Фосфор

Фосфор — это химический элемент 15-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы пятой группы) третьего периода периодической системы Д. И. Менделеева, с атомным номером 15. Обозначается символом P (от лат. Phosphorus). Простое вещество фосфор представляет собой неметалл, существующий в нескольких аллотропных модификациях, из которых наиболее известны белый, красный и чёрный фосфор. Фосфор является одним из важнейших биогенных элементов, входящим в состав нуклеиновых кислот, аденозинтрифосфата (АТФ), фосфолипидов и костной ткани. В промышленности фосфор и его соединения широко применяются в производстве удобрений, моющих средств, спичек, зажигательных смесей и полупроводниковых материалов.

История открытия

Фосфор был открыт в 1669 году гамбургским алхимиком Хеннигом Брандом. В поисках философского камня Бранд проводил опыты с человеческой мочой, которую он выпаривал, прокаливал и подвергал дистилляции. В результате он получил белое воскообразное вещество, которое светилось в темноте. Бранд назвал его «холодным огнём» (лат. ignis frigidus), а позднее за способность к фосфоресценции (от греч. φῶς — свет и φέρω — несу) вещество получило название «фосфор».

Свойства нового элемента были описаны Брандом в письмах к учёным, и вскоре рецепт получения фосфора стал известен в Европе. В 1680 году английский химик Роберт Бойль независимо от Бранда получил фосфор и описал его свойства, а его ассистент Амброз Годфри-Хэнквиц наладил коммерческое производство фосфора в Лондоне. В 1771 году шведский химик Карл Вильгельм Шееле разработал способ получения фосфора из костной золы, что позволило значительно удешевить его производство.

Нахождение в природе

Фосфор относится к распространённым элементам. Его содержание в земной коре составляет около 0,09 % по массе. В свободном виде в природе фосфор не встречается из-за высокой химической активности. Основные минералы фосфора — апатиты (фосфаты кальция с примесями фтора, хлора или гидроксила) и фосфориты (осадочные породы, богатые фосфатом кальция). Крупнейшие месторождения фосфоритов находятся в Марокко, Китае, США, России (Хибинский массив, Кольский полуостров), Казахстане и Иордании.

Фосфор входит в состав всех живых организмов. В теле человека содержится около 700–800 г фосфора, большая часть которого (около 85 %) сосредоточена в костях и зубах в виде гидроксиапатита.

Аллотропные модификации

Фосфор образует несколько аллотропных модификаций, различающихся по физическим и химическим свойствам.

Белый фосфор

Белый фосфор (P₄) — наиболее химически активная и токсичная модификация. Представляет собой бесцветное или желтоватое воскообразное вещество с характерным чесночным запахом. На воздухе при комнатной температуре самовоспламеняется, поэтому его хранят под водой. Белый фосфор светится в темноте за счёт хемилюминесценции — медленного окисления паров фосфора кислородом воздуха. Чрезвычайно ядовит: смертельная доза для человека составляет около 0,05–0,1 г. При попадании на кожу вызывает тяжёлые ожоги. Белый фосфор используется в военных целях (зажигательные боеприпасы, дымовые шашки), а также в качестве исходного сырья для получения красного фосфора и фосфорной кислоты.

Красный фосфор

Красный фосфор — полимерная модификация, получаемая при длительном нагревании белого фосфора без доступа воздуха при температуре 250–300 °C. Представляет собой аморфный порошок тёмно-красного цвета. В отличие от белого, красный фосфор не ядовит, не светится в темноте и не самовоспламеняется на воздухе. Он химически менее активен, но при нагревании может воспламеняться. Красный фосфор используется в производстве спичек (наносится на боковую поверхность коробка), в качестве наполнителя для пластмасс, а также в пиротехнике.

Чёрный фосфор

Чёрный фосфор — термодинамически наиболее стабильная модификация. Получается при нагревании белого фосфора под высоким давлением (около 1,2 ГПа) при температуре 200 °C. Представляет собой чёрное кристаллическое вещество со слоистой структурой, напоминающей графит. Чёрный фосфор обладает полупроводниковыми свойствами и используется в электронике, в частности, в полевых транзисторах и оптоэлектронных устройствах. В последние годы ведутся активные исследования по применению чёрного фосфора в фотовольтаике и наноэлектронике.

Другие модификации

Существуют также фиолетовый (или «металлический») фосфор, получаемый при кристаллизации красного фосфора, и ряд других менее распространённых модификаций.

Химические свойства

Фосфор — активный неметалл. В соединениях он проявляет степени окисления от -3 до +5. Наиболее характерны степени окисления +3 и +5.

Фосфор легко окисляется кислородом. При горении белого фосфора образуется фосфорный ангидрид (P₂O₅ или P₄O₁₀), который энергично реагирует с водой, образуя метафосфорную кислоту (HPO₃), а затем — ортофосфорную кислоту (H₃PO₄). При недостатке кислорода образуется фосфористый ангидрид (P₂O₃ или P₄O₆).

Фосфор взаимодействует с галогенами, образуя галогениды (например, PCl₃, PCl₅), с серой — сульфиды, с металлами — фосфиды (например, Ca₃P₂, AlP). При нагревании фосфор реагирует с концентрированными кислотами-окислителями (азотной, серной). В щелочах белый фосфор диспропорционирует, образуя фосфин (PH₃) и гипофосфиты.

Соединения фосфора

Фосфорная кислота и фосфаты

Ортофосфорная кислота (H₃PO₄) — трёхосновная кислота средней силы, широко используемая в промышленности. Её соли — фосфаты — являются важнейшими компонентами минеральных удобрений. Наиболее распространённые удобрения: суперфосфат (Ca(H₂PO₄)₂ + CaSO₄), двойной суперфосфат (Ca(H₂PO₄)₂), аммофос (NH₄H₂PO₄ + (NH₄)₂HPO₄). Фосфаты также используются в производстве моющих средств (триполифосфат натрия), в пищевой промышленности (как регуляторы кислотности и разрыхлители) и в стоматологии (в составе зубных паст).

Фосфин

Фосфин (PH₃) — бесцветный ядовитый газ с неприятным чесночным запахом. Образуется при разложении фосфидов водой или кислотами. Фосфин используется в органическом синтезе, а также для фумигации (борьбы с вредителями зерна). Чрезвычайно токсичен и взрывоопасен.

Фосфорорганические соединения

Фосфор входит в состав многочисленных органических соединений. Среди них — фосфолипиды (компоненты клеточных мембран), нуклеотиды (строительные блоки ДНК и РНК), АТФ (универсальный источник энергии в клетке). Некоторые фосфорорганические соединения обладают высокой токсичностью и используются как боевые отравляющие вещества (зарин, зоман, VX — все признаны химическим оружием, запрещены Конвенцией о химическом оружии). Другие применяются в качестве инсектицидов и пестицидов.

Применение

Основные области применения фосфора и его соединений:

• Сельское хозяйство: производство фосфорных удобрений (суперфосфат, аммофос, фосфоритная мука). Фосфор — один из трёх макроэлементов (вместе с азотом и калием), необходимых для роста растений.
• Промышленность: производство фосфорной кислоты, фосфатов для моющих средств, антикоррозионных покрытий, огнезащитных составов.
• Спичечное производство: красный фосфор используется для нанесения на боковую поверхность спичечного коробка.
• Военное дело: белый фосфор применяется в зажигательных боеприпасах и дымовых шашках. В соответствии с международными конвенциями, использование белого фосфора против гражданских объектов запрещено, однако он не запрещён для создания дымовых завес или подсветки целей.
• Электроника: чёрный фосфор исследуется как перспективный материал для полупроводниковых приборов, транзисторов и солнечных батарей.
• Медицина: радиоактивные изотопы фосфора (³²P, ³³P) используются для лучевой терапии и диагностики (например, при лечении полицитемии и некоторых опухолей). Фосфаты кальция применяются в стоматологии и ортопедии для регенерации костной ткани.
• Пищевая промышленность: фосфорная кислота и фосфаты (E338–E341, E450–E452) используются как регуляторы кислотности, разрыхлители, влагоудерживающие агенты и эмульгаторы.

Биологическая роль

Фосфор — жизненно важный элемент для всех живых организмов. Он входит в состав:

• Нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) — в виде остатков фосфорной кислоты, связывающих нуклеотиды.
• Аденозинтрифосфата (АТФ) — основного переносчика энергии в клетке.
• Фосфолипидов — основных компонентов клеточных мембран.
• Костной ткани — в виде гидроксиапатита Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂.

Суточная потребность человека в фосфоре составляет около 800–1200 мг. Основные источники фосфора в пище — мясо, рыба, яйца, молочные продукты, бобовые, орехи, зерновые. Недостаток фосфора (гипофосфатемия) может приводить к слабости, болям в костях, нарушениям работы нервной системы. Избыток фосфора (гиперфосфатемия) опасен для людей с заболеваниями почек, так как может вызывать кальцификацию сосудов и почечную недостаточность.

Токсикология и безопасность

Белый фосфор — один из сильнейших неорганических ядов. При отравлении белым фосфором наблюдаются тошнота, рвота (рвотные массы светятся в темноте), боли в животе, поражение печени и почек, сердечно-сосудистая недостаточность. Смертельная доза — 0,05–0,1 г. При попадании на кожу белый фосфор вызывает глубокие ожоги, которые долго не заживают. Первая помощь — обильное промывание поражённого участка водой, удаление кусочков фосфора, наложение повязки, смоченной раствором медного купороса или марганцовокислого калия (для нейтрализации фосфора). Красный фосфор практически нетоксичен, но при вдыхании его пыли может вызывать раздражение дыхательных путей.

Фосфин (PH₃) — чрезвычайно токсичный газ, поражающий нервную систему и лёгкие. При работе с фосфором и его соединениями необходимо соблюдать меры безопасности: использовать вытяжную вентиляцию, защитные перчатки, очки и респираторы.

Интересные факты

• Название «фосфор» происходит от греческих слов «свет» и «несу» — из-за способности белого фосфора светиться в темноте.
• Белый фосфор был первым химическим элементом, открытие которого документально зафиксировано.
• В XIX веке фосфор использовался в производстве спичек, что приводило к массовым отравлениям рабочих («фосфорный некроз челюсти»). В 1906 году Бернская конвенция запретила использование белого фосфора в спичечном производстве.
• Фосфор является одним из ключевых элементов в гипотезе «фосфорной катастрофы» — события, которое могло привести к массовому вымиранию в истории Земли.
• Чёрный фосфор был впервые получен в 1914 году американским физиком Перси Бриджменом.

Источники

• Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Советская энциклопедия, 1995. — Т. 5.
• Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008.
• Карапетьянц М. Х., Дракин С. И. Общая и неорганическая химия. — М.: Химия, 1992.
• Реми Г. Курс неорганической химии. — М.: Мир, 1972.
• Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. — М.: Высшая школа, 2001.
• Данные Международного агентства по изучению рака (IARC) и Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) по токсичности фосфора.
• Материалы Геологической службы США (USGS) по мировым запасам фосфоритов.