные бомбы. Кроме того он ранее также использовался в дымовых боеприпасах, но в современных дымовых боеприпасах используется красный фосфор в смесях с окислителями и металлическим топливом так как он менее токсичен. Радиоактивный изотоп фосфора ³²P используется в медицине и исследованиях в качестве индикатора для наблюдения за метаболическими процессами (например, при постмаркировке ³²P) или для лечения заболеваний, например, при терапии ядерной медицины истинной полицитемии.


Безопасность

Органические соединения фосфора образуют широкий класс материальных веществ и многие из них необходимы для жизни, но есть и другие, которые чрезвычайно токсичны. Фторфосфатные эфиры являются одними из наиболее мощных известных нейротоксинов. Широкий спектр фосфорорганических соединений используется из-за их токсичности в качестве пестицидов (гербицидов, инсектицидов, фунгицидов и т. д.) и в качестве оружия нервно-паралитического действия. Такое оружие является запрещенным но периодически применяется террористическими формированиями. Большинство неорганических фосфатов являются относительно нетоксичными и незаменимыми питательными веществами.

Аллотроп белого фосфора представляет значительную опасность, поскольку он воспламеняется на воздухе и образует остаток фосфорной кислоты. Хроническое отравление белым фосфором приводит к некрозу челюсти, называемому «фоссиальная челюсть». Белый фосфор токсичен и вызывает серьезное повреждение печени при приеме внутрь и может вызвать состояние, известное как «синдром курящего стула».

Раньше внешнее воздействие элементарного фосфора лечили промыванием пораженного участка 2% раствором сульфата меди(II) для образования безвредных соединений, которые затем смывали. Однако сульфат меди так же является токсичным соединением. Он может вызывать почечную и церебральную токсичность, а также внутрисосудистый гемолиз. Вместо этого сейчас предлагается «раствор бикарбоната» для нейтрализации фосфорной кислоты, который затем позволит удалить видимый белый фосфор. Его частицы часто можно обнаружить по выделению дыма при попадании на них воздуха или по их фосфоресценции в темноте. Фрагменты элемента наблюдаются как люминесцентные пятна.

При воздействии необходимо незамедлительно обработать ожог если состояние пациента позволяет удалить частички белого фосфора, которые могут позже впитаться и вызвать отравление. Кроме того запрещено наносить мази на масляной основе, пока не убедитесь, что все частички белого фосфора были удалены. После полного удаления частиц белого фосфора, данные повреждения рассматриваются как термические ожоги.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *