Получение и применение фосфора. Физические свойства фосфора



Фосфор

ФО́СФОР -а; м. [от греч. phōsphoros - светоносный] Химический элемент (P), играющий важную роль в жизнедеятельности животных и растений (содержится в некоторых минералах, в костях животных, в животных и растительных тканях). Красный ф. Чёрный ф. В рыбе много фосфора. Ф. нужен для укрепления костей. Белый ф. (легковоспламеняющееся и светящееся в темноте вещество). Море светится, сияет фосфором (светится ночью зеленоватым светом из-за обилия микроорганизмов).

◁ Фо́сфорный (см.).

фо́сфор

(лат. Phosphorus), химический элемент V группы периодической системы. Назван от греч. phōsphóros - светоносный. Образует несколько модификаций - белый фосфор (плотность 1,828 г/см 3 , t пл 44,14°C), красный фосфор (плотность 2,31 г/см 3 , t пл 593°C), и др. Белый фосфор легко самовоспламеняется, светится в темноте (отсюда название), ядовит; красный менее активен химически, ядовит. Добывают из апатитов и фосфоритов. Главный потребитель - сельское хозяйство (фосфорные удобрения); применяется в спичечном производстве, металлургии (раскислитель и компонент некоторых сплавов), в органическом синтезе и др. Присутствует в живых клетках в виде орто- и пирофосфорной кислот и их производных.

ФОСФОР

ФО́СФОР (лат. - Phosphopus), Р (читается «пэ»), химический элемент с атомным номером 15, атомная масса 30,973762. Расположен в группе VA в 3 периоде периодической системы. Имеет один стабильный нуклид 31 Р. Конфигурация внешнего электронного слоя 3s 2 р 3 . В соединениях проявляет степени окисления от –3 до +5. Валентности от III до V. Самая устойчивая степень окисления в соединениях +5.
Радиус нейтрального атома P 0,134 нм, радиус ионов: Р 3- 0,186 нм, Р 3+ 0,044 нм (координационное число 6) и Р 5+ - 0,017 нм (координационное число 4) и 0,038 нм (координационное число 6). Энергии последовательной ионизации нейтрального атома P равны 10,486, 19,76, 30,16, 51,4 и 65 эВ. Сродство к электрону 0,6 эВ. Электроотрицательность по Полингу (см. ПОЛИНГ Лайнус) 2,10. Неметалл.
История открытия
Первым в свободном состоянии фосфор получил в 1669 гамбургский алхимик Х. Бранд (есть сведения, что аналогичное по свойствам вещество было получено еще в 12 веке арабским алхимиком Бехилем). В поисках философского камня (см. ЭЛИКСИР) он прокалил в закрытом сосуде сухой остаток от выпаривания мочи с речным песком и древесным углем. После прокаливания сосуд c реагентами начал светиться в темноте белым светом (это светился фосфор, восстановленный из его соединений, содержащихся в моче).
В 1680 светящийся в темноте фосфор (от греческого «фосфорос» - светоносный) получил англичанин Р. Бойль. (см. БОЙЛЬ Роберт) В последующие годы было установлено, что фосфор содержится не только в моче, но и в тканях головного мозга, в костях скелета. Наиболее простой метод получения фосфора прокаливанием костяной золы с углем был предложен в 1771 К. Шееле (см. ШЕЕЛЕ Карл Вильгельм) . Элементарную природу фосфора установил в конце 18 века А. Л. Лавуазье. (см. ЛАВУАЗЬЕ Антуан Лоран)
Нахождение в природе
Содержание в земной коре 0,105% по массе, что значительно превосходит содержание, например, азота (см. АЗОТ) . В морской воде 0,07 мг/л. В свободном виде в природе фосфор не встречается, но он входит в состав 200 различных минералов. Наиболее известны фосфорит (см. ФОСФОРИТЫ) кальция Са 3 (РО 4) 3 , апатиты (см. АПАТИТЫ) (фторапатит 3Са 3 (РО 4) 3 ·СаF 2 , или, Ca 5 (PO 4) 3 F), монацит (см. МОНАЦИТ) , бирюза (см. БИРЮЗА) . Фосфор входит в состав всех живых организмов.
Получение
Производство фосфора осуществляется электротермическим восстановлением его из фосфоритов и апатитов при 1400-1600°C коксом в присутствии кремнезема:
2Са 3 (РО 4) 2 + 6SiO 2 + 10C = P 4 + 6CaSiO 3 + 10CO
4Са 5 (РО 4) 3 F +21SiO 2 +30C = 3P 4 + 20CaSiO 3 + 30CO + SiF 4
Выделяющиеся пары Р 4 далее обрабатывают перегретым водяным паром для получения термической фосфорной кислоты Н 3 РО 4:
Р 4 + 14Н 2 О = 4Н 3 РО 4 + 8Н 2
При десублимации паров Р 4 образуется белый фосфор. Его перерабатывают в красный фосфор нагреванием без доступа воздуха при температуре 200-300°C в реакторах, снабженных шнековым измельчителем реакционной массы.
Особенности строения аллотропных модификаций и их физические свойства
Элементарный фосфор существует в нескольких аллотропных модификациях, главные из которых: белая (фосфор III), красная (фосфор II) и черная (фосфор I).
Белый фосфор - воскообразное, прозрачное вещество, с характерным запахом. Состоит из тетраэдрических молекул Р 4 , которые могут свободно вращаться. Белый фосфор обладает кубической кристаллической решеткой молекулярного типа, параметр ячейки а = 1,851 нм. Плотность 1,828 кг/дм 3 . Температура плавления 44,14°C, температура кипения 287°C. Существует две формы белого фосфора: a-модификация, с кубической кристаллической решеткой, при –76,9°C переходит в b-модификацию, кристаллическая решетка которой не установлена и отсутствует свободное вращение молекул Р 4 . Диэлектрик. Растворяется в этиловом спирте, бензоле, сероуглероде CS 2 .
Нагревая белый фосфор без доступа воздуха при 250-300°C получают красный фосфор. Примеси натрия, иода и селена и УФ-лучи ускоряют переход одной модификации в другую.
Красный фосфор аморфен, имеет цвет от алого до темно-коричневого и фиолетового. Существует несколько кристаллических форм с различными свойствами. Кристаллический красный фосфор (фосфор Гитторфа) получают охлаждая насыщенный при температуре 600°C раствор красного фосфора в расплавленном свинце. Он обладает моноклинной решеткой, параметры элементарной ячейки а = 1,02 нм, в = 0,936 нм, с = 2,51 нм, угол b 118,8°. Плотность красного фосфора 2,0-2,4 кг/дм 3 . Диэлектрик. При нагревании красный фосфор испаряется в виде молекул Р 4 , конденсация которых приводит к образованию белого фосфора.
При нагревании белого фосфора до 200-220°C под давлением 1,2 ГПа образуется кристаллический черный фосфор. Решетка построена из волокнистых слоев с пирамидальным расположением атомов. Наиболее устойчивая разновидность черного фосфора имеет орторомбическую решетку, параметры а = 0,3314 нм, в = 0,4376 нм, с = 1,0478 нм. Плотность черного фосфора 2,702 кг/дм 3 . Внешне похож на графит; полупроводник, диамагнитен. При нагревании до 560-580°C превращается в красный фосфор. Черный фосфор малоактивен, с трудом воспламеняется.
Химические свойства
Фосфор в соединениях главным образом ковалентен. Фосфор обладает свободными 3d-орбиталями, что приводит к образованию донорно-акцепторных связей. Наиболее активен белый фосфор. Он окисляется на воздухе. Окисление происходит по механизму цепных реакций и сопровождается хемолюминесценцией. При горении фосфора в избытке кислорода получается P 2 O 5 , который образует димеры Р 4 О 10 и тетрамеры Р 8 О 20 . При недостатке кислорода получается P 2 O 3 . Самовоспламеняется на воздухе за счет выделяющейся при окислении теплоты. Красный фосфор на воздухе окисляется медленно, не самовоспламеняется. Черный фосфор на воздухе не окисляется.
Оксид фосфора(V) - кислотный оксид. Он реагирует с водой с выделением большого количества теплоты. При этом сначала образуется полимерная метафосфорная кислота (НРО 3) n . При обработке горячей водой она превращается в трехосновную ортофосфорную кислоту средней силы Н 3 РО 4:
Р 4 О 10 + 2Н 2 О = (НРО 3) 4 ; (НРО 3) 4 + 4Н 2 О = 4Н 3 РО 4
или Р 2 О 5 + 3Н 2 О = 2Н 3 РО 4
Фосфор взаимодействует с галогенами с выделением большого количества тепла. С F, Cl, Br образует тригалогениды и пентагалогениды, с I - только триодид РI 3 . Все галогениды фосфора легко гидролизуются до ортофосфорной Н 3 РО 4 , фосфористой Н 3 РО 3 и галогеноводородной кислот:
РСl 5 + 4Н 2 О = Н 3 РО 4 + 5НСl
PI 3 + 3H 2 O = H 3 PO 3 + 3HI
Тригалогениды фосфора представляют собой трехгранную пирамиду, в основании которой расположены атомы галогенов, а в вершине находится атом фосфора. Молекула пентагалогенида представляет собой две трехгранные пирамиды, имеющие общую грань. Получены оксигалогениды фосфора РОF 3 , РОСl 3 и РОBr 3 .
С серой фосфор образует сульфиды Р 4 S 3 , Р 4 S 5 , Р 4 S 7 , Р 4 S 10 . Известны оксисульфиды фосфора: P 2 O 3 S 2 , P 2 O 2 S 3 , P 4 O 4 S 3 , P 6 O 10 S 5 , P 4 O 4 S 3 . Реагирует фосфор с Se и Te, образует соединения с Si и C (PC 3).
С водородом непосредственно в реакцию не вступает. При взаимодействии с разбавленным раствором гидроксида калия КОН образуется газообразный фосфин РН 3:
4Р + 3КОН +3Н 2 О = 3КН 2 РО 2 + РН 3
Как примесь при этом образуется также дифосфин Р 2 Н 4 . Оба фосфина имеют характерный запах тухлой рыбы.
Фосфин РН 3 по химическим свойствам напоминает аммиак NH 3 , но менее устойчив.
Фосфор при сплавлении реагирует с металлами. С щелочноземельными образует ионные фосфиды М 3 Р 2 ,разлагающиеся при контакте с водой:
Mg 3 P 2 + 6H 2 O = 3Mg(OH) 2 + 2PH 3 ,
Са 3 Р 2 + 6Н 2 О = 3Са(ОН) 2 + 2РН 3
Со переходными металлами фосфор образует металлоподобные фосфиды Mn 3 P, FeP, Ni 2 P.
Фосфор входит в состав неорганических кислот. Это ортофосфорная кислота Н 3 РО 4 (ее соли - ортофосфаты, моногидрофосфаты, Na 2 HPO 4 и дигидрофосфаты, Са(Н 2 РО 4) 2); метафосфорная кислота (НРО 3) n (ее соли - метафосфаты), одноосновная фосфорноватистая кислота Н 3 РО 2 (ее соли - гипофосфиты, NaН 2 РО 2), двухосновная фосфористая кислота Н 3 РО 3 (ее соли - фосфиты, Na 2 HPO 3).
Фосфор входит в состав органических эфиров, спиртов и кислот: фосфиновых RRP(O)OH, фосфонистых RH 2 PO 2 и фосфоновых RP(O)(OH) 2 , где R и R - органические радикалы.
Применение
Белый фосфор используется при изготовлении фосфорной кислоты Н 3 РО 4 (для получения пищевых фосфатов и синтетических моющих средств). Применяется при изготовлении зажигательных и дымовых снарядов, бомб.
Красный фосфор используют в изготовлении минеральных удобрений, спичечном производстве. Фосфор применяется в производстве сплавов цветных металлов как раскислитель, служит легирующей добавкой. Используется в производстве магнитомягких сплавов, при получении полупроводниковых фосфидов. Соединения фосфора служат исходными веществами для производства медикаментов.
Содержание в организме
Фосфор присутствует в живых клетках в виде орто- и пирофосфорной кислот, входит в состав нуклеотидов, нуклеиновых кислот, фосфопротеидов, фосфолипидов, коферментов, ферментов. Кости человека состоят из гидроксилапатита 3Са 3 (РО 4) 3 ·СаF 2 . В состав зубной эмали входит фторапатит. Основную роль в превращениях соединений фосфора в организме человека и животных играет печень. Обмен фосфорных соединений регулируется гормонами и витамином D. Суточная потребность человека в фосфоре 1-2 г. При недостатке фосфора в организме развиваются различные заболевания костей.
Физиологическое действие
Соединения фосфора токсичны. Смертельная доза белого фосфора - 50-150 мг. Попадая на кожу, белый фосфор дает тяжелые ожоги. Боевые отравляющие вещества зарин, зоман, табун являются соединениями фосфора. Острые отравления фосфором проявляются жжением во рту и желудке, головной болью, слабостью, рвотой. Через 2-3 суток развивается желтуха. Для хронических форм характерны нарушение кальциевого обмена, поражение сердечно-сосудистой и нервной систем. Первая помощь при остром отравлении - промывание желудка, слабительное, очистительные клизмы, внутривенно растворы глюкозы. При ожогах кожи обработать пораженные участки растворами медного купороса или соды. ПДК паров фосфора в воздухе 0,03 мг/м 3 . Пыль красного фосфора, попадая в легкие, вызывает пневмонию.

Энциклопедический словарь . 2009 .

Синонимы :

Смотреть что такое "фосфор" в других словарях:

- (греч., от phos свет, и phoros несущий). Простое тело, желтоватого цвета, легко воспламеняющееся и светящееся в темноте. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. ФОСФОР греч. phosphoros, от phos, род. пад.… … Словарь иностранных слов русского языка

ФОСФОР - ФОСФОР, хим. элемент (символ Р) с ат. в. 31,02, принадлежащий к V группе и 3 ряду периодической системы Менделеева (порядковый номер 15). Ф. широко распространен в природе, но лишь в виде кислородных соединений: почва содержит его в виде солей… … Большая медицинская энциклопедия

Фосфор - представляет собой твердое вещество, мягкое и пластичное по консистенции, получаемое путем обработки природных фосфатов, смешанных с песком и углеродом, в электрической печи. Существуют две основные разновидности фосфора: а) белый фосфор,… … Официальная терминология

- (символ Р), химический элемент пятой группы периодической таблицы, впервые обнаруженный в 1669 году. Встречается в виде ФОСФАТОВ в минералах, главный источник фосфора АПАТИТ. Этот элемент применяется для изготовления ФОСФОРНОЙ КИСОЛТЫ,… … Научно-технический энциклопедический словарь

- (Phosphorus), P, химический элемент V группы периодической системы, атомный номер 15, атомная масса 30,97376; неметалл белого (светится на воздухе, tпл 44,14шC), красного (tпл 593шC) или черного (tпл 1000шC) цвета. Фосфор используют в… … Современная энциклопедия

- (лат. Phosphorus) Р, химический элемент V группы периодической системы Менделеева, атомный номер 15, атомная масса 30,97376. Название от греч. phosphoros светоносный. Образует несколько модификаций Белый фосфор (плотность 1,828 г/см³, tпл… … Большой Энциклопедический словарь

Фосфор - (Phosphorus), P, химический элемент V группы периодической системы, атомный номер 15, атомная масса 30,97376; неметалл белого (светится на воздухе, tпл 44,14°C), красного (tпл 593°C) или черного (tпл 1000°C) цвета. Фосфор используют в… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

фосфор - а, м. phosphore m.<гр. phos свет + phoros несущий. Распространенный химический элемент, играющий большую роль в жизнедеятельности животных и растений. Белый, красный, черный фосфор. БАС 1. Бывают натуральные и произведенные искусством фосфоры … Исторический словарь галлицизмов русского языка

P (лат. Phosphorus * a. phosphorus; н. Phosphor; ф. phosphore; и. fosforo), хим. элемент V группы периодич. системы Mенделеева, ат.н. 15, ат. м. 30,97376. Природный Ф. представлен одним стабильным изотопом 31P. Известно 6 искусств.… … Геологическая энциклопедия

ФОСФОР, фосфора, мн. нет, муж. (греч. phosphoros светоносный) (хим.). Химический элемент, легко воспламеняющееся и светящееся в темноте вещество, находящееся в составе некоторых минералов, в костях животных, в животных и растительных тканях.… … Толковый словарь Ушакова

Ипи Луцифер Prosphorus, Lucifer), т. е. светоноситель. Название планеты Венеры как утренней звезды. Как вечерняя звезда она называлась Геспер, или Веспер, и считалась сыном Астрея и Эос, отцом Гесперид. (

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Белый фосфор представляет собой одну из аллотропных модификаций химического элемента фосфора (рис. 1). Он состоит из молекул P 4 .

Метастабильный, при комнатной температуре мягкий как воск (режется ножом), на холоду - хрупкий. Плавится и кипит без разложения, летучий при слабом нагревании, перегоняется с водяным паром. Медленно окисляется на воздухе (цепная реакция с участием радикалов, хемилюминесценция), при слабом нагревании воспламеняется в присутствии кислорода. Хорошо растворяется в сероуглероде, аммиаке, оксиде серы (IV), плохо - в тетрахлориде углерода. Не растворяется в воде, хорошо сохраняется под слоем воды.

Рис. 1. Белый фосфор. Внешний вид.

Химическая формула белого фосфора

Химическая формула белого фосфора - P 4 . Она показывает, что в составе молекулы этого вещества находится четыре атома фосфора (Ar = 31 а.е.м.). По химической формуле можно вычислить молекулярную массу белого фосфора:

Mr(P 4) = 2×Ar(P) = 4×31 = 124

Структурная (графическая) формула белого фосфора

Более наглядной является структурная (графическая) формула белого фосфора . Она показывает то, как связаны атомы между собой внутри молекулы. Структурная формула белого фосфора имеет вид:

Электронная формула

Электронная формула , показывающая распределение электронов в атоме по энергетическим подуровням показана ниже:

15 P 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3

Она также показывает, что фосфор относится к элементам р-семейства, а также число валентных электронов — на внешнем энергетическом уровне находится 5 электронов (3s 2 3p 3).

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Установите массовую формулу вещества, содержащего 55,2% калия, 14,6% фосфора и 30,2% кислорода.
Решение	Обозначим количество моль элементов, входящих в состав соединения за «х» (калий), «у» (фосфор) и «z» (кислород). Тогда, мольное отношение будет выглядеть следующим образом (значения относительных атомных масс, взятых из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел): x:y:z = ω(K)/Ar(K) : ω(P)/Ar(P) : ω(O)/Ar(O); x:y:z= 55,2/39: 14,6/31: 30,2/16; x:y:z= 1,4: 0,5: 1,9 = 3: 1: 4 Значит формула соединения калия, фосфора и кислорода будет иметь вид K 3 PO 4 . Это фосфат калия.
Ответ	K 3 PO 4

ПРИМЕР 2

Задание	Оксид азота содержит 63,2% кислорода. Какова формула оксида.
Решение	Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле: ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100% Вычислим массовую долю азота в оксиде: ω (N) = 100% — ω(O) = 100% — 63,2% = 36,8% Обозначим количество моль элементов, входящих в состав соединения за «х» (азот) и «у» (кислород). Тогда, мольное отношение будет выглядеть следующим образом (значения относительных атомных масс, взятых из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел): x:y = ω(N)/Ar(N) : ω(O)/Ar(O); x:y= 36,8/14: 63,2/16; x:y= 2,6: 3,95 = 1: 2 Значит формула соединения азота и кислорода будет иметь вид NO 2 . Это оксид азота (IV).
Ответ	NO 2

Фосфор существует в виде трех основных аллотропных модификаций (всего их у фосфора около 11):

1. Белый фосфор – белое кристаллическое вещество со своеобразным запахом.

t пл = 44 °С, t кип = 280 °С. Существует в виде молекул Р 4 .

Нерастворим в воде. Мягкий. Летучий. Легко воспламеняется (уже при 40 °С). Окисление на воздухе сопровождается свечением. ОЧЕНЬ ЯДОВИТ (даже через кожу)! Он способен аккумулироваться в организме и вызывать некроз костных тканей (особенно челюстей). Смертельная доза – 0,05…0,15 г.

Очень активен химически, поэтому его хранят под водой и в темноте.

Получается при быстром охлаждении паров красного фосфора.

2. Красный фосфор – красно-фиолетовое мелкокристаллическое вещество, нерастворимое в воде. Не токсичен, не светится. Менее реакционноспособен. Воспламеняется только при температуре 210 °С. Обладает полимерной структурой Р n .

Получается при длительном (50 ч) нагревании белого фосфора (»280 °С).

3. Черный фосфор – наиболее устойчивая форма элемента – черное вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь и весьма похожее на графит, и с полностью отсутствующей растворимостью в воде или органических растворителях. Поджечь черный фосфор можно, только предварительно сильно раскалив в атмосфере чистого кислорода до 400 °С. Черный фосфор проводит электрический ток и имеет свойства полупроводника. Температура плавления черного фосфора – 1000 °С под давлением 18·10 5 Па. Воспламеняется при температуре 500 °С. Не ядовит, малоактивен.

Получается из белого фосфора при 220 °С и давлении 1,2 ГПа (13000 атм)