مقدمه ای بر فسفر

را عنصر فسفرکه درست زیر نیتروژن در گروه 15 جدول تناوبی قرار دارد، یک غیرفلز بسیار واکنش پذیر است. به این ترتیب، نمی تواند به عنوان یک عنصر آزاد روی زمین وجود داشته باشد. فسفر حالت های شیمیایی مختلفی به نام «آلوتروپ» به خود می گیرد. اینها شامل فسفر سفید، قرمز، بنفش و سیاه است. رایج ترین شکل ها شامل سفید و قرمز است. برای زندگی ضروری است و به عنوان کود و در کبریت استفاده فراوان دارد.

حقایق جالب درباره فسفر

چه کسی برای یادگیری برخی از حقایق فسفر آماده است؟

1. نام “فسفر” از واژه یونانی “phosphoros” گرفته شده است که به معنای “آورنده نور” است.
2. متون اغلب از فسفر به عنوان “عنصر شیطان” به دلیل درخشش، تمایل به احتراق و موقعیت آن به عنوان سیزدهمین عنصر کشف شده یاد می کنند.
3. بدن بالغ به طور متوسط ​​حاوی حدود 750 گرم فسفر است – این عنصر همه اشکال زندگی را تسهیل می کند.
4. استخوان ها و دندان های ما حدود 85 درصد از فسفر را در بدن ذخیره می کنند
5. ارتش از فسفر سفید برای ساخت وسایل آتش زا مانند بمب، نارنجک و راکت استفاده می کند.
6. فسفر حدود 12 درصد از کل کودهای تجاری را تشکیل می دهد
7. بیش از نیمی از مصرف فسفر در کشورهای در حال توسعه رخ می دهد
8. غذاهایی مانند لبنیات، تخم مرغ، گوشت، مرغ، ماهیآجیل و حبوبات حاوی بیشترین مقدار فسفر هستند
9. فسفر سفید به طور خود به خود در هوا مشتعل می شود و در تماس با پوست می تواند باعث سوختگی خطرناک درجه 3 شود.

فسفر در جدول تناوبی

فسفر، یک نافلز مومی بسیار واکنش پذیر، دارای نماد P و عدد اتمی 15 است. این فسفر در سمت چپ گوگرد، سمت راست سیلیکون، و زیر نیتروژن در گروه 15 جدول تناوبی، یعنی pnictogens قرار دارد. اتم فسفر دارای یک ساختار الکترونی از [Ne]3s²3p³ یا 1s²2 ثانیه²2p⁶3s²3p³

آلوتروپ های فسفر

فسفر سفید

فسفر سفید سمی ترین آلوتروپ این عنصر است. به عنوان یک ماده جامد مومی و نیمه شفاف ظاهر می شود که در تاریکی فلورسانس می کند. هنگامی که در معرض هوا قرار می گیرد، فسفر سفید به طور خود به خود قابل اشتعال می شود و تماس با پوست باعث سوختگی شدید می شود. هنگامی که فسفر سفید می سوزد، پنتوکسید فسفر را تشکیل می دهد.

در مولکول های فسفر سفید، چهار اتم فسفر در یک ساختار حلقه بسته از طریق پیوندهای کووالانسی به یکدیگر متصل می شوند. زاویه پیوند کم که از این پیکربندی حاصل می‌شود، باعث ایجاد فشار در مولکول می‌شود و کیفیت بسیار واکنش‌پذیر آن را توضیح می‌دهد.

فسفر سفید بسیار خطرناک است و می تواند باعث آسیب بزرگ یا مرگ شود. در اثر گرما یا نور به تدریج به فسفر قرمز تبدیل می شود و به همین دلیل اغلب زرد به نظر می رسد.

فسفر قرمز

این آلوتروپ سمیت کمتری نسبت به همتای خود دارد. این ماده به صورت یک ماده پودری قرمز، براق و آهنی به نظر می رسد. فسفر قرمز بسیار پایدارتر و خطرناکتر از فسفر سفید است. می توان آن را در مقادیر کم از نوارهای مهاجم موجود در جعبه های کبریت استخراج کرد.

فسفر قرمز زمانی تشکیل می‌شود که حلقه‌های فسفر سفید از طریق پیوندهای کووالانسی پلیمریزه می‌شوند و زنجیره‌های مستقیم تشکیل می‌دهند. این زنجیره‌ها فشار درون مولکولی را به حداقل می‌رسانند و واکنش پذیری مولکول را کاهش می‌دهند.

فسفر سیاه

فسفر سیاه حتی کمتر از فسفر قرمز واکنش پذیر است و به صورت جامد سیاه، براق و کریستالی به نظر می رسد. این مولکول ها حاوی شبکه های کریستالی هستند که از طریق پیوند پیوندهای PPP موجود تشکیل می شوند.

زاویه پیوند بزرگتر ناشی از این پیکربندی به پایداری نسبی آن کمک می کند. فسفر سیاه به عنوان یک آلوتروپ با واکنش کمتر، هیچ واکنشی نسبت به گوگرد، اکسیژن یا هالوژن نشان نمی دهد.

فسفر سیاه می تواند یک شکل α-سیاه یا β-سیاه به خود بگیرد. اولی، پایدارتر، از طریق حرارت دادن فسفر قرمز رخ می دهد. دومی، واکنش پذیرتر، پس از حرارت دادن فسفر سفید تحت فشار، سنتز می شود.

فسفر بنفش

فسفر بنفش، کم واکنش‌ترین آلوتروپ، به آرامی با هالوژن‌ها واکنش می‌دهد. به صورت یک جامد کریستالی تقریباً سیاه اما کمی بنفش به نظر می رسد.

فسفر بنفش از طریق گرم کردن فسفر قرمز در یک لوله دربسته یا حل کردن فسفر سفید در سرب مذاب تشکیل می‌شود. دانشمندان به بررسی ساختار شبکه ای آن با استفاده از روش های پراش اشعه ایکس ادامه می دهند.

فسفر در محیط زیست

از آنجایی که فسفر نمی تواند به طور طبیعی در محیط وجود داشته باشد، معمولاً از فسفات استخراج می شود. اصطلاح “فسفات ها” هر مشتق شیمیایی فسفر را توصیف می کند که حاوی یون فسفات، PO باشد.₄^3-.

فسفات ها معمولاً در کف رودخانه ها و دریاچه ها، در سنگ های مختلف و به صورت بزرگ جمع می شوند. ذخایر معدنی سراسر دنیا. فسفات های طبیعی در داخل هر موجود زنده وجود دارد. آنها شامل DNA، RNA، ATP، فسفولیپیدها و سایر ترکیباتی هستند که برای عملکرد سلولی و در نتیجه حیات حیاتی هستند.

پس از سنتز فسفر از فسفات ها، فسفر کاربردهای زیادی دارد. فسفر تولید فسفر برنز و فولاد، اجزای حیاتی فنرها، پیچ‌ها و کلیدهای برق را تسهیل می‌کند. بسیاری از مواد شوینده لباسشویی و ماشین ظرفشویی به دلیل توانایی آن در پاک کردن کثیفی از اجسام دارای فسفر هستند. چراغ های LED به خاصیت فلورسنت فسفر سفید متکی هستند. از فسفر قرمز در کبریت، گلوله های آتش زا و سایر وسایل انفجاری به دلیل خاصیت اشتعالی استفاده می شود.

تاریخچه عنصر فسفر

پزشک و کیمیاگر آلمانی برند هنیگ عنصر فسفر را در سال 1669 با تبخیر ادرار و سپس حرارت دادن باقیمانده برای ایجاد بخار فسفر کشف کرد. سپس این بخار را با متراکم کردن آن در آب تقطیر کرد و فسفر جامد به شکل آلوتروپیک سفید ایجاد کرد.

برانت در تلاش های خود برای سنتز “سنگ فیلسوف” به فسفر برخورد کرد، که ظاهراً می تواند فلزات را به طلا تبدیل کند. دستیابی او به این هدف شامل گرم کردن شن و زغال و سپس ترکیب آنها با ادرار پخته شده بود. در یک روز خاص، مخلوط حاصل این بخار سفید را تولید کرد. او قطرات درخشان و مومی شکل را “فسفر” نامگذاری کرد، یک اصطلاح لاتین برای موادی که نور ساطع می کنند.

فسفر – واکنش ها، ترکیبات، حالت های اکسیداسیون و جداسازی

واکنش ها

فسفر + اکسیژن

این عنصر به آسانی با اکسیژن برای احتراق واکنش نشان می دهد و بخارهای سفید متراکمی را تشکیل می دهد.

پ₄(s) + 5O₂(ز) → ص₄O₁₀(g)

فسفر + هالوژن ها

فسفر با همه هالوژن ها واکنش می دهد و تری هالیدهای فسفر را تشکیل می دهد. به طور خاص، با فلوئور واکنش می دهد: F₂، کلر: Cl₂، برم: Br₂و ید: I₂، به ترتیب فلوراید فسفر (III) تشکیل می شود: PF₃کلرید فسفر (III): PCl₃برمید فسفر (III): PBr₃و یدید فسفر (III): PI₃.

فلوئور: P₄(s) + 6F₂(g) → 4PF₃(g)

کلر: P₄(s) + 6Cl₂(g) → 4PCl₃(ل)

برم: P₄(s) + 6Br₂(g) → 4PBr₃(ل)

ید: P₄(s) + 6I₂(g) → 4PI₃(g)

فسفر + آب

از آنجایی که فسفر با آب واکنش نمی دهد، دانشمندان اغلب آن را در زیر آب ذخیره می کنند تا از واکنش با هوا جلوگیری کنند. اما با جوشاندن فسفر در آب، فسفین و اسید فسفر تولید می شود.

2P₄(s) + 3H₂O(l) → PH₃(g) + H₃PO₃(ها)

فسفر + اسیدها

فسفر با HCl واکنش می دهد و فسفین و کلرید فسفر (III) تولید می کند.

پ₄(s) + 6HCl(l)→ 2PH₃(g) + 2PCl₃(ل)

ترکیبات فسفر

فسفر تقریباً به طور کامل به شکل ترکیباتی وجود دارد که معمولاً از حالت اکسیداسیون +5 آن استفاده می کنند.

فسفات ها

ترکیبات رایج فسفات شامل فسفات کلسیم: Ca₃(PO₄)₂، آپاتیت: Ca₅(PO₄)₃OH، فلوراپاتیت: Ca₅(PO₄)₃F; و کلراپاتیت: Ca₅(PO₄)₃Cl. محبوب ترین کود فسفات حاوی ترکیب کلسیم دی هیدروژن فسفات یا سوپر فسفات است: Ca(H₂PO₄)₂.

هیدریدها

کاتالیزور بسیاری از واکنش های سنتز فسفر آلی، ترکیب بسیار سمی هیدروژن فسفین است: PH₃. واکنش فسفر سفید با هیدروکسید سدیم یا پتاسیم باعث تولید فسفین می شود.

اکسیدها

پنتوکسید فسفر: P₄O₁₀که در هنگام سوختن فسفر سفید تشکیل می شود، به عنوان یک عامل خشک کننده و متراکم کننده عمل می کند. به شدت با آب واکنش می دهد و اسید فسفریک تشکیل می دهد. فسفر در حالت اکسیداسیون +5 است.

هگزا اکسید تترا فسفر: P₄O₆ به عنوان انیدرید اسید فسفر عمل می کند. فسفر در این ترکیب در حالت اکسیداسیون +3 است.

اسیدها

تصفیه پنتوکسید فسفر با آب باعث تولید اسید اورتوفسفریک می شود: H₃PO_4، که مصارف صنعتی دارد. اسید فسفر: H3PO3 واسطه را در هنگام تهیه سایر ترکیبات فسفر فراهم می کند.

حالت های اکسیداسیون فسفر

رایج ترین عدد اکسیداسیون فسفر 5+ است. حالت های اکسیداسیون +3 و -3 نیز به ترتیب در فسفیت ها و فسفیدها رخ می دهد. فسفیدها از واکنش فلزات با فسفر قرمز به وجود می آیند. فسفین همچنین حاوی فسفر در حالت +3 است.

جداسازی فسفر

دانشمندان معمولاً فسفر عنصری را از طریق واکنش زیر با استفاده از فسفات کلسیم به دست آمده از سنگ فسفات جدا می کنند. این واکنش در دمای 1500 درجه سانتیگراد رخ می دهد. آلومینیوم همچنین می تواند استفاده شود، که اجازه می دهد واکنش در دمای پایین تر انجام شود.

2 Ca₃(PO₄)₂(s) + 6SiO₂(s) + 10C(s) → 6CaSiO₃(l) + 10CO(g) + P₄(g)

کاربردهای فسفر در دنیای امروز

کاربرد فسفر چیست؟

کاربرد اصلی فسفر به شکل اسید فسفریک غلیظ در کودها است. از ترکیبات فسفر در بکینگ پودر، آفت کش ها، شوینده ها و نرم کننده ها نیز استفاده می شود.

فسفات یک عنصر مهم در کودها است و به حفظ بازده محصول بالا کمک می کند. کل صنعت کشاورزی به آن وابسته است و جایگزین آسانی ندارد. با این حال، سنگ فسفات در سطوح ناپایدار استخراج می شود. برخی از محققان در تلاش هستند بازیابی فسفر از فاضلاببا استفاده از باکتری برای رسوب فسفر.

فسفر همچنین می تواند سنتز d- مت آمفتامین، یکی از دو استریو ایزومر ترکیب مت آمفتامین را تسهیل کند. فسفر قرمز می تواند در حضور آب با ید واکنش داده و پیش سازهای مورد نیاز دارو را تولید کند. به همین دلیل، در اختیار داشتن و توزیع فسفر قرمز و سفید (که می تواند به آلوتروپ قرمز عنصر تبدیل شود) با هدف تولید مت آمفتامین در ایالات متحده غیرقانونی است.

عنصر فسفر همچنین به اتروفیکاسیون یا کاهش سطح اکسیژن در زیستگاه های آبی کمک می کند. دریاچه‌ها، نهرها و رودخانه‌ها در نزدیکی تأسیساتی که فسفر را پردازش می‌کنند، اغلب رسوبات این ماده را دریافت می‌کنند. این امر باعث رشد بیش از حد جلبک هایی می شود که اکسیژن آب را کاهش می دهند. رواناب آب حامل کود حاوی فسفر نیز برای ایجاد این “مناطق مرده” جمع می شود. دانشمندان با محدود کردن مقدار فسفر موجود در کودها و مواد شوینده و با حفظ محیط های آبی تمیز با اوتروفیکاسیون مبارزه می کنند.

خواص فیزیکی فسفر

• نماد اتمی: P
• نقطه ذوب: 317.25 K; 44.10 درجه سانتی گراد; 111.40 درجه فارنهایت
• نقطه جوش: 553.15 K; 280.00 درجه سانتی گراد; 536.00 درجه فارنهایت
• چگالی: 1.82 گرم بر سانتی متر^3
• وزن اتمی: 30.97
• عدد اتمی: 15
• الکترونگاتیوی: 2.19
• طبقه بندی: غیر فلزی
• فراوانی طبیعی X% در پوسته زمین: 0.07%
• پیکربندی پوسته الکترونی: [Ne] 3s²3p³
• ایزوتوپ ها: فسفر دارای 21 ایزوتوپ شناخته شده با اعداد جرمی 24-46 است.
  • فقط P-31 پایدار و طبیعی است
  • P-26 تا P-30; P-30 تا P-46 به طور مصنوعی تولید می شوند و رادیواکتیو هستند
• یافت شده: به دلیل رفتار بسیار واکنش پذیر، فسفر به شکل عنصری خالص خود در زمین وجود ندارد. عمدتاً در مواد معدنی به نام فسفات ها مانند آپاتیت و فلوراپاتیت یافت می شود.
• سمیت: تمام اشکال عنصر فسفر برای انسان بسیار سمی است، اما سمی ترین شکل آن فسفر سفید است.

از کجا می توانم فسفر بخرم؟

فسفر بنفش و گاهی فسفر سفید به صورت آنلاین در مقادیر بسیار کم قابل خرید است.

فسفر عنصری از ترکیبات فسفات موجود در خاکستر استخوان، مواد معدنی طبیعی یا حتی ادرار، تصفیه و جداسازی می شود. فرآیند پالایش مفصل است اینجا; این فقط باید در آزمایشگاه با کمک و نظارت حرفه ای انجام شود.

در بسیاری از کشورها، از جمله ایالات متحده آمریکا، فروش فسفر قرمز به شدت محدود شده است، زیرا ید عنصری را به اسید هیدرویدیک کاهش می دهد. سپس می توان از HI برای کاهش افدرین یا سودوافدرین به متامفتامین استفاده کرد. سیگما آلدریچ فسفر قرمز را به لیست غربال شده مشتریان خود می فروشد. مردم همچنین به خرید آن از تامین کنندگان خارج از کشور معروف بوده اند.