A foszfor kémia (Z = 15)

Hasonlítsa össze a 15. csoport elemeinek tulajdonságait.
Magyarázza el a foszfát fő alkalmazását.
Ismertesse a foszforsav ionizációjának egyensúlyát!.

A foszfor (P) az élet nélkülözhetetlen része, ahogyan ismerjük. Az olyan biológiai molekulákban lévő foszfátok nélkül, mint az ATP, az ADP és a DNS, nem lennénk életben. A foszforvegyületek megtalálhatók a csontjainkban és a fogainkban lévő ásványi anyagokban is. Étrendünk szükséges része. Valójában szinte minden ételben fogyasztjuk. A foszfor meglehetősen reaktív. Az elem ezen minősége miatt ideális összetevő a gyufákhoz, mert annyira gyúlékony. A foszfor a növények létfontosságú eleme, ezért foszfátokat adunk műtrágyánkba, hogy ezáltal maximalizálhassuk növekedésüket.

Bevezetés

A foszfor nagy szerepet játszik létezésünkben, de veszélyes is lehet. Amikor a foszfort tartalmazó műtrágyák a vízbe kerülnek, gyors alganövekedést eredményez. Ez a tavak és folyók eutrofizációjához vezethet; azaz az ökoszisztémában megnövekedett a kémiai tápanyagok mennyisége, és ez negatív környezeti hatásokat eredményezhet. Minden foszforfelesleg mellett a növények gyorsan növekednek, majd elpusztulnak, ami oxigénhiányt okoz a vízben és a víz minőségének általános romlását eredményezi. Ezért szükséges a felesleges foszfor eltávolítása szennyvízünkből. A foszfor eltávolításának kémiai eljárása úgy történik, hogy a foszfort olyan vegyületekkel reagáltatjuk, mint a vas-klorid, a vas-szulfát és az alumínium-szulfát vagy az alumínium-klór-hidrát. A foszfor alumíniummal vagy vasal kombinálva oldhatatlan sóvá válik. A (FePO_4) és az (AlPO_4) oldhatósági egyensúlyi állandók 1,3x10 -22, illetve 5,8x10 -19. Ilyen alacsony oldhatóság mellett a keletkező csapadékokat kiszűrhetjük.

1. ábra: A foszfátok túlzott alganövekedéshez vezethetnek, ami nemkívánatos lehet

A foszfor veszélyeinek másik példája a gyufa gyártása. A fehér foszfor gyúlékony jellege és olcsó előállítása lehetővé tette a gyufa készítését a 20. század fordulóján. A fehér foszfor azonban nagyon mérgező. A gyufagyárak sok dolgozójának agykárosodása és az "állkapocs foszfor nekrózisa" nevű betegség alakult ki a mérgező foszforgőzök hatásának kitéve. A foszforfelesleg feleslege miatt csontszövetük elpusztult és elrothadt. Emiatt most vörös foszfort vagy foszfor-szeszkiszulfidot használunk a "biztonsági" mérkőzések során.

A foszfor felfedezése

A görög phosphoros ("fényhordozó") szóból elnevezett elemi foszfor nem található elemi formájában, mert ez a forma meglehetősen reaktív. E tényező miatt hosszú időbe telt, amíg "felfedezték". Az első rögzített foszfor-izolálást Hennig Brand alkimista végezte 1669-ben, mintegy 60 vödör vizelettel. Miután nagy mennyiségű vizeletet sokáig rothasztott, Brand desztillálta a folyadékot péppé, felmelegítette a pasztát, a képződött sót eldobta, és a maradék anyagot hideg víz alá tette, hogy szilárd fehér foszfor keletkezzen. Brand folyamata nem volt túl hatékony; az általa eldobott só valójában a foszfor nagy részét tartalmazta. Ennek ellenére erőfeszítéseihez tiszta, elemi foszfort nyert. Akkoriban mások javították a folyamat hatékonyságát homok hozzáadásával, de a sót továbbra is eldobták. Később a foszfort csonthamuból állították elő. Jelenleg a foszfor előállításának folyamata nem tartalmaz nagy mennyiségű rothasztott vizeletet vagy csonthamut. Ehelyett a gyártók kalcium-foszfátot és kokszot (Emsley) használnak.

A foszfor allotropjai

A foszfor nemfém, szobahőmérsékleten szilárd, rossz hő- és villamosenergia-vezető. A foszfor legalább 10 allotrop formában fordul elő, amelyek közül a leggyakoribb (és reaktív) az úgynevezett fehér (vagy sárga) foszfor, amely viaszos szilárd anyagnak vagy műanyagnak tűnik. Nagyon reaktív és spontán gyullad ki a levegőben, így víz alatt tárolódik. A foszfor másik gyakori formája a vörös foszfor, amely sokkal kevésbé reaktív és a gyufagyűjtemény feltűnő felületének egyik összetevője. A vörös foszfor óvatos melegítéssel fehér foszforrá alakítható.

A fehér foszfor \ (\ ce \) molekulákból áll, míg a vörös foszfor kristályszerkezete bonyolult kötési hálózattal rendelkezik. A fehér foszfort vízben kell tárolni a természetes égés megakadályozása érdekében, de a vörös foszfor stabil a levegőben.

2. ábra: A foszfor négy közös allotrópja. a Wikipédiából.

Égve a vörös foszfor ugyanazt az oxidot képezi, mint a fehér foszfoszrus égetésénél keletkező oxidok, \ (\ ce \), ha a levegőellátás korlátozott, és \ (\ ce \), ha elegendő levegő van jelen.

Difoszfor (P2)

A difoszfor (\ (P_2 \)) a foszfor gáznemű formája, amely termodinamikailag stabil 1200 ° C felett és 2000 ° C-ig. A fehér foszfor (lásd alább) 1100 K hőmérsékletre történő felmelegítésével keletkezhet, és nagyon reaktív a kötés-disszociációs energiával (117 kcal/mol vagy 490 kJ/mol) a dinitrogén (\ (N_2 \)) felével.

2. ábra: Difoszfor-molekula. (CC-SA-BY 3.0; Wikipédia)

Fehér foszfor (P4)

A fehér foszfor (P4) tetraéderes szerkezetű. Puha és viaszos, de vízben nem oldódik. Ragyogása abból adódik, hogy gőzei lassan oxidálódnak a levegőben. Olyan termodinamikailag instabil, hogy ég a levegőben. Valamikor tűzijátékban használták, és az amerikai hadsereg ma is gyújtóbombákban használja.

3. ábra: A fehér foszfor szerkezete. (CC-SA-BY 3.0; Wikipédia)

Ez a Youtube videó link különböző kísérleteket mutat be a fehér foszforral, amelyek segítenek megmutatni annak fizikai és kémiai tulajdonságait. Azt is mutatja, hogy a fehér foszfor levegővel ég.

Vörös foszfor és lila foszfor (polimer)

A vörös foszfornak több atomja van összekapcsolva egy hálózatban, mint a fehér foszforé, ami sokkal stabilabbá teszi. Nem egészen olyan tűzveszélyes, de elegendő energiát figyelembe véve mégis reagál a levegővel. Emiatt most vörös foszfort használunk a mérkőzések során.

4. ábra: A vörös foszfor a biztonsági mérkőzésekben van. (CC-SA-BY 3.0; Wikipédia)

Az ibolya foszfort a vörös foszfor bizonyos módon történő melegítésével és kristályosításával nyerik. A foszfor ötszögletű "csöveket" alkot.

5. ábra: Ibolya-foszfor szerkezete. (CC-SA-BY 3.0; Wikipédia)

Fekete foszfor (polimer)

A fekete foszfor a legstabilabb forma; az atomok összekapcsolt állapotban vannak összekapcsolva, mint a grafit. Ezen szerkezeti hasonlóságok miatt a fekete foszfor is pehelyszerű, mint a grafit, és más hasonló tulajdonságokkal rendelkezik.

6. ábra: A fekete foszforban lévő foszforatom lapjának golyóstapos modellje. (CC-SA-BY 3.0; Wikipédia)

A foszfor izotópjai

A foszfornak sok izotópja van, amelyek közül csak egy stabil (31 P). A többi izotóp radioaktív, felezési ideje általában nagyon rövid, amelyek néhány nanomásodperc és néhány másodperc között változnak. A radioaktív foszfor izotópok közül kettő felezési ideje hosszabb. 32 P felezési ideje 14 nap, 33 P felezési ideje 25 nap. Ezek a felezési idők elég hosszúak ahhoz, hogy hasznosak legyenek az elemzéshez, és ezért az izotópok felhasználhatók a DNS jelölésére.

32 P fontos szerepet játszott az 1952-es Hershey-Chase kísérletben. Ebben a kísérletben Alfred Hershey és Martha Chase radioaktív foszfor- és kén-izotópokat használtak annak megállapítására, hogy a DNS genetikai anyag, és nem fehérjék. A kén megtalálható a fehérjékben, de a DNS-ben nem, a foszfor pedig a DNS-ben, de a fehérjékben nem. Ez tette a foszfor és a kén hatékony markereit a DNS-be, illetve a fehérjét. A kísérletet a következőképpen állítottuk össze: Hershey és Chase egy vírusmintát növesztett radioaktív 35S jelenlétében, egy másik vírusmintát pedig 32 P. jelenlétében. Ezután mindkét mintának megengedték a baktériumok megfertőzését. Külön összekeverték a 35S és a 32P mintákat, és a két mintát centrifugálták. Centrifugálás választotta el a genetikai anyagot a nem genetikai anyagtól. A genetikai anyag behatolt a cső alján található baktériumsejteket tartalmazó szilárd anyagba, míg a nem genetikai anyag a folyadékban maradt. Radioaktív markereik elemzésével Hershey és Chase megállapította, hogy a 32P a baktériumoknál, a 35S pedig a felülúszó folyadékban maradt. Ezeket az eredményeket a radioaktív foszfort tartalmazó további vizsgálatok igazolták.

Foszfor és az élet

A legtöbb elemet a természettől kapjuk ásványok formájában. A természetben a foszfor foszfátok formájában létezik. A foszfáttartalmú kőzetek fluorapatit (\ (\ ce \)), klórapaptit, (\ (\ ce \)) és hidroxi-apatit (\ (\ ce \)). Ezek az ásványi anyagok nagyon hasonlítanak a csontokra és a fogakra. A csontok és a fogak atomjainak és ionjainak elrendezése hasonló a foszfáttartalmú kőzetekéhez. Valójában, amikor a fogak \ (\ ce \) ionjait \ (\ ce \) váltja fel, a fogak ellenállnak a szuvasodásnak. Ez a felfedezés társadalmi és gazdasági kérdések sorozatához vezetett.

6. ábra: (balra) A fluoridionok (\ (F ^ - \)) a hidroxi-apatit hidroxilcsoportjait (\ (OH ^ - \)) helyettesítik, így fluorapatit képződnek a fogzománcban. (jobbra) Az apatit kristályrács egy részét ábrázolják, amely a hidroxid fluoriddal való helyettesítését mutatja (nagy kék körök). (Közterület; Delmar Larsen).

A nitrogén, a foszfor és a kálium kulcsfontosságú összetevő a növények számára, és tartalmuk kulcsfontosságú a műtrágyák minden formájában. Ipari és gazdasági szempontból a foszfortartalmú vegyületek fontos árucikkek. Így a foszfor kémia tudományos, kereskedelmi és ipari érdekekkel bír.

A foszfor kémia

A periódusos rendszer 15. csoportjának nitrogéncsaládjának tagjaként a foszfornak 5 vegyértékű héjelektronja áll rendelkezésre a kötéshez. Valens héjkonfigurációja 3s 2 3p 3. A foszfor többnyire kovalens kötéseket képez. Bármely foszfor kőzet felhasználható elemi foszfor előállítására. A zúzott foszfátkövek és a homok (\ (\ ce \)) 1700 K hőmérsékleten reagálva foszfor-oxidot kapnak, \ (\ ce \):

\ (\ ce \) szén-dioxiddal csökkenthető:

A fehér foszfor viaszos szilárd anyagai olyan molekuláris kristályok, amelyek \ (\ ce \) molekulákból állnak. Érdekes tulajdonságuk van abban, hogy spontán égnek a levegőben:

A (z) \ (\ ce \) felépítése úgy érthető meg, hogy a \ (\ ce. Elektronikus konfigurációra gondolunk (s 2 p 3)

\) kötésképzésben. Három elektron megosztása másokkal (\ ce

\) atomok eredményezik a 6 \ (\ ce \) kötéseket, így egy magányos pár elhagyja a 4. pozíciót egy torz tetraéderben.

Ha elégtelen oxigénnel elégetik, \ (\ ce \) alakul ki:

A \ (\ ce \) kötések mindegyikéhez egy \ (\ ce \) atom kerül beillesztésre.

A foszfor elégetése oxigénfelesleg esetén \ (\ ce \) képződését eredményezi. További \ (\ ce \) atom kapcsolódik a \ (\ ce

\) közvetlenül:

Így a \ (\ ce \) és \ (\ ce \) oxidok érdekes tulajdonságokkal rendelkeznek. A foszfor-oxidok, \ (\ ce \), vízben oldva foszforsavat kapnak,

A foszforsav egy poliprotinsav, és három szakaszban ionizálódik:

\ [\ ce \ label \]

Foszforsav

A foszforsav egy poliprotinsav, amely ideális pufferré teszi. Egyre nehezebb elválasztani a hidrogént a foszfáttól, aminek következtében a pKa-értékek bázikusabbak: 2.12, 7.21 és 12.67. A H2PO4 -, HPO4 2 - és PO4 3 konjugátumbázisokat keverhetjük pufferoldatokká.

ReakcióDisszociációs állandó 1. táblázat: Ionizációs állandók a foszforsav-állapotok sikeres deprotonálásához

\ (H_3PO_4 + H_2O \ jobbra nyíl H_3O ^ + + H_2PO ^ \)	Ka1 = 7,5x10 -3
\ (H_2PO ^ + H_2O \ jobbra nyíl H_3O ^ + + HPO_4 ^ \)	Ka2 = 6,2x10 -8
\ (H_2PO ^ + H_2O \ jobbra nyíl H_3O ^ + + PO_4 ^ \)	Ka3 = 2,14x10 -3
Összességében: \ (H_3PO_4 + 3H_2O \ jobbra nyíl 3 H_3O ^ + + PO_4 ^ \)

A foszfor korábbi és jelenlegi felhasználása

Kereskedelmi szempontból a foszforvegyületeket a foszforsav (\ (H_3PO_4 \)) előállításához használják (üdítőkben megtalálható és műtrágya-keverékekben használják). Más vegyületek alkalmazhatók a tűzijátékokban, és természetesen a sötétben világító foszforeszkáló vegyületek. A foszforvegyületeket jelenleg élelmiszerekben, fogkrémben, szódabikarbónában, gyufákban, növényvédő szerekben, ideggázokban és műtrágyákban használják. A foszforsavat nemcsak pufferoldatokban használják, hanem a Coca Cola és más üdítők kulcsfontosságú összetevője is! A foszforvegyületeket valamikor mosószerekben használták vízlágyítóként, mígnem aggályokat vetettek fel a szennyezéssel és az eutrofizációval kapcsolatban. A tiszta foszfort egyszer gyógyszerként és afrodiziákumként írták fel, amíg az orvosok rájöttek, hogy mérgező (Emsley).

Hivatkozások

Sadava, David és mtsai. ÉLET: A biológia tudománya. Nyolcadik kiadás. Sinauer Associates, 2008.
Emsley, John. A 13. elem: A gyilkosság, a tűz és a foszfor súlyos meséje. John Wiley és Sons, Inc. 2000.
Corbridge, D.E.C. A foszfor szerkezeti kémiája. Elsevier Scientific Publishing Company. 1974.

Kérdések

A foszforsav teljes ipari termelésének mintegy 85% -át felhasználják
a. a mosószer-iparban
b. pufferoldatok előállításához
c. a festékiparban
d. szuperfoszfát műtrágyák előállításához
e. műanyagok gyártásában
Mi a termék, amikor a foszfor-pentoxid \ (\ ce \) reagál a vízzel? Adja meg a termék képletét.
Mi a foszfortartalmú termék, amikor a \ (\ ce \) reakcióba lép a vízzel? Adja meg a képletet.

Megoldások

A középső szám (például 6-5-8) határozza meg a foszforvegyület százalékos arányát a műtrágyában. A foszfor a növények életének fontos eleme.

Válasz \ (\ ce \)

Ez gyengébb sav, mint a \ (\ ce \).

Közreműködők

Aimee Kindel (UCD), Kirenjot Grewal (UCD), Tiffany Lui (UCD)

Chung (Peter) Chieh (emeritus professzor, kémia @ Waterloo Egyetem)