Storia del fosforo, proprietà, struttura, ottenimento, usi

Lui incontro È un elemento non metallico rappresentato dal simbolo chimico P e ha il numero atomico 15. Presenta tre forme allotropiche principali: fosforo bianco, rosso e nero. Il fosforo bianco è fosforescente, brucia spontaneamente se esposto all'aria ed è anche altamente velenoso.

Il fosforo bianco a 250 ° C di temperatura diventa fosforo rosso; una forma polimerica, insolubile e che non brucia nell'aria. A temperature e pressioni elevate, nonché in presenza o meno dei catalizzatori, si ottiene il fosforo nero, il che ricorda la grafite ed è un buon conduttore di elettricità.

Fosforo bianco immagazzinato in una bottiglia con acqua. Fonte: w. Oelen [CC BY-SA 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/3.0)]

Il fosforo è stato isolato per la prima volta da H. Marchio, nel 1669. Per fare ciò, l'urina usata come fonte di questo elemento. Nel 1770, W. Scheele ha scoperto che poteva anche isolare il fosforo osseo.

Successivamente, a causa della creazione del forno elettrico da J. Burgess Readman (1800), le rocce di fosfato sono diventate la principale fonte di produzione di fosforo dal minerale di fluoroapatite, presente in essi.

Il fosforo è il dodici elementi più abbondanti della crosta terrestre e ne rappresenta lo 0,1% in peso. Inoltre, è il sesto elemento in abbondanza nel corpo umano; principalmente concentrato nelle ossa sotto forma di idrossilapatite.

È quindi un elemento essenziale per gli esseri viventi, diventando uno dei tre principali nutrienti delle piante. Il fosforo fa parte della struttura chimica degli acidi nucleici; di composti di accumulo di energia (ATP), coenzimi; e in generale, dei composti del metabolismo.

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Storia

- Scoperta

Nell'urina

Joseph Wright of Derby Painting dove illustra la scoperta del fosforo. Fonte: Joseph Wright di Derby [dominio pubblico]

Il fosforo fu isolato dal marchio Henning nel 1669, essendo il primo umano a isolare un elemento. Il marchio era un alchimista tedesco di Amburgo ed è riuscito a ottenere un composto di fosforo dalle urine. Per fare questo, ha raccolto l'urina di 50 secchi e gli ha permesso di decomporsi.

Il marchio ha quindi evaporato l'urina e ottenuto un residuo nerastro, che ha mantenuto per diversi mesi. A questo ha aggiunto sabbia e riscaldata, riuscendo a eliminare gas e oli. Alla fine, ottenne un solido bianco che brillava al buio con un colore verde, che chiamò "Cold Fire".

Il termine "fosforo", per coincidenza, deriva dalla parola greca "fosforo" che significa portatore di luce.

Il marchio non ha pubblicato i suoi risultati sperimentali e lo ha venduto a diversi alchimisti, tra cui: Johann Kraft, Kunckel Lowenstern e Wilhelm Leibniz. Probabilmente, alcuni di loro hanno riportato il lavoro del marchio all'Accademia delle scienze di Parigi, diffondendo così le loro indagini.

Tuttavia, il marchio non ha realmente isolato il fosforo, ma fosfato di sodio ammoniaco [NH (NH₄) Po₄". Nel 1680, Robert Boyle migliorò la procedura del marchio, attraverso la quale poteva ottenere una forma alotropica di fosforo (P₄).

Nelle ossa

Johan Gottlieb Gahn e Carl Wihelm Scheele stabilirono nel 1769 che un composto di fosforo, fosfato di calcio, era nelle ossa. Le ossa disordinate sono state sottoposte a un processo di digestione con acidi forti, come l'acido solforico.

Quindi il prodotto di digestione è stato riscaldato in contenitori in acciaio con carbone e carbone, ottenendo così il fosforo bianco mediante distillazione in replica. Le ossa erano la fonte principale che ottenne fosforo fino al 1840, quando furono sostituite a questo scopo dal guano.

Nel guano

Il guano è una miscela di uccelli di uccelli e prodotti di decomposizione. Fu usato come fonte di fosforo e fertilizzanti nel XIX secolo.

- Sviluppo industriale

Le rocce di fosfato venivano usate nel 1850 come fonte di fosforo. Questo, insieme all'invenzione del forno elettrico per calcinare le rocce di James Burges Readman (1888), fece le rocce fosfatiche la principale materia prima della produzione di fosforo e fertilizzanti.

Nel 1819 furono stabilite le fabbriche di Cerrillas, iniziando lo sviluppo industriale del fosforo.

Proprietà fisiche e chimiche

Aspetto

A seconda della forma allotropica, può essere incolore, bianco chiuso, giallo, scarlatto, rosso, viola o nero.

Peso atomico

30.973 u

Numero atomico (Z)

quindici

Punto di fusione

Phosforo bianco: 44,15 ºC

Fosforo rosso: ~ 590 ºC

Punto di ebollizione

Phosforo bianco: 280,5 ºC

Densità (temperatura ambiente)

Bianco: 1.823 g/cm³

Rosso: 2,2-2,34 g/cm³

Viola: 2,36 g/cm³

Nero: 2,69 g/cm³

Calore di fusione

Phosforo bianco: 0,66 kJ/mol

Calore di vaporizzazione

Phosforo bianco: 51,9 kJ/mol

Capacità calorica molare

Phosforo bianco: 23.824 J/(Mol.K)

Stati di ossidazione

-3, -2, -1, +1, +2, +3, +4 e +5

A seconda dell'elettronegatività degli elementi con cui il fosforo può mostrare lo stato di ossidazione +3 o -3. Il fosforo, a differenza dell'azoto, tende a reagire preferibilmente con lo stato di ossidazione +5; Tale è il caso del pentossido di fosforo (P₂O₅ o p₂⁵⁺O₅²⁺).

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Elettronegatività

2,19 sulla scala Pauling

Energia ionizzata

-Primo: 1.101 kJ/mol

-Secondo: 2.190,7 kJ/mol

-Terzo: 2.914 kJ/mol

Conduttività termica

Phosforo bianco: 0,236 W/(M · K)

Phosforo nero: 12,1 W/(M · K)

Mostra come il fosforo nero conduce quasi sei volte più calore del fosforo bianco.

Ordine magnetico

Le partite bianche, rosse, viola e nere sono diamagnetiche.

Isotopi

Il fosforo ha 20 isotopi, essendo quelli principali: ³¹P, l'unico isotopo stabile con un'abbondanza del 100%; ³²P, isotopo β emettitore^- e con una mezza vita di 14,28 giorni; E ³³P, un isotopo emettitore β^- E con una mezza vita di 25,3 giorni.

Fosforescenza

Il fosforo bianco è fosforescente ed emette una luce verde al buio.

Cambiamenti altropi

Il fosforo bianco è instabile e cambia a temperature vicine a 250 ºC a una forma polimerica nota come fosforo rosso, che può variare arancione all'arancia viola. È una sostanza amorfa, ma può diventare cristallina; Non brilla al buio o brucia nell'aria.

Il fosforo bianco ad alte temperature e le pressioni, o in presenza di catalizzatori, viene trasformato in una forma polimerica diversa dal fosforo rosso: fosforo nero. Questa è una sostanza cristallina nera e inerte, simile alla grafite, e che ha la capacità di condurre elettricità.

Solubilità

Il fosforo bianco puro è insolubile in acqua, sebbene possa essere solubilizzato nel solfuro di carbonio. Nel frattempo, le partite rosse e nere sono insolubili nell'acqua e sono meno volatili del fosforo bianco.

Reattività

Il fosforo brucia spontaneamente nell'aria per formare il p₂O_5, E questo a sua volta può reagire con tre molecole d'acqua per formare acido ortofosforico o fosforico (H₃Po₄).

Per azione dell'acqua calda proviene la fosfina (pH₃) e oxacidi di fosforo.

L'acido fosforico agisce su rocce fosfatate che causano fosfato di diidrogeno o superfosfato calcio [Ca₂Po₄)₂".

Puoi reagire con gli alogeni per formare gli alogenuri PX₃, rappresentando da x a f, cl, br o i; o Haluros con formula PX₅, Essere x, cl o br.

Inoltre, il fosforo reagisce con metalli e metalloidi per causare fosfuri e zolfo per formare diversi solfuri. D'altra parte, si lega all'ossigeno per originare gli esteri. Allo stesso modo, è combinato con il carbonio per formare i composti organici di fosforo.

Struttura elettronica e configurazione

- Collegamenti e unità tetraedrica

Gli atomi di fosforo hanno la seguente configurazione elettronica:

[Ne] 3s² 3p³

Pertanto, cinque elettroni di Valencia, come l'azoto e gli altri elementi del gruppo 15. Poiché è un elemento non metallico, i suoi atomi devono formare legami covalenti fino a quando l'Octeto de Valencia non è completato. L'azoto lo raggiunge quando stabilito come molecole di dati n₂, Con un triplo collegamento, N /n.

Lo stesso vale per il fosforo: due dei suoi atomi P sono collegati a un triplo legame per formare la molecola P₂, Pthp; Questo è, il difosforo alotropo. Tuttavia, il fosforo ha una massa atomica maggiore rispetto all'azoto e i suoi orbitali 3p, più diffusi rispetto al 2p di azoto, si sovrappongono con minore efficienza; Pertanto, il P₂ Esiste solo nello stato gassoso.

Invece, a temperatura ambiente, gli atomi P preferiscono organizzarsi in modo covalente in un altro modo: in una molecola tetraedrica P₄:

P4 unità molecolari nei cristalli di fosforo bianco. Fonte: Benjah-BMM27 via Wikipedia.

Si noti che nell'immagine superiore tutti gli atomi P hanno tre semplici collegamenti anziché un triplo collegamento. Pertanto, fosforo in p₄ Completa il suo otteto de Valencia. Tuttavia, in p₄ C'è tensione nei collegamenti P-P, poiché i loro angoli vanno all'occhio nudo di essere 109,5 °.

- Alotropi

Fosforo bianco

La stessa immagine delle unità P₄ E la sua instabilità spiega perché il fosforo bianco è il più instabile alotropico di questo elemento.

Le unità p₄ Sono ordinati nello spazio per definire un cristallo BCC (fase α) in condizioni normali. Quando la temperatura scende a -77,95 ºC, il vetro BCC viene trasformato in un HCP (presumibilmente), più denso (fase β). Cioè, le unità P₄ Sono ordinati in due strati alternativi, A e B, per stabilire una sequenza ABAB ..

Fosforo rosso

Struttura della catena del fosforo rosso. Fonte: Gabriel Bolívar.

Nell'immagine superiore, viene mostrato solo un piccolo segmento della struttura del fosforo rosso. Essendo le tre unità allineate "simmetricamente", si può dire che si tratta di una struttura cristallina, che si ottiene riscaldando questo fosforo superiore a 250 ºC.

Fosforo rosso, tuttavia, il più delle volte è costituito da un solido amorfo, quindi la sua struttura è disordinata. Quindi, le catene polimeriche di P₄ Avrebbero senza modello apparente, uno sopra e altri al di sotto dello stesso piano arbitrariamente.

Si noti che questa è la principale differenza strutturale tra fosforo bianco e rosso: nel primo₄ Sono individuali e nella seconda catene di formazione. Ciò è possibile perché uno dei collegamenti P-P è rotto all'interno del tetraedro per poter collegarsi al tetraedro vicino. Pertanto, la tensione anulare e il fosforo rosso sono ridotti più stabilità.

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Quando c'è una miscela di entrambi gli alotropi, viene offerta in vista come un fosforo giallo; Una miscela di tetraedri e catene di fosforo amorfo. In effetti, fosforo bianco.

Fosforo viola o hittorf

Struttura molecolare del fosforo viola. Fonte: cadmio in inglese Wikipedia [dominio pubblico]

Il fosforo viola è l'evoluzione finale del fosforo rosso. Come si può vedere nell'immagine superiore, continua a consistere in una catena polimerica; Ma ora le strutture sono più intricate. Sembra che l'unità strutturale non sia più il P₄ Ma p₂, disposti in modo tale da formare anelli pentagonali irregolari.

Nonostante l'asemmetrica della struttura, queste catene polimeriche riescono a ordinare abbastanza bene e periodicamente in modo che il fosforo viola.

Fosforo nero

Struttura del fosforo nero visto da diversi angoli. Fonte: Benjah-BMM27 [dominio pubblico].

E infine abbiamo il fosforo più stabile alotrope: il colore nero. Prepara il fosforo bianco sotto una pressione di 12.000 atm.

Nell'immagine superiore (sotto), si può vedere che la sua struttura, da un piano superiore, ha una certa somiglianza con quella della grafite; È una ripida rete di anelli esagonali (anche se sembrano quadrati).

Nell'angolo in alto a sinistra dell'immagine, puoi apprezzare meglio il nuovo commentato. Gli ambienti molecolari degli atomi P sono piramide trigonali. Si noti che la vista della struttura lateralmente (angolo in alto a destra), è disposta a strati che si adattano all'altro.

La struttura del fosforo nero è piuttosto simmetrica e ordinata, il che concorda con la sua capacità di stabilirsi come cristalli ortorrombici. Lo stacking dei suoi strati polimerici provoca atomi di P non disponibili per molte reazioni chimiche; Ed è per questo che è considerevolmente stabile e poco reattivo.

Sebbene non sia necessario menzionarlo, le forze di dispersione di Londra e le masse molari di questi solidi fosforici sono quelle che governano alcune delle sue proprietà fisiche; mentre le loro strutture e legami P-P definiscono le proprietà chimiche e altri.

Dov'è e ottieni

Apatita e fosforite

È il dodici elementi della crosta terrestre e ne rappresenta lo 0,1% in peso. Ci sono circa 550 minerali che contengono fosforo, l'Apatita è il minerale più importante per ottenere fosforo.

Apatita è un minerale di fosforo e calcio che può contenere quantità variabili di fluoruro, cloruro e idrossido, la cui formula è la seguente: [Ca₁₀(Po₄)₆(F, cl o oh)₂). Oltre all'apatite ci sono altri minerali di fosforo di importanza commerciale; Questo è il caso di Waveta e Vivianita.

La roccia di fosfato o fosforite è la principale fonte di fosforo. È una roccia sedimentaria non detritica che ha un contenuto di fosforo del 15-20%. Il fosforo è di solito presente come Ca₁₀(Po₄)₆F₂ (fluoroapatita). È anche presente come idrossiapatite, sebbene in misura minore.

Inoltre, la fluoroapatite può essere trovata parte delle rocce ignee e metamorfiche, nonché calcari e scisto.

Riduzione elettrotermale di fluoroapatita

Le rocce di fosfato selezionate vengono trasferite nell'impianto di trattamento per la lavorazione. Inizialmente, sono schiacciati per ottenere frammenti di roccia che vengono quindi macinati in mulini a sfera a 70 rivoluzioni al minuto.

Quindi, il prodotto della macinazione dei frammenti di roccia viene setacciato per essere in grado di frammentirli. Tali frazioni sono scelte con un contenuto di fosforo al 34% come il pentossido di fosforo (P₂O₅).

Fosforo bianco (P₄) È ottenuto industrialmente dalla riduzione elettrotermica della fluoroapatite con carbonio a una temperatura di 1.500 ºC in presenza di ossido di silicio:

2ca₃(Po₄)₂(s) + 6sio₂(s) + 10 c (s) => p₄(g) + casio₃(L) + Co (G)

Il p₄ In uno stato gassoso, dopo la condensazione, viene raccolto e immagazzinato come un solido bianco immerso nell'acqua per evitare di reagire con l'aria esterna.

Leghe

Rame

La copertura del fosforo è prodotta con diverse percentuali di rame e fosforo: Cu 94 % - p 6 %; Cu 92% - p 8%; Cu 85% - P 15%, ecc. La lega viene utilizzata come agente desossidante e idratante per l'industria del rame e anche come nucleant nell'industria dell'alluminio.

Broncina

Sono leghe di rame, fosforo e stagno contenenti fosforo 0,5 - 11% e stagno 0,01 - 0,35%. La stagno aumenta la resistenza alla corrosione, mentre il fosforo.

È usato nell'elaborazione di molle, bulloni e, in generale, in articoli che richiedono affaticamento, usura e corrosione chimica. Si consiglia il suo uso nelle eliche della nave.

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Nictelladas

La lega più conosciuta è il Nip_venti, Usando il nichel fosforato in forti leghe di saldatura, per migliorare la sua resistenza all'erosione chimica, all'ossidazione e alle alte temperature.

La lega viene utilizzata nei componenti di motori a gas e di reazione, galvanoplastica e nella produzione di elettrodi di saldatura.

Rischi

Il fosforo bianco produce gravi ustioni della pelle ed è un potente veleno che può essere mortale alla dose di 50 mg. Il fosforo inibisce l'ossidazione cellulare, interferendo con la gestione dell'ossigeno cellulare, che può portare alla degenerazione del grasso e alla morte della cellula.

L'avvelenamento da fosforo acuto produce nei primi quattro giorni del dolore addominale di assunzione, dell'ardore, del respiro con l'odore di aglio, vomito fosforescente, sudorazione, crampi muscolari e persino uno stato di shock.

Successivamente, l'ittero, le petiteche, l'emorragia, l'affetto miocardico con aritmie, l'alterazione del sistema nervoso centrale e la morte nel decimo giorno di assunzione si manifestano.

La manifestazione più ovvia dell'avvelenamento da fosforo cronico è il danno alla struttura ossea della mascella.

Un aumento della concentrazione plasmatica di fosforo (iperfospathia), è generalmente presentato in pazienti con insufficienza renale. Ciò provoca un deposito anormale di fosfati nei tessuti molli, che può portare a disfunzione vascolare e malattia cardiovascolare.

Applicazioni

Il fosforo è un elemento essenziale per piante e animali. È uno dei tre principali nutrienti delle piante, essendo necessario per la loro crescita e il loro fabbisogno energetico. Inoltre, fa parte di acidi nucleici, fosfolipidi, prodotti intermedi di processi metabolici, ecc.

Nei vertebrati il ​​fosforo è presente nelle ossa e nei denti sotto forma di idrossilapatite.

- Fosforo elementare

Una scatola di corrispondenze o "fosforo". Fonte: pxhere.

Con il fosforo viene prodotto uno smalto chimico che viene utilizzato per illuminare gli avvisi inseriti in alluminio e le sue leghe; così come nel bronzo di rame e fosforato.

Viene anche usato per realizzare bombe incendiarie, granate, pompe per fumo e proiettili di traccianti. Il fosforo rosso viene utilizzato nell'elaborazione di partite o corrispondenze di sicurezza.

Il fosforo bianco viene utilizzato per l'elaborazione dell'organofosfato. Inoltre, viene utilizzato nella produzione di acido fosforico.

Una grande quantità di fosforo prodotto è incenerita per la produzione di fosforo tetraxide (P₄O₁₀), ottenuto come polvere o solido.

- Composti

Fosfina

È la materia prima per l'elaborazione di diversi composti di fosforo. Agisce come agente di doping per i componenti elettronici.

Acido fosforico

È usato nell'elaborazione delle bevande analcoliche a causa del gusto caratteristico che le conferisce. Agire sulle rocce di fosfato per formare fosfato di calcio diidrogenico₂Po₄)₂], noto anche come superfosfato, che viene usato come fertilizzante.

L'acido fosforico è un condizionatore di elemento dello smalto dentale per facilitare l'adesione dei materiali del suo restauro. Viene anche usato, miscelato con olio, urea, rottura, bitume e sabbia, per formare l'asfalto; Materiale utilizzato nella riparazione dei canali di comunicazione terrestre.

Organofosforo

I composti organofosfori hanno numerose applicazioni; come: ritardanti di fiamma, pesticidi, agenti di estrazione, agenti di azione nervosa e trattamento dell'acqua.

Diidrato diidrato fosfato di calcio

È usato come fertilizzante, lievito, additivo per alimenti per animali e nell'elaborazione delle paste dentali.

Pentossido di fosforo

È usato nell'analisi chimica come agente disidratante e nella sintesi organica come agente di condensatore. Il composto è principalmente assegnato per la produzione di acido ortofosforico.

Sodio tripolifosfato

È usato nei detergenti e come ammorbidente, che migliora l'azione dei detergenti e aiuta a evitare la corrosione dei tubi.

Fosfato trisodico

Viene usato come agente di pulizia e ammorbidente.

Fosfati di sodio

Fosfato di sodio dibasico (NA₂HPO₄) e fosfato monobasico di sodio (NAH₂Po₄) sono i componenti di un sistema di ammortizzatore di pH, che agisce persino negli esseri viventi; Tra questi esseri umani.

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