Фосфор и его соединения

Чёрный  фосфор 
 
 

• Чёрный  фосфор — это наиболее стабильная термодинамически и химически наименее активная форма элементарного фосфора. Впервые чёрный фосфор был получен  в 1914 году американским физиком П. У. Бриджменом из белого фосфора в виде чёрных блестящих кристаллов, имеющих  высокую (2690 кг/м³) плотность. Для проведения синтеза чёрного фосфора Бриджмен применил давление в 2×109 Па (20 тысяч  атмосфер) и температуру около 200 °С. Начало быстрого перехода лежит  в области 13 000 атмосфер и температуре  около 230 °С.

 

• Чёрный  фосфор представляет собой чёрное вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь и весьма похожее на графит, и с полностью отсутствующей  растворимостью в воде или органических растворителях. Поджечь чёрный фосфор можно, только предварительно сильно раскалив в атмосфере чистого кислорода  до 400 °С. Удивительным свойством чёрного  фосфора является его способность  проводить электрический ток  и свойства полупроводника. Температура  плавления чёрного фосфора 1000 °С под давлением 18×105 Па.

Металлический фосфор 
 
 

• При 8,3×1010 Па чёрный фосфор переходит в  новую, ещё более плотную и  инертную металлическую фазу с плотностью 3,56 г/см³, а при дальнейшем повышении  давления до 1,25×1011 Па — ещё более  уплотняется и приобретает кубическую кристаллическую решётку, при этом его плотность возрастает до 3,83 г/см³. Металлический фосфор очень хорошо проводит электрический ток.

Аллотропия

Химические  свойства 

• Химическая  активность фосфора значительно  выше, чем у азота. Химические свойства фосфора во многом определяются его  аллотропной модификацией. Белый  фосфор очень активен, в процессе перехода к красному и чёрному  фосфору химическая активность резко  снижается. Белый фосфор на воздухе  светится в темноте, свечение обусловлено  окислением паров фосфора до низших оксидов.

 

• В жидком и растворенном состоянии, а  также в парах до 800 °С фосфор состоит  из молекул Р4. При нагревании выше 800 °С молекулы диссоциируют: Р4 = 2Р2. При  температуре выше 2000 °С молекулы распадаются  на атомы.

Взаимодействие  с простыми веществами 

• Фосфор  легко окисляется кислородом:

4P + 5O2 →  2P2O5 (с избытком кислорода),

4P + 3O2 →  2P2O3 (при медленном окислении или  при недостатке кислорода). 

Взаимодействует со многими простыми веществами —  галогенами, серой, некоторыми металлами, проявляя окислительные и восстановительные  свойства:

с металлами — окислитель, образует фосфиды:

2P + 3Ca →  Ca3P2,

2P + 3Mg →  Mg3P2.

фосфиды разлагаются водой и кислотами с образованием фосфина

с неметаллами — восстановитель:

2P + 3S →  P2S3,

2P + 3Cl2 →  2PCl3.

Не взаимодействует с водородом.

Взаимодействие  с водой 

• Взаимодействует с водой, при этом диспропорционирует:

8Р + 12Н2О  = 5РН3 + 3Н3РО4 (фосфорная кислота).

Оксид фосфора

Взаимодействие  со щелочами 

• В растворах щелочей диспропорционирование  происходит в большей степени:

4Р + 3KOH + 3Н2О → РН3 + 3KН2РО2.

Хлорид  фосфора

Восстановительные свойства 

• Сильные окислители превращают фосфор в фосфорную  кислоту:
• 3P + 5HNO3 + 2H2O → 3H3PO4 + 5NO;
• 2P + 5H2SO4 → 2H3PO4 + 5SO2 + 2H2O.

 

• Реакция окисления также происходит при  поджигании спичек, в качестве окислителя выступает бертолетова соль:
• 6P + 5KClO3 → 5KCl + 3P2O5

Применение 

• Фосфор  является важнейшим биогенным элементом  и в то же время находит очень  широкое применение в промышленности. Красный фосфор применяют в производстве спичек. Его вместе с тонко измельчённым стеклом и клеем наносят на боковую поверхность коробка. При  трении спичечной головки, в состав которой входят хлорат калия и  сера, происходит воспламенение

Применение

Элементарный  фосфор 

• Пожалуй, первое свойство фосфора, которое человек  поставил себе на службу, — это горючесть. Горючесть фосфора очень велика и зависит от аллотропической  модификации.

 

• Наиболее  активен химически, токсичен и горюч  белый («жёлтый») фосфор, потому он очень  часто применяется (в зажигательных  бомбах и пр.).

 

• Красный фосфор — основная модификация, производимая и потребляемая промышленностью. Он применяется в производстве спичек, взрывчатых веществ, зажигательных  составов, топлив, а также противозадирных  смазочных материалов, в качестве газопоглотителя в производстве ламп накаливания.

Использование фосфора в спичках

Соединения  фосфора в сельском хозяйстве 

• Фосфор (в виде фосфатов) — один из трёх важнейших биогенных элементов (NPK), участвует в синтезе АТФ. Большая  часть производимой фосфорной кислоты  идёт на получение фосфорных удобрений  — суперфосфата, преципитата, аммофоски  и др

Соединения  фосфора в промышленности 

• Фосфаты широко используются:
• в качестве комплексообразователей (средства для умягчения воды),
• в составе пассиваторов поверхности металлов (защита от коррозии, например, т. н. состав «мажеф»).

Фосфатные связующие 

• Способность фосфатов формировать прочную трёхмерную полимерную сетку используется для  изготовления фосфатных и алюмофосфатных связок.

Биологическая роль соединений фосфора 

• 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 3Са3(РО4)3·Ca(OH)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 800—1500 мг. При недостатке фосфора в организме развиваются различные заболевания костей.

Токсикология  элементарного фосфора 

• Красный фосфор практически нетоксичен. Пыль красного фосфора, попадая в легкие, вызывает пневмонию при хроническом  действии.
• Белый фосфор очень ядовит, растворим в липидах. Смертельная доза белого фосфора — 50—150 мг. Попадая на кожу, белый фосфор дает тяжелые ожоги.

 

• 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 производственных помещений  — 0,03 мг/м³, временно допустимая концентрация в атмосферном воздухе — 0,0005 мг/м³, ПДК в питьевой воде — 0,0001 мг/дм³.

Токсикология  соединений фосфора 

• Некоторые соединения фосфора (фосфин) очень токсичны. Боевые отравляющие вещества зарин, зоман, табун, V-газы являются соединениями фосфора.

Чудеса  фосфора 

• Чудеса  без чудес

Церковь не раз пользовалась белым фосфором для одурачивания верующих. Известны, как минимум, два вида «чудес», к которым причастно это вещество. Чудо первое: свеча, загорающаяся сама. Делается это так: на фитиль наносят раствор фосфора в сероуглероде, растворитель довольно быстро испаряется, а оставшиеся на фитиле крупинки фосфора окисляются кислородом воздуха и самовоспламеняются. Чудо второе: «божественные» надписи, вспыхивающие на стенах. Тот же раствор, те же реакции. Если раствор достаточно насыщен, то надписи сначала светятся, а затем вспыхивают и исчезают.

Фосфор