Фосфор

Эта статья о химическом элементе. Для других видов использования см. Phosphorus (устранение неоднозначности) .

Фосфор, ₁₅ р

Формы фосфора Восковой белый Светло -красный Темно -красный и фиолетовый Черный
Фосфор
Произношение	/ F ɒ s f f Муж S / ( FOS -Fare )
Аллотропы	Белый, красный, фиолетовый, черный и другие (см. Аллотропы фосфора )
Появление	Белый, красный и фиолетовый восковые, черные металлические
Стандартный атомный вес И r ° (p)
	30.973 761 998 ± 0.000 000 005 30,974 ± 0,001 ( сокращено )
Избыток
в земной коре	5.2 (кремний = 100)
Фосфор в периодической таблице
Водород Гелий Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон Натрия Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера Хлор Аргон Калий Кальций Скандий Титан Ванадий Хром Марганец Железо Кобальт Никель Медь Цинк Галлия Германия Мышьяк Селен Бром Криптон Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Техник Рутений Родий Палладий Серебро Кадмий Индий Полагать Сурьма Теллур Йод Ксенон Порезы Барий Лантан Cerium Празедимиум Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозиум Холмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рейум Осмий Иридий Платина Золото Меркурий (элемент) Таллий Вести Висмут Полоний Астатин Радон Франциум Радий Актинум Торий Протактиний Уран Нептун Плутоний Амик Кюрий Беркелия Калифорния Einsteinium Фермий Менделевий Нобелевский Лоуренс Резерфорд Дубний Seaborgium Бохриум Банальный Meitnerium Дармштадтий Рентений Коперник Нихон Флеровий Московий Ливермориум Теннесин Оганессон Не ↑ П ↓ Как кремний ← фосфор → сера
Атомное число ( z )	15
Группа	Группа 15 (пнектогены)
Период	период 3
Блокировать	P-Block
Электронная конфигурация	[ Ne ] 3S 2 3 с 3
Электроны на оболочку	2, 8, 5
Физические свойства
Фаза в STP	твердый
Точка плавления	Белый: 317,3 К (44,15 ° C, 111,5 ° F) Красный: ∼860 К (∼590 ° C, ∼1090 ° F)
Точка кипения	Белый: 553,7 К (280,5 ° C, 536,9 ° F)
Сублимация точка	Красный: ≈689,2–863 К (≈416–590 ° C, ≈780,8–1094 ° F) Вайолет: 893 K (620 ° C, 1148 ° F)
Плотность (около RT )	Белый: 1,823 г/см 3 Красный: ≈2,2–2,34 г/см 3 Вайолет: 2,36 г/см 3 Черный: 2,69 г/см 3
Теплоте слияния	Белый: 0,66 кДж/моль
Тепло испарения	Белый: 51,9 кДж/моль
Молярная теплоемкость	Белый: 23,824 J/(моль · к)
Давление паров (белый) P   (PA) 1 10 100 1 K. 10 к 100 к в t   (k) 279 307 342 388 453 549
Давление паров (красный) P   (PA) 1 10 100 1 K. 10 к 100 к в t   (k) 455 489 529 576 635 704
Атомные свойства
Состояния окисления	−3 , −2, −1, 0, +1, +2, +3 , +4, +5 (мягкий кислотный оксид)
Электроотрицательность	Полингинг шкала: 2.19
Энергии ионизации	1 -й: 1011,8 кДж/моль 2 -й: 1907 кДж/моль 3 -й: 2914,1 кДж/моль ( более )
Ковалентный радиус	107 ± 3:00
Радиус ван дер -ваальса	180 вечера
Спектральные линии фосфора
Другие свойства
Естественное явление	изначальный
Кристаллическая структура	α-белый: кубический (BCC) ( CI232 )
Постоянная решетка	A = 1,869 нм (при 20 ° C)
Кристаллическая структура	Черный: Орторомбический ( OS8 )
Константы решетки	A = 0,33137 нм b = 1,0477 нм C = 0,43755 нм (при 20 ° C)
Теплопроводность	Белый: 0,236 Вт/(мнение) Черный: 12,1 Вт/(Mtak)
Магнитное упорядочение	белый, красный, фиолетовый, черный: диамагнитный
Молярная магнитная восприимчивость	−20.8 × 10 −6 см 3 /mol (293 K)
Объемный модуль	Белый: 5 ГПа Красный: 11 средний балл
Номер CAS	7723-14-0 (красный) 12185-10-3 (белый)
История
Открытие	Hennig Brand (1669)
Распознается как элемент	Антуан Лавуазье (1777)
Изотопы фосфора
Основные изотопы Разлагаться abun­dance период полураспада ( T 1/2 ) режим pro­duct 31 П 100% стабильный 32 П след 14.269 d беременный − 32 С 33 П след 25,35 d беременный − 33 С

Фосфор является химическим элементом ; Он имеет символ P и атомный номер 15. Элементный фосфор существует в двух основных формах: белый фосфор и красный фосфор , но поскольку он очень реактивный , фосфор никогда не встречается в виде свободного элемента на Земле. Он имеет концентрацию в земной коре около одного грамма на килограмм (сравните медь со скоростью около 0,06 грамма). У минералов фосфор обычно встречается в виде фосфата .

Элементный фосфор был сначала выделен в виде белого фосфора в 1669 году. У белого фосфора атомы фосфора расположены в группах из 4, написанных как p ₄ . Белый фосфор излучает слабые сияние при воздействии кислорода -следовательно, имя, взятое из греческой мифологии, φωσφόρος, что означает «носитель» (латинский Люцифер ), ссылаясь на « утреннюю звезду », планету Венера . Термин фосфоресценция , что означает свечение после освещения, имеет свое происхождение в фосфоре, хотя сам фосфор не проявляет фосфоресценции: светится фосфор из -за окисления белого (но не красного) фосфора - процесса, который теперь называется хемилюминесценцией . Фосфор классифицируется как пнейктоген вместе с азотом , мышьяком , сурьмой , висмутом и московием .

Фосфор является элементом, необходимым для поддержания жизни в основном через фосфаты , соединения, содержащие фосфатный ион, PO ₄ ³⁻ Полем Фосфаты являются компонентом ДНК , РНК , АТФ и фосфолипидов , сложных соединений, фундаментальных к клеткам . Элементный фосфор был сначала изолирован из мочи человека , а костный ясень был важным источником раннего фосфата. Фосфатные мины содержат окаменелости, потому что в окаменелых отложениях животных останков присутствует фосфат. Низкие уровни фосфатов являются важным ограничением роста в ряде растительных экосистем. Подавляющее большинство добываемых фосфорных соединений потребляются в качестве удобрений . Фосфат необходим для замены фосфора, который растения удаляют из почвы, и его годовой спрос растет почти вдвое быстрее, чем рост населения. Другие применения включают органические соединения в моющих средствах , пестицидах и нервных агентах .

Характеристики

Аллотропы

Основная статья: Аллотропы фосфора

Phosphorus имеет несколько аллотропов , которые демонстрируют поразительно разнообразные свойства. Двумя наиболее распространенными аллотропами являются белый фосфор и красный фосфор.

Как для чисто, так и для применения наиболее важным аллотропом является белый фосфор , часто сокращаемый WP. Белый фосфор - это мягкое, восковое молекулярное твердое вещество, состоящее из P
₄ тетраэдры . Это р
₄ Тетраэдр также присутствует в жидком и газообразном фосфоре до температуры 800 ° С (1500 ° F; 1100 К), когда он начинает разложить до р.
₂ молекулы. Характер связи в этом p
₄ Тетраэдр можно описать с помощью сферической ароматичности или кластерной связи, то есть электронов очень делокализовано . Это было проиллюстрировано расчетами магнитно -индуцированных токов, которые суммируют до 29 Na/T, гораздо больше, чем в архетипической ароматической молекулы бензоле (11 Na/T).

Кристаллические структуры некоторых фосфорных аллотропов

Белый

Красный

Фиолетовый

Черный

Белый фосфор существует в двух кристаллических формах: α (альфа) и β (бета). При комнатной температуре α-форма стабильна. Это чаще, имеет кубическую кристаллическую структуру и при 195,2 К (-78,0 ° C), он превращается в β-форму, которая имеет гексагональную кристаллическую структуру. Эти формы различаются с точки зрения относительной ориентации составляющей P ₄ тетраэдры.

Белый фосфор является наименее стабильным, наиболее реактивным, наиболее изменчивым , наименее плотным и наиболее токсичным из аллотропов. Белый фосфор постепенно изменяется на красный фосфор, ускоряемый светом и теплом. Образцы белого фосфора почти всегда содержат красный фосфор и, соответственно, кажутся желтыми. По этой причине белый фосфор, который выдерживается или не является нечистым (например, вооруженным средством, а не лабораторным WP) также называется желтым фосфором. Белый фосфор очень легковоспламеняется и пирофорирует (самоопределение) в воздухе; Он слабо светится зеленым и синим в темноте при воздействии кислорода. Автооксидирование обычно пробы с пентоксидом белого фосфора ( P
₄ O.
₁₀ ): _. стр Белый фосфор является добавлением напалма , а характерный запах сгорания - Гарлик. Белый фосфор нерастворим в воде, но растворим в дисульфиде углерода.

Термическое разложение P ₄ при 1100 К дает дифхосфорс , стр _{. 2} . Этот вид не стабилен как твердый или жидкость. Димерная единица содержит тройную связь и аналогична n ₂ . Он также может быть получен в качестве переходного промежуточного соединения в растворе путем термолиза реагентов -предшественников органофосфора. При все еще более высоких температурах P ₂ диссоциирует на атомный P.

Свойства некоторых аллотропов фосфора

Форма	белый (α)	белый (β)	красный	фиолетовый	черный
Симметрия	Ориентирован на тело кубический	Триклинический	Аморфный	Моноклинный	Орторомбический
Символ Пирсона		AP24		MP84	OS8
Космическая группа	I 4 3M	P 1 № 2		P2/C № 13	CMCE № 64
Плотность (г/см 3 )	1.828	1.88	~2.2	2.36	2.69
Обзор группы (EV)	2.1		1.8	1.5	0.34
Показатель преломления	1.8244			2.6	2.4

Красный фосфор является полимерным по структуре. Его можно рассматривать как производную от P ₄ , при котором одна связь с PP разбивается, и одна дополнительная связь образуется с соседним тетраэдром, что приводит к цепям молекул P ₂₁ , связанных силами Ван -дер -Ваальса . Красный фосфор может образовываться путем нагрева белого фосфора до 250 ° C (482 ° F) или путем воздействия белого фосфора на солнечный свет. Фосфор после этого лечения является аморфным . После дальнейшего нагрева этот материал кристаллизирует. В этом смысле красный фосфор не является аллотропом, а скорее промежуточной фазой между белым и фиолетовым фосфором, и большинство его свойств имеют диапазон значений. Например, свежеприготовленный, ярко -красный фосфор очень реактивен и зажигает при 300 ° C (572 ° F), хотя он более стабилен, чем белый фосфор, который зажигает примерно при 30 ° C (86 ° F). После длительного нагрева или хранения цвет темнеет (см. Изображения Infobox); Полученный продукт является более стабильным и не спонтанно зажигает в воздухе.

Фиолетовый фосфор является формой фосфора, который может быть получен в течение дня отжига красного фосфора выше 550 ° C. В 1865 году Hittorf обнаружил, что когда фосфор перекристаллизован из расплавленного свинца , получается красная/фиолетовая форма. Следовательно, эта форма иногда известна как «фосфор Hittorf» (или фиолетовый или α-металлический фосфор).

Черный фосфор является наименее реактивным аллотропом и термодинамически стабильной формой ниже 550 ° C (1022 ° F). Он также известен как β-металлический фосфор и имеет структуру, напоминающую структуру графита . Он получается путем нагрева белого фосфора под высоким давлением (около 12 000 стандартных атмосфер или 1,2 гигапаскалов). Он также может быть произведен в условиях окружающей среды, используя металлические соли, например, ртуть, в качестве катализаторов. По внешнему виду, свойствам и структуре он напоминает графит , черный и ловкий, проводник электричества, и имеет шарнирные листы связанных атомов.

раствор белого фосфора в дисульфиде углерода Другая форма, алый фосфор, получается путем позволяет испарить при солнечном свете .

Хемилюминесценция

Белый фосфор подвергается воздействию воздуха в темноте.

При первом изолировании было отмечено, что зеленое свечение, исходящее от белого фосфора, какое -то время сохранится в стоплевой банке, но затем прекратится. Роберт Бойл в 1680 -х годах приписал его «ослаблению» воздуха. Фактически, этот процесс вызван тем, что фосфор реагирует с кислородом в воздухе; В герметичном контейнере этот процесс в конечном итоге остановится, когда будет употреблять весь кислород в контейнере. К 18 веку было известно, что в чистом кислороде фосфор вообще не светится; Существует только ряд частичных давлений, при которых оно это делает. Тепло может быть применено для управления реакцией при более высоких давлениях.

В 1974 году сияние было объяснено RJ Van Zee и Au Khan. Реакция с кислородом происходит на поверхности твердого (или жидкого) фосфора, образуя недолговечные молекулы HPO и P
₂ o
₂ , что оба излучают видимый свет. Реакция является медленной, и для получения люминесценции требуется лишь очень мало промежуточных соединений, следовательно, продолжительное время, в течение которого сияние продолжается в стоплевой банке.

С момента его открытия фосфоры и фосфоресценция использовались свободно для описания веществ, которые сияют в темноте без горения. Хотя термин фосфоресценция получен из фосфора, реакция, которая дает фосфор, его свечение правильно называется хемилюминесценцией (светящиеся из-за холодной химической реакции), а не фосфоресценции (повторный излучение света, который ранее упал на вещество и возбуждая его).

Изотопы

Основная статья: Изотопы фосфора

Есть 22 известных изотопов фосфора, от ²⁶
П ​ ⁴⁷
П. ​ Только ³¹
P является стабильным и, следовательно, присутствует в 100% численности. полуавтобуса спин Ядерный ³¹ P Сделайте спектроскопию NMR Phosphorus-31 очень полезным аналитическим инструментом в исследованиях фосфор-содержащих образцов.

Два радиоактивных изотопа фосфора имеют период полураспада, подходящие для биологических научных экспериментов. Это:

• ³²
  P , бета- эмиттер (1,71 МэВ) с периодом полураспада 14,3 дня, который регулярно используется в лабораториях по жизни, в первую очередь для получения радиоактивно меченной ДНК и зондов РНК , например, для использования в северных блотах или южном блоках .
• ³³
  P , бета-эмиттер (0,25 МэВ) с периодом полураспада 25,4 дня. Он используется в лабораториях по жизни в приложениях, в которых более низкие энергетические бета-выбросы выгодны, такие как ДНК . секвенирование

The high-energy beta particles from ³²
P penetrate skin and corneas and any ³²
P ingested, inhaled, or absorbed is readily incorporated into bone and nucleic acids. For these reasons, Occupational Safety and Health Administration in the United States, and similar institutions in other developed countries require personnel working with ³²
P to wear lab coats, disposable gloves, and safety glasses or goggles to protect the eyes, and avoid working directly over open containers. Monitoring personal, clothing, and surface contamination is also required. Shielding requires special consideration. The high energy of the beta particles gives rise to secondary emission of X-rays via Bremsstrahlung (braking radiation) in dense shielding materials such as lead. Therefore, the radiation must be shielded with low density materials such as acrylic or other plastic, water, or (when transparency is not required), even wood.

Occurrence

See also: Category:Phosphate minerals

Universe

In 2013, astronomers detected phosphorus in Cassiopeia A, which confirmed that this element is produced in supernovae as a byproduct of supernova nucleosynthesis. The phosphorus-to-iron ratio in material from the supernova remnant could be up to 100 times higher than in the Milky Way in general.

In 2020, astronomers analysed ALMA and ROSINA data from the massive star-forming region AFGL 5142, to detect phosphorus-bearing molecules and how they are carried in comets to the early Earth.

Crust and organic sources

Phosphorus has a concentration in the Earth's crust of about one gram per kilogram (compare copper at about 0.06 grams). It is not found free in nature, but is widely distributed in many minerals, usually as phosphates. Inorganic phosphate rock, which is partially made of apatite (a group of minerals being, generally, pentacalcium triorthophosphate fluoride (hydroxide)), is today the chief commercial source of this element. According to the US Geological Survey (USGS), about 50 percent of the global phosphorus reserves are in Amazigh nations like Morocco, Algeria and Tunisia. 85% of Earth's known reserves are in Morocco with smaller deposits in China, Russia, Florida, Idaho, Tennessee, Utah, and elsewhere. Albright and Wilson in the UK and their Niagara Falls plant, for instance, were using phosphate rock in the 1890s and 1900s from Tennessee, Florida, and the Îles du Connétable (guano island sources of phosphate); by 1950, they were using phosphate rock mainly from Tennessee and North Africa.

Organic sources, namely urine, bone ash and (in the latter 19th century) guano, were historically of importance but had only limited commercial success. As urine contains phosphorus, it has fertilising qualities which are still harnessed today in some countries, including Sweden, using methods for reuse of excreta. To this end, urine can be used as a fertiliser in its pure form or part of being mixed with water in the form of sewage or sewage sludge.

Compounds

See also: Phosphorus halides, Category:Phosphate minerals, and Category:Phosphorus compounds

Phosphorus(V)

The tetrahedral structure of P₄O₁₀ and P₄S₁₀

The most prevalent compounds of phosphorus are derivatives of phosphate (PO₄³⁻), a tetrahedral anion. Phosphate is the conjugate base of phosphoric acid, which is produced on a massive scale for use in fertilisers. Being triprotic, phosphoric acid converts stepwise to three conjugate bases:

H₃PO₄ + H₂O ⇌ H₃O⁺ + H₂PO₄⁻       K_a1 = 7.25×10⁻³

H₂PO₄⁻ + H₂O ⇌ H₃O⁺ + HPO₄²⁻       K_a2 = 6.31×10⁻⁸

HPO₄²⁻ + H₂O ⇌ H₃O⁺ +  PO₄³⁻        K_a3 = 3.98×10⁻¹³

Phosphate exhibits a tendency to form chains and rings containing P-O-P bonds. Many polyphosphates are known, including ATP. Polyphosphates arise by dehydration of hydrogen phosphates such as HPO₄²⁻ and H₂PO₄⁻. For example, the industrially important pentasodium triphosphate (also known as sodium tripolyphosphate, STPP) is produced industrially by the megatonne by this condensation reaction:

2 Na₂HPO₄ + NaH₂PO₄ → Na₅P₃O₁₀ + 2 H₂O

Phosphorus pentoxide (P₄O₁₀) is the acid anhydride of phosphoric acid, but several intermediates between the two are known. This waxy white solid reacts vigorously with water.

With metal cations, phosphate forms a variety of salts. These solids are polymeric, featuring P-O-M linkages. When the metal cation has a charge of 2+ or 3+, the salts are generally insoluble, hence they exist as common minerals. Many phosphate salts are derived from hydrogen phosphate (HPO₄²⁻).

PCl₅ and PF₅ are common compounds. PF₅ is a colourless gas and the molecules have trigonal bipyramidal geometry. PCl₅ is a colourless solid which has an ionic formulation of PCl₄⁺ PCl₆⁻, but adopts the trigonal bipyramidal geometry when molten or in the vapour phase. PBr₅ is an unstable solid formulated as PBr₄⁺Br⁻and PI₅ is not known. The pentachloride and pentafluoride are Lewis acids. With fluoride, PF₅ forms PF₆⁻, an anion that is isoelectronic with SF₆. The most important oxyhalide is phosphorus oxychloride, (POCl₃), which is approximately tetrahedral.

Before extensive computer calculations were feasible, it was thought that bonding in phosphorus(V) compounds involved d orbitals. Computer modeling of molecular orbital theory indicates that this bonding involves only s- and p-orbitals.

Phosphorus(III)

All four symmetrical trihalides are well known: gaseous PF₃, the yellowish liquids PCl₃ and PBr₃, and the solid PI₃. These materials are moisture sensitive, hydrolysing to give phosphorous acid. The trichloride, a common reagent, is produced by chlorination of white phosphorus:

P₄ + 6 Cl₂ → 4 PCl₃

The trifluoride is produced from the trichloride by halide exchange. PF₃ is toxic because it binds to haemoglobin.

Phosphorus(III) oxide, P₄O₆ (also called tetraphosphorus hexoxide) is the anhydride of P(OH)₃, the minor tautomer of phosphorous acid. The structure of P₄O₆ is like that of P₄O₁₀ without the terminal oxide groups.

Phosphorus(I) and phosphorus(II)

A stable diphosphene, a derivative of phosphorus(I)

These compounds generally feature P–P bonds. Examples include catenated derivatives of phosphine and organophosphines. Compounds containing P=P double bonds have also been observed, although they are rare.

Phosphides and phosphines

Phosphides arise by reaction of metals with red phosphorus. The alkali metals (group 1) and alkaline earth metals can form ionic compounds containing the phosphide ion, P³⁻. These compounds react with water to form phosphine. Other phosphides, for example Na₃P₇, are known for these reactive metals. With the transition metals as well as the monophosphides there are metal-rich phosphides, which are generally hard refractory compounds with a metallic lustre, and phosphorus-rich phosphides which are less stable and include semiconductors. Schreibersite is a naturally occurring metal-rich phosphide found in meteorites. The structures of the metal-rich and phosphorus-rich phosphides can be complex.

Phosphine (PH₃) and its organic derivatives (PR₃) are structural analogues of ammonia (NH₃), but the bond angles at phosphorus are closer to 90° for phosphine and its organic derivatives. Phosphine is an ill-smelling, toxic gas. Phosphorus has an oxidation number of −3 in phosphine. Phosphine is produced by hydrolysis of calcium phosphide, Ca₃P₂. Unlike ammonia, phosphine is oxidised by air. Phosphine is also far less basic than ammonia. Other phosphines are known which contain chains of up to nine phosphorus atoms and have the formula P_nH_n+2. The highly flammable gas diphosphine (P₂H₄) is an analogue of hydrazine.

Oxoacids

Phosphorus oxoacids are extensive, often commercially important, and sometimes structurally complicated. They all have acidic protons bound to oxygen atoms, some have nonacidic protons that are bonded directly to phosphorus and some contain phosphorus–phosphorus bonds. Although many oxoacids of phosphorus are formed, only nine are commercially important, and three of them, hypophosphorous acid, phosphorous acid, and phosphoric acid, are particularly important.

Oxidation state	Formula	Name	Acidic protons	Compounds
+1	HH2PO2	hypophosphorous acid	1	acid, salts
+3	H3PO3	phosphorous acid (phosphonic acid)	2	acid, salts
+3	HPO2	metaphosphorous acid	1	salts
+4	H4P2O6	hypophosphoric acid	4	acid, salts
+5	(HPO3)n	metaphosphoric acids	n	salts (n = 3,4,6)
+5	H(HPO3)nOH	polyphosphoric acids	n+2	acids, salts (n = 1-6)
+5	H5P3O10	tripolyphosphoric acid	3	salts
+5	H4P2O7	pyrophosphoric acid	4	acid, salts
+5	H3PO4	(ortho)phosphoric acid	3	acid, salts

Nitrides

The PN molecule is considered unstable, but is a product of crystalline phosphorus nitride decomposition at 1100 K. Similarly, H₂PN is considered unstable, and phosphorus nitride halogens like F₂PN, Cl₂PN, Br₂PN, and I₂PN oligomerise into cyclic polyphosphazenes. For example, compounds of the formula (PNCl₂)_n exist mainly as rings such as the trimer hexachlorophosphazene. The phosphazenes arise by treatment of phosphorus pentachloride with ammonium chloride:

PCl₅ + NH₄Cl → 1/n (NPCl₂)_n + 4 HCl

When the chloride groups are replaced by alkoxide (RO⁻), a family of polymers is produced with potentially useful properties.

Sulfides

Main article: phosphorus sulfide

Phosphorus forms a wide range of sulfides, where the phosphorus can be in P(V), P(III) or other oxidation states. The three-fold symmetric P₄S₃ is used in strike-anywhere matches. P₄S₁₀ and P₄O₁₀ have analogous structures. Mixed oxyhalides and oxyhydrides of phosphorus(III) are almost unknown.

Organophosphorus compounds

Main article: organophosphorus compounds

Compounds with P-C and P-O-C bonds are often classified as organophosphorus compounds. They are widely used commercially. The PCl₃ serves as a source of P³⁺ in routes to organophosphorus(III) compounds. For example, it is the precursor to triphenylphosphine:

PCl₃ + 6 Na + 3 C₆H₅Cl → P(C₆H₅)₃ + 6 NaCl

Treatment of phosphorus trihalides with alcohols and phenols gives phosphites, e.g. triphenylphosphite:

PCl₃ + 3 C₆H₅OH → P(OC₆H₅)₃ + 3 HCl

Similar reactions occur for phosphorus oxychloride, affording triphenylphosphate:

OPCl₃ + 3 C₆H₅OH → OP(OC₆H₅)₃ + 3 HCl

History

Etymology

The name Phosphorus in Ancient Greece was the name for the planet Venus and is derived from the Greek words (φῶς = light, φέρω = carry), which roughly translates as light-bringer or light carrier. (In Greek mythology and tradition, Augerinus (Αυγερινός = morning star, still in use today), Hesperus or Hesperinus (΄Εσπερος or Εσπερινός or Αποσπερίτης = evening star, still in use today) and Eosphorus (Εωσφόρος = dawnbearer, not in use for the planet after Christianity) are close homologues, and also associated with Phosphorus-the-morning-star).

According to the Oxford English Dictionary, the correct spelling of the element is phosphorus. The word phosphorous is the adjectival form of the P³⁺ valence: so, just as sulfur forms sulfurous and sulfuric compounds, phosphorus forms phosphorous compounds (e.g., phosphorous acid) and P⁵⁺ valence phosphoric compounds (e.g., phosphoric acids and phosphates).

Discovery

Robert Boyle

The discovery of phosphorus, the first element to be discovered that was not known since ancient times, is credited to the German alchemist Hennig Brand in 1669, although others might have discovered phosphorus around the same time. Brand experimented with urine, which contains considerable quantities of dissolved phosphates from normal metabolism. Working in Hamburg, Brand attempted to create the fabled philosopher's stone through the distillation of some salts by evaporating urine, and in the process produced a white material that glowed in the dark and burned brilliantly. It was named phosphorus mirabilis ("miraculous bearer of light").

Brand's process originally involved letting urine stand for days until it gave off a terrible stench. Then he boiled it down to a paste, heated this paste to a high temperature, and led the vapours through water, where he hoped they would condense to gold. Instead, he obtained a white, waxy substance that glowed in the dark. Brand had discovered phosphorus. Specifically, Brand produced ammonium sodium hydrogen phosphate, (NH
₄)NaHPO
₄. While the quantities were essentially correct (it took about 1,100 litres [290 US gal] of urine to make about 60 g of phosphorus), it was unnecessary to allow the urine to rot first. Later scientists discovered that fresh urine yielded the same amount of phosphorus.

Brand at first tried to keep the method secret, but later sold the recipe for 200 thalers to Johann Daniel Kraft (de) from Dresden. Krafft toured much of Europe with it, including England, where he met with Robert Boyle. The secret—that the substance was made from urine—leaked out, and Johann Kunckel (1630–1703) was able to reproduce it in Sweden (1678). Later, Boyle in London (1680) also managed to make phosphorus, possibly with the aid of his assistant, Ambrose Godfrey-Hanckwitz. Godfrey later made a business of the manufacture of phosphorus.

Boyle states that Krafft gave him no information as to the preparation of phosphorus other than that it was derived from "somewhat that belonged to the body of man". This gave Boyle a valuable clue, so that he, too, managed to make phosphorus, and published the method of its manufacture. Later he improved Brand's process by using sand in the reaction (still using urine as base material),

4 NaPO
₃ + 2 SiO
₂ + 10 C → 2 Na
₂SiO
₃ + 10 CO + P
₄

Robert Boyle was the first to use phosphorus to ignite sulfur-tipped wooden splints, forerunners of our modern matches, in 1680.

Phosphorus was the 13th element to be discovered. Because of its tendency to spontaneously combust when left alone in air, it is sometimes referred to as "the Devil's element".

Bone ash and guano

Guano mining in the Central Chincha Islands, c. 1860

Antoine Lavoisier recognized phosphorus as an element in 1777 after Johan Gottlieb Gahn and Carl Wilhelm Scheele, in 1769, showed that calcium phosphate (Ca
₃(PO
₄)
₂) is found in bones by obtaining elemental phosphorus from bone ash.

Bone ash was the major source of phosphorus until the 1840s. The method started by roasting bones, then employed the use of fire clay retorts encased in a very hot brick furnace to distill out the highly toxic elemental phosphorus product. Alternately, precipitated phosphates could be made from ground-up bones that had been de-greased and treated with strong acids. White phosphorus could then be made by heating the precipitated phosphates, mixed with ground coal or charcoal in an iron pot, and distilling off phosphorus vapour in a retort. Carbon monoxide and other flammable gases produced during the reduction process were burnt off in a flare stack.

In the 1840s, world phosphate production turned to the mining of tropical island deposits formed from bird and bat guano (see also Guano Islands Act). These became an important source of phosphates for fertiliser in the latter half of the 19th century.

Phosphate rock

Phosphate rock, which usually contains calcium phosphate, was first used in 1850 to make phosphorus, and following the introduction of the electric arc furnace by James Burgess Readman in 1888 (patented 1889), elemental phosphorus production switched from the bone-ash heating, to electric arc production from phosphate rock. After the depletion of world guano sources about the same time, mineral phosphates became the major source of phosphate fertiliser production. Phosphate rock production greatly increased after World War II, and remains the primary global source of phosphorus and phosphorus chemicals today. Phosphate rock remains a feedstock in the fertiliser industry, where it is treated with sulfuric acid to produce various "superphosphate" fertiliser products.

Incendiaries

White phosphorus was first made commercially in the 19th century for the match industry. This used bone ash for a phosphate source, as described above. The bone-ash process became obsolete when the submerged-arc furnace for phosphorus production was introduced to reduce phosphate rock. The electric furnace method allowed production to increase to the point where phosphorus could be used in weapons of war. In World War I, it was used in incendiaries, smoke screens and tracer bullets. A special incendiary bullet was developed to shoot at hydrogen-filled Zeppelins over Britain (hydrogen being highly flammable). During World War II, Molotov cocktails made of phosphorus dissolved in petrol were distributed in Britain to specially selected civilians within the British resistance operation, for defence; and phosphorus incendiary bombs were used in war on a large scale. Burning phosphorus is difficult to extinguish and if it splashes onto human skin it has horrific effects.

Early matches used white phosphorus in their composition, which was dangerous due to its toxicity. Murders, suicides and accidental poisonings resulted from its use. (An apocryphal tale tells of a woman attempting to murder her husband with white phosphorus in his food, which was detected by the stew's giving off luminous steam). In addition, exposure to the vapours gave match workers a severe necrosis of the bones of the jaw, known as "phossy jaw". When a safe process for manufacturing red phosphorus was discovered, with its far lower flammability and toxicity, laws were enacted, under the Berne Convention (1906), requiring its adoption as a safer alternative for match manufacture. The toxicity of white phosphorus led to discontinuation of its use in matches. The Allies used phosphorus incendiary bombs in World War II to destroy Hamburg, the place where the "miraculous bearer of light" was first discovered.

Production

Mining of phosphate rock in Nauru

In 2017, the USGS estimated 68 billion tons of world reserves, where reserve figures refer to the amount assumed recoverable at current market prices; 0.261 billion tons were mined in 2016. Critical to contemporary agriculture, its annual demand is rising nearly twice as fast as the growth of the human population. The production of phosphorus may have peaked before 2011 and some scientists predict reserves will be depleted before the end of the 21st century. Phosphorus comprises about 0.1% by mass of the average rock, and consequently, the Earth's supply is vast, though dilute.

Wet process

Most phosphorus-bearing material is for agriculture fertilisers. In this case where the standards of purity are modest, phosphorus is obtained from phosphate rock by what is called the "wet process." The minerals are treated with sulfuric acid to give phosphoric acid. Phosphoric acid is then neutralized to give various phosphate salts, which comprise fertilizers. In the wet process, phosphorus does not undergo redox. About five tons of phosphogypsum waste are generated per ton of phosphoric acid production. Annually, the estimated generation of phosphogypsum worldwide is 100 to 280 Mt.

Thermal process

For the use of phosphorus in drugs, detergents, and foodstuff, the standards of purity are high, which led to the development of the thermal process. In this process, phosphate minerals are converted to white phosphorus, which can be purified by distillation. The white phosphorus is then oxidised to phosphoric acid and subsequently neutralised with a base to give phosphate salts. The thermal process is conducted in a submerged-arc furnace which is energy intensive. Presently, about 1,000,000 short tons (910,000 t) of elemental phosphorus is produced annually. Calcium phosphate (as phosphate rock), mostly mined in Florida and North Africa, can be heated to 1,200–1,500 °C with sand, which is mostly SiO
₂, and coke to produce P
₄. The P
₄ product, being volatile, is readily isolated:

4 Ca₅(PO₄)₃F + 18 SiO₂ + 30 C → 3 P₄ + 30 CO + 18 CaSiO₃ + 2 CaF₂

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

Side products from the thermal process include ferrophosphorus, a crude form of Fe₂P, resulting from iron impurities in the mineral precursors. The silicate slag is a useful construction material. The fluoride is sometimes recovered for use in water fluoridation. More problematic is a "mud" containing significant amounts of white phosphorus. Production of white phosphorus is conducted in large facilities in part because it is energy intensive. The white phosphorus is transported in molten form. Some major accidents have occurred during transportation.

Historical routes

Historically, before the development of mineral-based extractions, white phosphorus was isolated on an industrial scale from bone ash. In this process, the tricalcium phosphate in bone ash is converted to monocalcium phosphate with sulfuric acid:

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

Monocalcium phosphate is then dehydrated to the corresponding metaphosphate:

Ca(H₂PO₄)₂ → Ca(PO₃)₂ + 2 H₂O

When ignited to a white heat (~1300 °C) with charcoal, calcium metaphosphate yields two-thirds of its weight of white phosphorus while one-third of the phosphorus remains in the residue as calcium orthophosphate:

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

Peak phosphorus

Annual global phosphate rock production (megatonnes per yr), 1994–2022 (data from US Geological Survey)

Peak phosphorus is a concept to describe the point in time when humanity reaches the maximum global production rate of phosphorus as an industrial and commercial raw material. The term is used in an equivalent way to the better-known term peak oil. The issue was raised as a debate on whether phosphorus shortages might be imminent around 2010, which was largely dismissed after USGS and other organizations increased world estimates on available phosphorus resources, mostly in the form of additional resources in Morocco. However, exact reserve quantities remain uncertain, as do the possible impacts of increased phosphate use on future generations. This is important because rock phosphate is a key ingredient in many inorganic fertilizers. Hence, a shortage in rock phosphate (or just significant price increases) might negatively affect the world's food security.

Phosphorus is a finite (limited) resource that is widespread in the Earth's crust and in living organisms but is relatively scarce in concentrated forms, which are not evenly distributed across the Earth. The only cost-effective production method to date is the mining of phosphate rock, but only a few countries have significant commercial reserves. The top five are Morocco (including reserves located in Western Sahara), China, Egypt, Algeria and Syria. Estimates for future production vary significantly depending on modelling and assumptions on extractable volumes, but it is inescapable that future production of phosphate rock will be heavily influenced by Morocco in the foreseeable future.

Means of commercial phosphorus production besides mining are few because the phosphorus cycle does not include significant gas-phase transport. The predominant source of phosphorus in modern times is phosphate rock (as opposed to the guano that preceded it). According to some researchers, Earth's commercial and affordable phosphorus reserves are expected to be depleted in 50–100 years and peak phosphorus to be reached in approximately 2030. Others suggest that supplies will last for several hundreds of years. As with the timing of peak oil, the question is not settled, and researchers in different fields regularly publish different estimates of the rock phosphate reserves.

Background

Phosphate rock mined in the United States, 1900–2015 (data from US Geological Survey)

The peak phosphorus concept is connected with the concept of planetary boundaries. Phosphorus, as part of biogeochemical processes, belongs to one of the nine "Earth system processes" which are known to have boundaries. As long as the boundaries are not crossed, they mark the "safe zone" for the planet.

Estimates of world phosphate reserves

Global distribution of commercial reserves of rock phosphate in 2016

The accurate determination of peak phosphorus is dependent on knowing the total world's commercial phosphate reserves and resources, especially in the form of phosphate rock (a summarizing term for over 300 ores of different origin, composition, and phosphate content). "Reserves" refers to the amount assumed recoverable at current market prices and "resources" refers to estimated amounts of such a grade or quality that they have reasonable prospects for economic extraction.

Unprocessed phosphate rock has a concentration of 1.7–8.7% phosphorus by mass (4–20% phosphorus pentoxide). By comparison, the Earth's crust contains 0.1% phosphorus by mass, and vegetation 0.03–0.2%. Although quadrillions of tons of phosphorus exist in the Earth's crust, these are currently not economically extractable.

In 2023, the United States Geological Survey (USGS) estimated that economically extractable phosphate rock reserves worldwide are 72 billion tons, while world mining production in 2022 was 220 million tons. Assuming zero growth, the reserves would thus last for around 300 years. This broadly confirms a 2010 International Fertilizer Development Center (IFDC) report that global reserves would last for several hundred years. Phosphorus reserve figures are intensely debated. Gilbert suggest that there has been little external verification of the estimate. A 2014 review concluded that the IFDC report "presents an inflated picture of global reserves, in particular those of Morocco, where largely hypothetical and inferred resources have simply been relabeled “reserves".

The countries with most phosphate rock commercial reserves (in billion metric tons): Morocco 50, China 3.2, Egypt 2.8, Algeria 2.2, Syria 1.8, Brazil 1.6, Saudi Arabia 1.4, South Africa 1.4, Australia 1.1, United States 1.0, Finland 1.0, Russia 0.6, Jordan 0.8.

Rock phosphate shortages (or just significant price increases) might negatively affect the world's food security. Many agricultural systems depend on supplies of inorganic fertilizer, which use rock phosphate. Under the food production regime in developed countries, shortages of rock phosphate could lead to shortages of inorganic fertilizer, which could in turn reduce the global food production.

Economists have pointed out that price fluctuations of rock phosphate do not necessarily indicate peak phosphorus, as these have already occurred due to various demand- and supply-side factors.

Соединенные Штаты

Дополнительная информация: добыча фосфатов в Соединенных Штатах

Производство фосфатной породы в США достигла пика в 1980 году на 54,4 миллиона метрических тонн. Соединенные Штаты были крупнейшим в мире производителем фосфатной породы, по крайней мере, с 1900 года, до 2006 года, когда производство США превышало производство Китая . В 2019 году США произвели 10 процентов мировой фосфатной породы.

Истощение запасов гуано

Основная статья: Гуано

В 1609 году Гарсиласо де ла Вега написал книгу Comentarios Reales, в которой он описал многие сельскохозяйственные практики инков до прибытия испанцев и ввел использование гуано в качестве удобрения. Как описал Гарциласо, инки возле побережья собрали гуано. В начале 1800 -х годов Александр фон Гумбольдт представил Гуано как источник сельскохозяйственного удобрения в Европу после того, как обнаружил его на островах у побережья Южной Америки . Сообщалось, что во время его открытия гуано на некоторых островах было более 30 метров глубиной. Гуано ранее использовался людьми Моче в качестве источника удобрений, добывая его и перевозив обратно в Перу на лодке. Международная торговля в Гуано не началась до 1840 года. К началу 20 -го века Гуано был почти полностью истощен и в конечном итоге был настиг с помощью методов производства суперфосфата .

Сохранение и переработка фосфора

Фосфатная шахта на Науру , когда -то один из основных источников фосфатной породы в мире

Обзор

Фосфор может быть перенесен из почвы в одном месте в другое, поскольку пища транспортируется по всему миру, принимая фосфор, который он содержит с ним. После употребления людьми он может оказаться в местной среде (в случае открытой дефекации , которая все еще широко распространена в глобальном масштабе) или в реках или океане через канализационные системы и очистные сооружения в случае городов, подключенных к канализации система Примером одной культуры, который занимает большое количество фосфора, является сою .

В попытке отложить наступление пикового фосфора, на практике находятся несколько методов снижения и повторного использования фосфора, например, в сельском хозяйстве и в санитационных системах. Ассоциация почвы , британская группа по сертификации и давлению органического сельского хозяйства, в 2010 году выпустила отчет «Скала и тяжелое место», поощряя больше переработки фосфора. Одним из потенциальных решений в нехватке фосфора является большая утилизация отходов человека и животных обратно в окружающую среду.

Сельскохозяйственные практики

Сокращение сельскохозяйственного стока и эрозии почвы могут замедлить частоту, с которой фермеры должны повторно применить фосфор на свои поля. Было показано , что сельскохозяйственные методы, такие как сельское хозяйство , террасирование , контурная обработка и использование ветров , снижают скорость истощения фосфора из сельскохозяйственных угодий. Эти методы по -прежнему зависят от периодического применения фосфатной породы к почве, а также были предложены такие методы для переработки потерянного фосфора. Многолетняя растительность, такая как пастбища или лес, гораздо более эффективна в использовании фосфата, чем пахотные земли. Полоски пастбищ и/или леса между пахотными землями и реками могут значительно снизить потери фосфата и других питательных веществ.

Интегрированные сельскохозяйственные системы, которые используют животные источники для подачи фосфора для сельскохозяйственных культур, существуют в меньших масштабах, а применение системы в более широкое масштаб является потенциальной альтернативой для поставки питательных веществ, хотя это потребует значительных изменений в широко принятых современных методах оплодотворения урожая Полем

Excreta повторное использование

Основная статья: повторное использование excreta

Самый старый метод переработки фосфора - это повторное использование навоза животных и человеческих экскрементов в сельском хозяйстве. С помощью этого метода фосфор в потребляемых продуктах выводится, а животные или человеческие сбросы впоследствии собираются и повторно привязаны к полям. Хотя этот метод на протяжении веков сохранял цивилизации, текущая система управления навозом не предназначена для логистического применения к полям урожая в больших масштабах. В настоящее время применение навоза не могло удовлетворить потребности фосфора в крупномасштабном сельском хозяйстве. Несмотря на это, это все еще эффективный метод переработки, используемый фосфор и возврата его в почву. Существуют опасения по поводу патогенов в навозе и экскремете человека, но эти патогены могут быть устранены с помощью подходящего лечения. Однако, особенно на глобальном юге, эти процессы не всегда следуют, что приводит к вспышкам заболеваний, передаваемых по фекально -оральному маршруту, таким как холера .

Осадок сточных вод

Очистка сточных вод, которые имеют повышенную стадию удаления биологического фосфора, производят осадок сточных вод , богатый фосфором. Различные процессы были разработаны для извлечения фосфора из осадка сточных вод, от золы после сжигания осадка сточных вод или из других продуктов осадка сточных вод . Это включает в себя извлечение богатых фосфором материалов, таких как штрувит из заводов по переработке отходов. Струвит можно сделать, добавив магний в отходы. Некоторые компании, такие как Ostara в Канаде и Nuresys в Бельгии, уже используют эту технику для восстановления фосфата.

Исследования методов восстановления фосфора из осадка сточных вод были проведены в Швеции и Германии примерно с 2003 года, но в настоящее время технологии в настоящее время не являются экономически эффективными, учитывая текущую цену фосфора на мировом рынке.

Допинг нейтронной трансмутации

Приведенные выше маршруты относятся к «производству» в химическом смысле, то есть извлечение желаемого элемента или соединения из источника, не изменяя сами атомы. Тем не менее, существует процесс, который производит фосфор в ядерном смысле в том, что атомы другого элемента превращаются в фосфор. Хотя количество производного фосфора, таким образом, является незначительным, это, тем не менее, является важным процессом в полупроводнике.

Допинг нейтронной трансмутации (NTD) является необычным методом легирования для специальных применений. Чаще всего он используется для допинга кремния N-типа в мощных электроники и полупроводниковых детекторах . Он основан на преобразовании ³⁰ Изотоп SI в атомы фосфора путем поглощения нейтронов и бета -распада следующим образом:

$$^{30}\mathrm {Si} \,(n,\gamma )\,^{31}\mathrm {Si} \rightarrow \,^{31}\mathrm {P} +\beta ^{-}\;(T_{1/2}=2.62\mathrm {h} ).$$ На практике кремний обычно расположен вблизи или внутри ядерного реактора (чаще всего исследовательский реактор, например, в MIT ) получить нейтроны. Поскольку нейтроны продолжают проходить через кремний, все больше и больше атомов фосфора продуцируются трансмутацией, и поэтому допинг становится все более и сильнее N-типом. NTD является гораздо менее распространенным методом легирования, чем диффузия или ионная имплантация, но он имеет преимущество в создании чрезвычайно равномерного распределения легирующей привязки.

Приложения

Пламя замедляющего

Соединения фосфора используются в качестве огнестойковых средств. Разрабатываются пламени, снимающиеся материалы и покрытия, которые основаны как на фосфор, так и на био.

Пищевая добавка

Фосфор является важным минералом для людей, перечисленных в диетическом эталонном потреблении (DRI).

Пищевая фосфорная кислота (аддитивная E338 ) используется для подкисления пищевых продуктов и напитков, таких как различные кола и джемы, обеспечивая острый или кислый вкус. Фосфорная кислота также служит консервантом . Изобразительные напитки, содержащие фосфорную кислоту, в том числе Coca-Cola , иногда называют фосфатными газированными напитками или фосфатами. Фосфорная кислота в безалкогольных напитках может вызвать эрозию зубов. Фосфорная кислота также может способствовать формированию камней почек , особенно у тех, у кого ранее были камни почек.

Удобрение

Основная статья: удобрения

См. Также: Цикл фосфора

Фосфор является важным питательным веществом растения (наиболее часто ограничивающим питательным веществом после азота ), и основная часть всей продукции фосфора находится в концентрированных фосфорных кислотах для для сельского хозяйства удобрений , содержащих до 70% до 75% P ₂ O ₅ . Это привело к значительному увеличению фосфата (PO ₄ ³⁻ ) Производство во второй половине 20 -го века. Искусственное фосфатное оплодотворение необходимо, потому что фосфор необходим для всех живых организмов; Он участвует в передаче энергии, силе корня и стеблей, фотосинтезе , расширении корней растений , образовании семян и цветов и других важных факторах, влияющих на общее здоровье растений и генетику. Тяжелое использование удобрений фосфора и их стока привело к эвтрофикации (переоборудование) водных экосистем .

Природные фосфорные соединения в основном недоступны для растений из-за низкой растворимости и подвижности в почве. Большая часть фосфора очень стабилен в почвенных минералах или органическом веществе почвы. Даже когда фосфор добавляется в навоз или удобрения, он может быть зафиксирован в почве. Следовательно, естественный цикл фосфора очень медленный. Некоторые из фиксированных фосфора снова высвобождаются с течением времени, поддерживая рост диких растений, однако необходимо больше для поддержания интенсивного выращивания сельскохозяйственных культур. Условия часто бывают в форме суперфосфата извести, смесь дигидрофосфата кальция (CA (H ₂ PO ₄ ) ₂ ) и дигидрата сульфата кальция (CASO ₄ · 2H ₂ O), продуцируемый реагирующей серной кислотой и водой с кальцием фосфатом .

Обработка фосфатных минералов с серной кислотой для получения удобрений настолько важна для мировой экономики, что это основной промышленный рынок серной кислоты и наибольшее промышленное использование элементарной серы .

Широко используемые соединения	Использовать
CA (H 2 PO 4 ) 2 · H 2 O	Разрыхлитель и удобрения
Cahpo 4 · 2h 2 o	Адаптация для животных, зубной поверхности
H 3 PO 4	Производство фосфатных удобрений
PCL 3	Производство POCL 3 и пестицидов
POCL 3	Производство пластификатора
P 4 S 10	Производство добавок и пестицидов
NA 5 P 3 O 10	Моющие средства

Органофосфосфос

Белый фосфор широко используется для изготовления органических соединений через промежуточные хлориды фосфора и два сульфида фосфора, пентасульфид фосфора и фосфор . Урганофосфоровые соединения имеют много применений, в том числе пластики , огнестойковые эффекты , пестициды , экстракционные агенты, нервные агенты и очистку воды .

Металлургические аспекты

Фосфор также является важным компонентом производства стали , в создании фосфорной бронзы и во многих других родственных продуктах. Фосфор добавляется в металлическую медь во время процесса плавки, чтобы реагировать с кислородом, присутствующим в качестве примеси в меди и для получения фосфор-содержащих медные сплавы ( CUOFP ) с более высокой устойчивостью к охлаждению водорода, чем нормальная медь. Покрытие фосфатов - химическая обработка, применяемая к стальным деталям для улучшения их коррозионной устойчивости.

Матчи

Матч -поразительная поверхность, сделанная из смеси красного фосфора, клея и грунтового стекла. Стеклянный порошок используется для увеличения трения.

Основная статья: матч

Первый поразительный матч с головой фосфора был изобретен Чарльзом Саурией в 1830 году. Эти спички (и последующие модификации) были сделаны с головками белого фосфора, содержащего кислородного соединения ( хлорат калия , диоксид свинца или иногда нитрат ) и переплет Они были ядовиты для рабочих в производстве, Чувствительный к условиям хранения, токсичный, если он проходит, и опасно, когда случайно зажигается на шероховатой поверхности. Производство в нескольких странах было запрещено между 1872 и 1925 годами. Международная конвенция Берна , ратифицированная в 1906 году, запретила использование белого фосфора в совпадениях.

В результате, фосфорные совпадения были постепенно заменены более безопасными альтернативами. Около 1900 года французских химиков Анри Севен и Эмиль Дэвид Кэен изобрели современный матч в любом месте, в котором белый фосфор был заменен сескульфидом фосфора (стр. ₄ S ₃ ), нетоксичного и не пирофорического соединения, которое зажигает при трении. Какое-то время эти более безопасные матчи в любом везде были довольно популярны, но в долгосрочной перспективе они были заменены современным матчем безопасности.

Матчи безопасности очень трудно зажечь на любой поверхности, кроме специальной полосы нападающего. Полоса содержит нетоксичный красный фосфор и хлорат калиевого калиевого калиевого цвета , соединение кислорода. При поражении небольшое количество истирания от головы со спичками и ударной полосы смешивается тесно, чтобы сделать небольшое количество смеси Армстронга , очень чувствительную композицию очень ощущения. Тонкий порошок немедленно зажигает и дает начальную искру, чтобы подготовиться к головке. Безопасные совпадения отделяют два компонента смеси зажигания до тех пор, пока не будет пробит матч. Это ключевое преимущество безопасности, поскольку оно предотвращает случайное зажигание. Тем не менее, матчи безопасности, изобретенные в 1844 году Густавом Эриком Паш и рынком, готовыми к 1860 -м годам, не получили принятия потребителей до запрета белого фосфора. Использование выделенной нападающей полосы считалось неуклюжим.

Смягчение воды

Триполифосфат натрия, изготовленный из фосфорной кислоты, используется в моющих средствах для стирки в некоторых странах, но запрещено это использование в других. Это соединение смягчает воду для повышения производительности моющих средств и предотвращения коррозии труб/котла .

Разнообразный

• Фосфаты используются для изготовления специальных очков для натриевых ламп .
• Кость (в основном фосфат кальция ) используется при производстве тонкого Китая.
• Фосфорная кислота, изготовленная из элементарного фосфора, используется в пищевых применениях, таких как безалкогольные напитки , и в качестве отправной точки для фосфатов пищевого качества. К ним относятся монокальции -фосфат для разрыхлителя и триполифосфата натрия . Фосфаты используются для улучшения характеристик обработанного мяса и сыра , а также в зубной пасте.
• Белый фосфор , называемый «wp» (сленговый термин «Вилли Питер») используется в военных приложениях в качестве зажигательных бомб , для скрининга дыма в качестве дымовых горшков и дымовых бомб , а также в боеприпасах трассировщиков . Это также часть устаревшей М34 Белого Фосфора США . Эта многофункциональная граната была в основном использована для передачи сигналов, дымовых экранов и воспаления; Это также может вызвать серьезные ожоги и оказать психологическое влияние на врага. Военное использование белого фосфора ограничено международным правом.
• ³² P и ³³ P используются в качестве радиоактивных трассировщиков в биохимических лабораториях.
• Фосфор-это легирующая примечания в полупроводниках N-типа

Биологическая роль

См. Также: метаболизм кальция

Неорганический фосфор в форме фосфата ³⁻
₄ требуется для всех известных форм жизни . Фосфор играет важную роль в структурной структуре ДНК и РНК . Живые клетки используют фосфат для транспортировки клеточной энергии с аденозин -трифосфатом (АТФ), необходимым для каждого клеточного процесса, который использует энергию. АТФ также важен для фосфорилирования , ключевого регуляторного события в клетках. Фосфолипиды являются основными структурными компонентами всех клеточных мембран. Соли фосфатов кальция помогают в жестких костях . Биохимики обычно используют аббревиатуру «P _I » для обозначения неорганического фосфата.

Каждая живая ячейка заключена в мембрану, которая отделяет ее от окружающей среды. Клеточные мембраны состоят из фосфолипидной матрицы и белков, обычно в форме бислоя. Фосфолипиды получены из глицерина с двумя протонами гидроксила глицерина (OH), замененных жирными кислотами в качестве сложного эфира , а третий гидроксильный протон был заменен фосфатом, связанным с другим спиртом.

Средний взрослый человек содержит около 0,7 кг фосфора, около 85–90% в костях и зубах в виде апатита , а остальные - в мягких тканях и внеклеточных жидкостях. Содержание фосфора увеличивается с 0,5% на массу в младенчестве до 0,65–1,1% по массе у взрослых. Средняя концентрация фосфора в крови составляет около 0,4 г/л; Около 70% этого являются органическими и 30% неорганических фосфатов. Взрослый со здоровой диетой потребляет и выделяет около 1–3 грамма фосфора в день, с потреблением в форме неорганического фосфата и фосфор-содержащих биомолекул, таких как нуклеиновые кислоты и фосфолипиды ; и экскреция почти исключительно в форме фосфатных ионов, таких как H
₂ po ⁻
₄ и HPO ²⁻
₄ ​Только около 0,1% фосфата тела циркулирует в крови, параллельно количеству фосфата, доступного для клеток мягких тканей.

Эмаль костей и зубов

Основным компонентом кости является гидроксиапатит , а также аморфные формы фосфата кальция, возможно, включая карбонат. Гидроксиапатит является основным компонентом зубной эмали. Фтоорирование воды усиливает сопротивление зубов, чтобы распадаться при частичном превращении этого минерала в еще более твердый материал флуорапатит :

Что
₅ (PO
₄ )
₃ OH + F ⁻
→ Ca
₅ (PO
₄ )
₃ F + OH ⁻

Дефицит фосфора

В медицине синдром дефицита фосфатов может быть вызван недоеданием , неспособностью поглощать фосфат и метаболические синдромы, которые вытягивают фосфат из крови (например, при синдроме переработки после недоедания. ) или передавать слишком много этого в мочу. Все они характеризуются гипофосфатемией , которая является условием низких уровней растворимых уровней фосфата в сыворотке крови и внутри клеток. Симптомы гипофосфатемии включают неврологическую дисфункцию и нарушение мышц и клеток крови из -за отсутствия АТФ . Слишком много фосфата может привести к диареи и кальцификации (упрочнение) органов и мягких тканей и может мешать способности организма использовать железо, кальций, магний и цинк.

Фосфор является важным макроминералом для растений, который широко изучается в эдафологии, чтобы понять поглощение растений из почвенных систем. Фосфор является ограничивающим фактором во многих экосистемах ; То есть нехватка фосфора ограничивает скорость роста организма. Избыток фосфора также может быть проблематичным, особенно в водных системах, где эвтрофикация иногда приводит к цветению водорослей .

Питание

Диетические рекомендации

Институт медицины США (МОМ) обновил расчетные средние требования (уши) и рекомендуемые диетические пособия (RDA) для фосфора в 1997 году. Если нет достаточной информации для установления ушей и RDA, адекватное потребление вместо этого используется (ИИ). Полем Текущее ухо для фосфора для людей в возрасте от 19 лет и старше 580 мг/день. RDA составляет 700 мг/день. RDA выше, чем уши, чтобы определить суммы, которые будут охватывать людей с более высокими, чем средневзвешенными требованиями. RDA для беременности и лактации также 700 мг/день. Для людей в возрасте от 1 до 18 лет RDA увеличивается с возрастом с 460 до 1250 мг/день. Что касается безопасности, МОМ устанавливает терпимые уровни верхнего потребления (ULS) для витаминов и минералов, когда доказательства достаточны. В случае фосфора UL составляет 4000 мг/день. В совокупности уши, RDA, AIS и ULS называются диетическими эталонными потребностями (DRIS).

Европейское управление по безопасности пищевых продуктов (EFSA) относится к коллективному набору информации как диетических справочных значений, при этом потребление ссылки на население (PRI) вместо RDA и средним требованием вместо уха. ИИ и UL определяются так же, как в Соединенных Штатах. Для людей в возрасте 15 лет и старше, включая беременность и лактацию , ИИ установлен на 550 мг/день. Для детей в возрасте от 4 до 10 лет ИИ составляет 440 мг/день, а в возрасте 11–17 лет - 640 мг/день. Эти ИИ ниже, чем в США RDA. В обеих системах подросткам нужно больше, чем взрослые. Европейское управление безопасности пищевых продуктов рассмотрело тот же вопрос о безопасности и решил, что не хватает информации, чтобы установить UL.

Для целей маркировки пищевых добавок для пищевых продуктов и пищевых добавок количество в порции выражается в процентах от ежедневной стоимости (%DV). В целях маркировки фосфора 100% ежедневной стоимости составляло 1000 мг, но по состоянию на 27 мая 2016 года она была пересмотрена на 1250 мг, чтобы довести его до согласия с RDA. Таблица старых и новых ежедневных значений взрослых предоставляется при ежедневном потреблении .

Пищевые источники

Основные источники пищи для фосфора такие же, как и содержащие белки , хотя белки не содержат фосфора. Например, молоко, мясо и соя, как правило, также имеют фосфор. Как правило, если диета имеет достаточное количество белка и кальция, вероятно, достаточное количество фосфора.

Меры предосторожности

Взрыв фосфора

Органические соединения фосфора образуют широкий класс материалов; Многие обязаны для жизни, но некоторые из них чрезвычайно токсичны. Флуорофосфатные сложные эфиры являются одними из самых мощных нейротоксинов . Широкий ассортимент органических соединений используется для их токсичности в качестве пестицидов ( гербициды , инсектициды , фунгициды и т. Д.) И вооруженные из них нервные агенты против вражеских людей. Большинство неорганических фосфатов являются относительно нетоксичными и важными питательными веществами.

Белый фосфор -аллотроп представляет значительную опасность, потому что она зажигает в воздухе и производит остатки фосфорной кислоты. Хроническое отравление белым фосфором приводит к некрозу челюсти, называемой « Phossy Jaw ». Белый фосфор токсичен , вызывая тяжелое повреждение печени при приеме в примире и может вызвать состояние, известное как «синдром курящего стула».

В прошлом внешнее воздействие элементарного фосфора обрабатывали путем промывки пораженной области 2% медным (II) сульфатным раствором с образованием безвредных соединений, которые затем смывают. Согласно недавнему обращению с химическими агентами и травмами военных химических травм: FM8-285: Часть 2 Традиционные военные химические травмы », CUPRIC (медный (II)) сульфат в прошлом использовался персоналом и до сих пор остается Используется некоторыми странами. Ну и внутрисосудистый гемолиз ".

Руководство предполагает вместо этого «раствор бикарбонатного для нейтрализации фосфорной кислоты, который затем позволит удалить видимый белый фосфор. Частицы часто могут быть обнаружены путем излучения дыма, когда воздух ударяет их, или их фосфоресценцией в темноте. В темном окружении, Фрагменты рассматриваются как люминесцентные пятна . Поглощается позже и, возможно, производит системное . отравление Поскольку белый фосфор легко смешивается с маслами, любые жирные вещества или мази не рекомендуются до тех пор, пока область не будет тщательно очищена, а весь белый фосфор удаляется.

Люди могут подвергаться воздействию фосфора на рабочем месте путем ингаляции, проглатывания, контакта с кожей и зрительного контакта. Управление по безопасности и гигиене труда (OSHA) установило предел воздействия фосфора ( допустимый предел воздействия ) на рабочем месте на 0,1 мг/м ³ За 8 часов рабочего дня. Национальный институт безопасности и гигиены труда (NIOSH) установил рекомендуемый предел воздействия (REL) 0,1 мг/м ³ За 8 часов рабочего дня. На уровнях 5 мг/м ³ , фосфор сразу же опасен для жизни и здоровья .

US DEA List I Статус

Фосфор может уменьшить элементарный йод до гидрооооооооооооооооооооооооооооооо , который является реагентом, эффективным для снижения эфедрина или псевдоэфедрина до метамфетамина . По этой причине, красный и белый фосфор был назначен Администрацией по борьбе с наркотиками Соединенных Штатов как химические вещества Precursor List I в соответствии с 21 CFR 1310.02, наступившие 17 ноября 2001 года. В Соединенных Штатах обработчики красного или белого фосфора подвергаются строгим регуляторным контролям.

Смотрите также

• Теория Пика Хабберта

Библиография

Общие источники

• Битти, Ричард (2000). Фосфор . Маршалл Кавендиш. ISBN  0-7614-0946-7 .
• Бернс, Мелинда (10 февраля 2010 г.). «История P (Ee)» . Miller-McCune . Архивировано из оригинала 7 января 2012 года . Получено 2 февраля 2012 года .
• Corbridge, D.E.C. (1995) «Phosphorus: план его химии, биохимии и технологий» 5 -е издание Elsevier: Амстердам. ISBN   0-444-89307-5 .
• Корделл, Дана ; Дрангерт, Ян-Олоф; Уайт, Стюарт (2009). «История фосфора: глобальная продовольственная безопасность и еда для размышлений». Глобальные изменения окружающей среды . 19 (2): 292–305. Bibcode : 2009gec .... 19..292c . doi : 10.1016/j.gloenvcha.2008.10.009 . ISSN   0959-3780 . S2CID   1450932 .
• Корделл, Дана; Уайт, Стюарт (2011-10-24). «Пик фосфора: разъяснение ключевых вопросов энергичных дебатов о долгосрочной безопасности фосфора» . Устойчивость . 3 (10): 2027–2049. doi : 10.3390/su3102027 . HDL : 10453/31261 . ISSN   2071-1050 .
• Discowski, Герберт; Хофманн, Турмас. "Фосфор" Энциклопедия ​Вейнхайм: Wiley-VCH doi : 10.1002/ 14366007 ISBN  978-3527306732 .
• Эмсли, Джон (2000). Шокирующая история фосфора: биография элемента дьявола . Лондон: Макмиллан. ISBN  0-333-76638-5 .
• Эмсли, Джон (7 января 2002 г.). 13 -й элемент: грязная история об убийстве, огне и фосфоре . Джон Уайли и сыновья. ISBN  978-0-471-44149-6 Полем Получено 3 февраля 2012 года .
• Heckenmüller, M.; Нарита, Д.; Klepper, G. (2014). « Глобальная доступность фосфора и его последствия для глобального запаса продовольствия: экономический обзор ». Киль рабочий документ №. 1897. Доступ к 11 мая 2020 года.
• Фосфор в рационе: медицинская энциклопедия MedlinePlus . Nlm.nih.gov (2011-11-07). Получено на 2011-11-19.
• Паркс, GD; Mellor, JW (1939). Современная неорганическая химия Меллора . Longman's Green and Co.
• Руттенберг, KC Phosphorus Cycle - Цикл наземного фосфора, транспорт фосфора , с континентов к океану, цикл морского фосфора . Архивировано 13 июля 2011 года на Archive.today .
• Соммерс, Майкл А. (2007-08-15). Фосфор . Розен Группа. ISBN  978-1-4042-1960-1 . {{cite book}}: Cs1 Maint: дата и год ( ссылка )
• Шредтертер, Клаус; Bettermann, Gerhard; Сезон, Томас; Wahl, Фридрих; Кляйн, Томас; Хофманн, Томас. «Фосфорная кислота и фосфаты». Энциклопедия промышленной химии Уллмана . Вейнхайм: Wiley-VCH. Doi : 10.1002/14356007.a19_465.pub3 . ISBN  978-3527306732 .
• Therffall, Richard E. (1951). История 100 лет создания фосфора: 1851–1951 . Oldbury: Albright & Wilson Ltd.
• Игрушка, Артур Д. Ф. (1975). Химия фосфора . Тексты в неорганической химии. Тол. 3. Пергамон. ISBN  978-1-4831-4741-3 Полем Получено 2013-10-22 .

Дальнейшее чтение

• Поджер, Хью (2002). Олбрайт и Уилсон. Последние 50 лет . Студли: Brewin Books. ISBN  1-85858-223-7 .
• Колберт, Элизабет , «Элементная потребность: фосфор помог спасти наш образ жизни - и теперь угрожает положить конец этому», «Нью -Йорк» , 6 марта 2023 года, с. 24–27. "[T] В мире проблема с фосфором (возникающая в результате чрезмерного использования элемента в сельском хозяйстве] напоминает проблему углекислого диоксида, проблема с пластиками, проблема использования грунтовых вод, проблема с эрозией почвы и проблема с азотом. Можно привести к разрушению, но пока никто не нашел работоспособного пути назад ». (стр. 27.)