Красный фосфор физические и химические свойства. Фосфор (P) – ключевой элемент жизни организма


Физические свойства

Фосфор (P) – вследствие высокой активности в свободном состоянии в природе не встречается.

Электронная конфигурация 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 3

Фосфор – неметалл (то, что раньше называли металлоид) средней активности. На наружной орбите атома фосфора находятся пять электронов, причем три из них не спарены. Поэтому он может проявлять валентности 3–, 3+ и 5+.

Для того чтобы фосфор проявлял валентность 5+, необходимо какое-либо воздействие на атом, которое бы превратило в не спаренные два спаренных электрона последней орбиты.

Фосфор часто называют многоликим элементом. Действительно, в разных условиях он ведет себя по-разному, проявляя то окислительные, то восстановительные свойства. Многоликость фосфора – это и его способность находиться в нескольких аллотропных модификациях.

Распространение в природе

Фосфор широко распространен в природе и составляет 0,12% земной коры. Он входит в состав белков растительного и животного происхождения. Человеческий скелет содержит примерно 1400 г фосфора, мышцы – 130 г, мозг и нервы – 12 г. Фосфор составляет существенную долю в химическом составе растений и поэтому является важным удобрением. Основным сырьем для производства удобрений служат апатит CaF 2 Ч3Ca 3 (PO 4) 2 и фосфориты, основой которых являются фосфат кальция Ca 3 (PO 4) 2 . Элементный фосфор получают электротермическим восстановлением при 1400–1600°С из фосфоритов и апатитов в присутствии SiO 2 . Апатит добывают в России, Бразилии, Финляндии и Швеции. Крупным источником фосфора является фосфоритовая руда, в больших количествах добываемая в США, Марокко, Тунисе, Алжире, Египте, Израиле. Гуано, другой источник фосфора, добывают на Филиппинах, Сейшельских островах, в Кении и Намибии.

Важнейшие аллотропные модификации

Пожалуй, самая известная модификация элемента №15 – мягкий, как воск, белый или желтый фосфор. Это ее открыл Бранд, и благодаря ее свойствам элемент получил свое имя: по-гречески «фосфор» значит светящийся, светоносный. Молекула белого фосфора состоит из четырех атомов, построенных в форме тетраэдра. Плотность 1,83, температура плавления 44,1°C, кипения 280°С, Белый фосфор ядовит, чрезвычайно реакционноспособен, легко окисляется. Растворим в сероуглероде, жидких аммиаке и SO 2 , бензоле, эфире, летуч. Имеет резкий чесночный запах. В воде почти не растворяется. Светится в темноте.

Чёрный фосфор- полимерное вещество с металлическим блеском, похож на графит, без запаха, жирный на ощупь. Нерастворим в воде и в органических растворителях. Атомная кристаллическая решётка, полупроводник. t°кип.= 453°С (возгонка), t°пл.= 1000°C (при p=1,8 10 9 Па), устойчив.

Менее известны другие, еще более высокомолекулярные модификации фосфора – фиолетовый и коричневый, отличающиеся одна от другой молекулярным весом и степенью упорядоченности макромолекул. Эти модификации – лабораторная экзотика и в отличие от белого и красного фосфора практического применения пока не нашли.

Получение фосфора

Фосфор приготовляется в больших размерах на химических заводах с тех пор, как для него найдены значительные технические применения, главным образом для приготовления фосфорных спичек. Материалом для его получения уже не служит более выпаренная моча, а фосфорнокислый кальций костей или тот, который встречается в минеральном царстве.

Как ни велико сродство фосфора к кислороду, оно все-таки менее сродства раскаленного угля. Фосфорный ангидрид, смешанный в надлежащей форме с углем и нагретый до светлокрасного каления, вполне восстановляется им с образованием окиси углерода:

P2O5 + 5C = P2 + 5CO

Если накаливать с углем фосфорнокислый кальций, встречающийся в минеральном царстве или содержащийся в обожженых добела костях, то фосфор не восстанавливается, так как он может быть получен только из свободного фосфорного ангидрида или такого фосфорнокислого кальция, который содержит более элементов фосфорного ангидрида, нежели средняя соль.

Для получения такой соли, обыкновенный средний фосфорнокислый кальций измельчается в тонкий порошок, обливается разведенною серною кислотою и нагревается. При этом получается кислый фосфорнокислый кальций и трудно растворимый в воде сернокислый кальций (гипс):

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

Образовавшийся кислый фосфорнокислый кальций переходит в раствор и отделяется от гипса сливанием и отжиманием.

Этот раствор концентрируется выпариванием в свинцовых сосудах, затем смешивается с измельченным древесным углем и нагревается до слабого каления. При этом происходит выделение воды из кислой фосфорнокислой соли и образуется метафосфорнокислый кальций:

Ca(H2PO4)2 = 2H2O + Ca(PO3)2

Метафосфорнокислый кальций можно рассматривать, как состоящий из среднего фосфорнокислого кальция и фосфорного ангидрида:

3Ca(PO3)2 = Ca3(PO4)2 + 2P2O5

Из этого то последнего соединения и выделяется фосфор при сильном накаливании с углем, а в остатке получается средний фосфорнокислый кальций:

3Ca(PO3)2 + 5C2 = 2P2 + 10CO + Ca3(PO4)2

Накаливание производится в глиняных ретортах, соединенных с глиняными же, наполненными водою приемниками, в которых парообразный фосфор сгущается и собирается под водою. Полученный таким образом сырой продукт еще не чист и очищается перегонкою в чугунных ретортах.

Около 80% от всего производства белого фосфора идет на синтез чистой ортофосфорной кислоты. Она в свою очередь используется для получения полифосфатов натрия (их применяют для снижения жесткости питьевой воды) и пищевых фосфатов. Оставшаяся часть белого фосфора расходуется для создания дымообразующих веществ и зажигательных смесей.

В производстве фосфора и его соединений требуется соблюдение особых мер предосторожности, т.к. белый фосфор – сильный яд. Продолжительная работа в атмосфере белого фосфора может привести к заболеванию костных тканей, выпадению зубов, омертвению участков челюстей. Воспламеняясь, белый фосфор вызывает болезненные, долго не заживающие ожоги. Хранить белый фосфор следует под водой, в герметичных сосудах. Горящий фосфор тушат двуокисью углерода, раствором CuSO 4 или песком. Обожженную кожу следует промыть раствором KmnO 4 или CuSO 4 . Противоядием при отравлении фосфором является 2%-ый раствор CuSO 4 .

Химические свойства

1. Реакции с кислородом:

4P 0 + 5O 2 – t° = 2P 2 +5 O 5

(при недостатке кислорода: 4P 0 + 3O 2 – t° = 2P 2 +3 O 3)

2. С галогенами и серой:

2P + 3Cl 2 = 2PCl 3

2P + 5Cl 2 = 2PCl 5

2P + 5S – t° = P 2 S 5

галогениды фосфора легко разлагаются водой, например:

PCl 3 +3H 2 O=H 3 PO 3 +3HCl
PCl 5 + 4H 2 O = H 3 PO 4 + 5HCl

3. С азотной кислотой:

3P 0 + 5HN +5 O 3 + 2H 2 O = 3H 3 P +5 O 4 + 5N +2 O

4. С металлами образует фосфиды, в которых фосфор проявляет степень окисления - 3:

2P 0 + 3Mg = Mg 3 P 2 -3

фосфид магния легко разлагается водой

Mg 3 P 2 + 6H 2 O = 3Mg(OH) 2 + 2PH 3 (фосфин)

3Li + P =Li 3 P -3

5. Со щелочью:

4P + 3NaOH + 3H 2 O = PH 3 + 3NaH 2 PO 2

В реакциях (1,2,3) - фосфор выступает как восстановитель, в реакции (4) - как окислитель; реакция (5) - пример реакции диспропорционирования.

Стереохимические особенности фосфора и его соединений. Псевдовращение.

Пять заместителей занимают стереохимически неодинаковое положение: три из них (а, b и с в формуле LXV) называют экваториальными, а два (d и е) - апикальными. Интересно, что молекула LXV с пятью разными заместителями у атома фосфора, в принципе, может существовать в виде 20 хиральных изомеров, составляющих 10 пар энантиомеров. Если два заместителя одинаковы, число изомеров сокращается до 10, среди которых две пары будут энантиомерами.

Молекулы, в которых центральный атом имеет координационное число 4 или 6 обычно сохраняют устойчивую форму тетраэдра или октаэдра. Однако в пентакоординационных соединениях лиганды непрерывно меняют свое положение. По этой причине пятикоординационные соединения фосфора (а также многие другие, отличающиеся аналогичным типом химического поведения) принято называть конфигурационно-неустойчивыми. Для объяснения непрерывной смены положения лигандов в тригональной бипирамиде предложен механизм псевдовращения - обратимый переход между конфигурациями тригональной бипирамиды и тетрагональной пирамиды:

В процессе этого мнимого вращения один из экваториальных заместителей, называемый опорным лигандом (в нашем случае обозначен цифрой 5) остается в экваторальном положении, в то время как другие лиганды формируют собой основание воображаемой тетрагональной пирамиды за счет искажения валентных углов. Валентный угол между связями 1-Р-2 уменьшается от 180 до 120 0 , а между связями 3-Р-4 увеличивается от 120 до 180 0 , т.е. апикальные лиганды 1 и 2 в конце концов займут экваториальные, а экваториальные лиганды 3 и 4 - апикальные положения. В результате образуется диастереомер исходной системы, т.е. происходит кажущийся поворот лигандов на 90 0 относительно опорного лиганда 5.

Псевдовращение происходит потому, что энергетическая разница между конфигурациями D 3h и C 4v в пентакоординационных соединениях фосфора очень невелика.

Изотопы фосфора

Природный фосфор в отличие от подавляющего большинства элементов состоит только из одного изотопа 31 Р. В ядерных реакциях синтезировано несколько короткоживущих радиоактивных изотопов элемента №15. Один из них – фосфор-30 оказался вообще первым изотопом, полученным искусственным путем. Это его получили в 1934 г. Фредерик и Ирен Жолио-Кюри при облучении алюминия альфа-частицами. Фосфор-30 имеет период полураспада 2,55 минуты и, распадаясь, излучает позитроны («положительные электроны»). Сейчас известны шесть радиоактивных изотопов фосфора. Наиболее долгоживущий из них 33 Р имеет период полураспада 25 дней. Изотопы фосфора применяются главным образом в биологических исследованиях.



Фосфор - жизненно важный элемент из пятой группы периодической таблицы Менделеева. Химические свойства фосфора зависят от его модификации. Наиболее активным веществом является белый фосфор, окисляющийся на воздухе. Фосфор имеет две валентности (III и V) и три степени окисления - +5, +3, -3.

Фосфор и соединения

Фосфор имеет три аллотропические модификации, отличающиеся химическими и физическими свойствами:

  • белый;
  • красный;
  • чёрный.

Под фосфором в химических реакциях чаще всего понимают белый фосфор (P 4). Красный фосфор вступает в реакции при определённых условиях. Например, реагирует с водой при нагревании и под давлением. Чёрный фосфор практически инертен.

Рис. 1. Светящийся белый фосфор.

Фосфор реагирует с простыми и сложными веществами, образуя:

  • фосфин;
  • фосфорную кислоту;
  • фосфиды;
  • оксиды.

Фосфин (РН 3) - плохо растворимый в воде ядовитый газ, аналог аммиака. В отсутствии кислорода при нагревании разлагается на простые вещества - фосфор и водород.

Рис. 2. Фосфин.

Фосфорная или ортофосфорная кислота (H 3 PO 4) образуется при взаимодействии фосфора или оксида фосфора (V) с водой.

Фосфиды - соли, образующиеся при взаимодействии с металлами или неметаллами. Они неустойчивы и легко разлагаются под действием кислот или воды.

Фосфор может образовывать два оксида - P 2 O 3 и P 2 O 5 .

H 3 PO 4 - кислота средней силы, проявляющая амфотерные свойства при взаимодействии с сильной кислотой. Фосфорная кислота образует фосфаты.

Химические свойства

Основные химические свойства фосфора и его соединений описаны в таблице.

Вещество

Реакция

Особенности

Уравнение

При избытке O 2 образует оксид фосфора (V)

4P + 5O 2 → 2P 2 O 5 ;

4P + 3O 2 → 2P 2 O 3

С металлом

Является окислителем

3Mg + 2P → Mg 3 P 2

С галогенами и неметаллами

Не реагирует с водородом

2P + 3S → P 2 S 3

8Р + 12Н 2 О → 5РН 3 + 3Н 3 РО 2

С кислотами

2P + 5H 2 SO 4 → 2H 3 PO 4 + 5SO 2 + 2H 2 O

Со щелочами

P 4 + 3NaOH + 3H 2 O → PH 3 + 3NaH 2 PO 2

Воспламеняется на воздухе

РН 3 + 2O 2 → H 3 PO 4

С галогенами и неметаллами

РН 3 + 2I 2 + 2H 2 O → H(PH 2 O 2) + 4HI

С кислотами

Проявляет свойства восстановителя

РН 3 + 3H 2 SO 4 → H 2 (PHO 2) + 3SO 2 + 3H 2 O

С металлами

С активными металлами

2H 3 PO 4 + 3Ca → Ca 3 (PO 4) 2 + 3H 2

Подвергается диссоциации

H 3 PO 4 + H 2 O ↔ H 3 O + + H2PO 4 –

Со щелочами

Образует кислые или щелочные фосфаты

H 3 PO 4 + 3NaOH → Na 3 PO 4 + 3H 2 O

С оксидами

2H 3 PO 4 + 3K 2 O → 2K 3 PO 4 + 3H 2 O

2H 3 PO 4 + 3CaCO 3 → Ca 3 (PO 4) 2 + 3H 2 O + 3CO 2

С аммиаком

H 3 PO 4 + 3NH 3 → (NH 4) 3 PO 4

С галогенами и неметаллами

2P 2 O 3 + 6Cl 2 → 4PCl 3 O + O 2 ;

2P 2 O 3 + 9S → P 4 S 6 + 3SO 2

Медленно реагирует с холодной водой и быстро - с горячей

P 2 O 3 + 3H 2 O → 2H 3 PO 3

Со щелочами

P 2 O 3 + 4NaOH → 2Na 2 HPO 3 + H 2 O

Реагирует с взрывом

2P 2 O 5 + 6H 2 O → 4H 3 PO 4

С кислотами

Реакция замещения

4HNO 3 + 2P 2 O 5 → 4HPO 3 + 2N 2 O 5

Образуют гидроксиды металлов и фосфин

Ca 3 P 2 + 6H 2 O → 3Ca(OH) 2 + 2PH 3

С кислотами

Реакция замещения

Ca 3 P 2 + 6HCl → 3CaCl 2 + 2PH 3

При нагревании оксид фосфора распадается. Причём P 2 O 3 образует красный фосфор, а P 2 O 5 - оксид фосфора (III) и кислород.

Рис. 3. Красный фосфор.

Использование

Широкое применение имеют соединения фосфора:

  • из фосфатов получают удобрения и моющие средства;
  • фосфорная кислота используется для окрашивания ткани;
  • оксид фосфора (V) осушает жидкости и газы.

Красный фосфор используется в производстве спичек и взрывчатых веществ.

Что мы узнали?

Фосфор - активный неметалл, реагирующий с простыми и сложными веществами. В результате реакций образует оксиды (III) и (V), фосфин, фосфорную кислоту и фосфиды. Соединения фосфора вступают в реакцию с металлами, неметаллами, кислотами, щелочами, водой. Фосфор и его соединения используются в промышленности и сельском хозяйстве.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.7 . Всего получено оценок: 70.


(первый электрон) 1011,2(10,48) кДж /моль (эВ) Электронная конфигурация 3s 2 3p 3 Химические свойства Ковалентный радиус 106 пм Радиус иона 35 (+5e) 212 (-3e) пм Электроотрицательность
(по Полингу) 2,19 Электродный потенциал 0 Степени окисления 5, 3, -3 Термодинамические свойства простого вещества Плотность (белый фосфор)1,82 /см ³ Молярная теплоёмкость 21,6 (ромбич.) Дж /( ·моль) Теплопроводность (0,236) Вт /( ·) Температура плавления 317,3 Теплота плавления 2,51 кДж /моль Температура кипения 553 Теплота испарения 49,8 кДж /моль Молярный объём 17,0 см ³/моль Кристаллическая решётка простого вещества Структура решётки кубическая, объёмноцентрированная Параметры решётки 18,800 Отношение c/a — Температура Дебая n/a
P 15
30,973762
3s 2 3p 3
Фосфор

Фосфор — один из самых распространённых элементов земной коры, его содержание составляет 0,08—0,09 % её массы. В свободном состоянии не встречается из-за высокой химической активности. Образует около 190 минералов , важнейшими из которых являются апатит Ca 5 (PO 4) 3 (F,Cl,OH) фосфорит Ca 3 (PO 4) 2 и другие. Фосфор содержится во всех частях зелёных растений, ещё больше его в плодах и семенах (см. фосфолипиды). Содержится в животных тканях, входит в состав белков и других важнейших органических соединений (АТФ), является элементом жизни.

История

Фосфор открыт гамбургским алхимиком Хеннигом Брандом в 1669 году . Подобно другим алхимикам, Бранд пытался отыскать эликсир жизни или философский камень , а получил светящееся вещество.

Несколько позже фосфор был получен другим немецким химиком — Иоганном Кункелем .

Независимо от Бранда и Кункеля фосфор был получен Р. Бойлем , описавшим его в статье «Способ приготовления фосфора из человеческой мочи», датированной 14 октября 1680 года и опубликованной в 1693 году .

Усовершенствованный способ получения фосфора был опубликован в 1743 году Андреасом Маргграфом .

Существуют данные, что фосфор умели получать еще арабские алхимики в XII в.

Происхождение названия

Получение

  • 4P + 5O 2 → 2P 2 O 5 (с избытком кислорода),
  • 4P + 3O 2 → 2P 2 O 3 (при медленном окислении или при недостатке кислорода).

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

В растворах щелочей диспропорционирование происходит в большей степени:

  • 4Р + 3KOH + 3Н 2 О → РН 3 + 3KН 2 РО 2 .

Восстановительные свойства

Сильные окислители превращают фосфор в фосфорную кислоту :

  • 3P + 5HNO 3 + 2H 2 O → 3H 3 PO 4 + 5NO;
  • 2P + 5H 2 SO 4 → 2H 3 PO 4 + 5SO 2 + 2H 2 O.

Реакция окисления также происходит при поджигании спичек, в качестве окислителя выступает бертолетова соль :

  • 6P + 5KClO 3 → 5KCl + 3P 2 O 5

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 который входят хлорат калия и сера, происходит воспламенение.

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.

Фосфор присутствует в живых клетках в виде орто- и пирофосфорной кислот, входит в состав нуклеотидов, нуклеиновых кислот, фосфопротеидов, фосфолипидов, коферментов, ферментов. Кости человека состоят из гидроксилапатита 3Са 3 (РО 4) 3 ·CaF 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 ПДК паров фосфора в воздухе 0,03 мг/м³.

Токсикология соединений фосфора

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

Больших успехов в изучении свойств фосфора достиг в начале 70-х годов XVIII в. великий французский химик Антуан Лоран Лавуазье. Сжигая фосфор с другими веществами в замкнутом объеме воздуха, Лавуазье доказал, что фосфор - самостоятельный элемент, а воздух имеет сложный состав и слагается по крайней мере из двух компонентов - кислорода и азота . «Таким образом он впервые поставил на ноги всю химию, которая в своей флогистической форме стояла на голове». Так Ф. Энгельс писал о работах Лавуазье в предисловии ко второму тому «Капитала».

В 1799 г. Дондональд доказал, что соединения фосфора необходимы для нормального развития растений .

В 1839 г. другой англичанин, Лауз, впервые получил суперфосфат - фосфорное удобрение, легко усвояемое растениями.

В 1847 г. немецкий химик Шреттер, нагревая белый фосфор без доступа воздуха, получил новую разновидность (аллотропную модификацию) элемента № 15 - красный фосфор, а уже в XX в., в 1934 г., американский физик П. Бриджмен, изучая влияние высоких давлений на разные вещества, выделил похожий на графит черный фосфор. Таковы основные вехи в истории элемента № 15. Теперь проследим, что последовало за каждым из этих открытий.

«В 1715 году Генсинг установил наличие фосфора в мозговой ткани... В 1769 году Ган доказал, что в костях содержится много фосфора»

Фосфор - аналог азота. Хотя физические и химические свойства этих элементов очень сильно различаются, есть у них и общее, в частности то, что оба эти элемента совершенно необходимы животным и растениям. Академик А. Е. Ферсман называл фосфор «элементом жизни и мысли», и это определение вряд ли можно отнести к категории литературных преувеличений. Фосфор обнаружен буквально во всех органах зеленых растений: в стеблях, корнях, листьях, но больше всего его в плодах и семенах. Растения накапливают фосфор и снабжают им животных.

В организме животных фосфор сосредоточен главным образом в скелете, мышцах и нервной ткани. Из продуктов человеческого питания особенно богат фосфором желток куриных яиц.

Тело человека содержит в среднем около 1,5 кг элемента № 15. Из этого количества 1,4 кг приходится на кости, около 130 г - на мышцы и 12 г - на нервы и мозг. Почти все важнейшие физиологические процессы, происходящие в нашем организме, связаны с превращениями фосфорорганических веществ. В состав костей фосфор входит главным образом в виде фосфата кальция. Зубная эмаль - это тоже соединение фосфора, которое по составу и кристаллическому строению соответствует важнейшему минералу фосфора апатиту Ca 5 (PO 4) 3 (F, Cl).

Естественно, что, как и всякий жизненно необходимый элемент, фосфор совершает в природе круговорот. Из почвы его берут растения, от растений этот элемент попадает в организмы человека и животных. В почву фосфор возвращается с экскрементами и при гниении трупов. Фосфоробактерии переводят органический фосфор в неорганические соединения. Однако в единицу времени из почвы выводится значительно больше фосфора, чем поступает в почву. Мировой урожай сейчас ежегодно уносит с полей больше 3 млн. т фосфора.

Естественно, что для получения устойчивых урожаев этот фосфор должен быть возвращен в почву, и потому нет ничего удивительного в том, что мировая добыча фосфоритной руды сейчас составляет значительно больше 100 млн. т в год.

«...Пруст и Клапрот доказали, что фосфор широко распространен в земной коре, главным образом в виде фосфата кальция»

В земной коре фосфор встречается исключительно в виде соединений. Это главным образом малорастворимые соли ортофосфорной кислоты; катионом чаще всего служит ион кальция. На долю фосфора приходится 0,08% веса земной коры. По распространенности он занимает 13-е место среди всех элементов. Фосфор содержится не менее чем в 190 минералах, из которых главнейшие: фторапатит Ca 5 (PO 4) 3 F, гидроксилапатит Ca 5 (PO 4) 3 OH, фосфорит Ca 3 (PO 4) 2 с примесями.

Реже встречаются вивианит Fe 3 (PO 4) 2 *8H 2 O, монацит (Ce, La)PO 4 , амблигонит LaAl(PO 4)F, трифилит Li(Fe, Mn)PO 4 и еще реже ксенотим YPO 4 и торбернит Cu(UO 2) 2 2 *12H 2 O.

Минералы фосфора делятся на первичные и вторичные. Из первичных особенно распространены апатиты , часто встречающиеся среди пород магматического происхождения. Эти минералы образовались в момент становления земной коры.

В отличие от апатитов фосфориты залегают среди пород осадочного происхождения, образовавшихся в результате отмирания живых существ. Это вторичные минералы. В виде фосфидов железа , кобальта , никеля фосфор встречается в метеоритах. Разумеется, этот распространенный элемент есть и в морской воде (6*10 -6 %).

«Лавуазье доказал, что фосфор - самостоятельный химический элемент...»

Фосфор - неметалл (то, что раньше называли металлоид) средней активности. На наружной орбите атома фосфора находятся пять электронов, причем три из них не спарены. Поэтому он может проявлять валентности 3- , 3+ и 5+ .

Для того чтобы фосфор проявлял валентность 5+ , необходимо какое-либо воздействие на атом, которое бы превратило в неспаренные два спаренных электрона последней орбиты. Фосфор часто называют многоликим элементом. Действительно, в разных условиях он ведет себя по-разному, проявляя то окислительные, то восстановительные свойства. Многоликость фосфора - это и его способность находиться в нескольких аллотропных модификациях.

Пожалуй, самая известная модификация элемента № 15 - мягкий, как воск, белый или желтый фосфор. Это ее открыл Бранд, и благодаря ее свойствам элемент получил свое имя: по-гречески «фосфор» значит светящийся, светоносный. Молекула белого фосфора состоит из четырех атомов, построенных в форме тетраэдра. Плотность 1,83, температура плавления 44,1°С. Белый фосфор ядовит, легко окисляется. Растворим в сероуглероде, жидких аммиаке и SO 2 , бензоле, эфире. В воде почти не растворяется.

При нагревании без доступа воздуха выше 250°С белый фосфор превращается в красный. Это уже полимер, но не очень упорядоченной структуры. Реакционная способность у красного фосфора значительно меньше, чем у белого. Он не светится в темноте, не растворяется в сероуглероде, не ядовит. Плотность его намного больше, структура мелкокристаллическая.

Менее известны другие, еще более высокомолекулярные модификации фосфора - фиолетовый, коричневый и черный, отличающиеся одна от другой молекулярным весом и степенью упорядоченности макромолекул. Черный фосфор, впервые полученный П. Бриджменом в условиях больших давлений (200 тыс. атм при температуре 200°С), скорее напоминает графит , чем белый или красный фосфор. Эти модификации - лабораторная экзотика и в отличие от белого и красного фосфора практического применения пока не нашли.

Кстати, о применениях элементного фосфора; главные его потребители - производство спичек, металлургия, химические производства. В недавнем прошлом часть получаемого элементного фосфора расходовалась на военных предприятиях, его использовали для приготовления дымовых и зажигательных составов.

Металлурги обычно стремятся избавиться от примеси фосфора в металле - он ухудшает механические свойства, но иногда фосфор вводят в сплавы умышленно. Это делается, когда нужно, чтобы при затвердевании металл немного расширился и точно воспринял очертания формы. Широко используется фосфор и в химии. Часть его идет на приготовление хлоридов фосфора, нужных при синтезе некоторых органических препаратов; стадия производства элементного фосфора есть и в некоторых технологических схемах производства концентрированных фосфорных удобрений.

Теперь о его соединениях

  • Фосфорный ангидрид P 2 O 5 - превосходный осушитель, жадно поглощающий воду из воздуха и других веществ. Содержание P 2 O 5 - основной критерий ценности всех фосфорных удобрений.
  • Фосфорные кислоты, в первую очередь ортофосфорная H 3 PO 4 , используются в основной химической промышленности. Соли фосфорных кислот - это прежде всего фосфорные удобрения (о них разговор особый) и фосфаты щелочных металлов, необходимые для производства моющих средств.
  • Галогениды фосфора (главным образом хлориды PCl 3 и PCl 5) используются в промышленности органического синтеза.
  • Из соединений фосфора с водородом наиболее известен фосфин PH3 - сильно ядовитый бесцветный газ с чесночным запахом.
  • Среди соединений фосфора особое место принадлежит фосфорорганическим соединениям. Большинство их обладает биологической активностью. Поэтому одни фосфорорганические соединения используются как лекарства, другие - как средства борьбы с сельскохозяйственными вредителями.

Самостоятельный класс веществ составили фосфонитрилхлориды - соединения фосфора с азотом и хлором . Мономер фосфонитрилхлорида способен к полимеризации. С ростом молекулярного веса меняются свойства веществ этого класса, в частности заметно уменьшается их растворимость в органических жидкостях. Когда молекулярный вес полимера достигает нескольких тысяч, получается каучукоподобное вещество - единственный пока каучук, в составе которого совсем нет углерода. Дальнейший рост молекулярного веса приводит к образованию твердых пластмассоподобных веществ. «Безуглеродный каучук» обладает значительной термостойкостью: он начинает разрушаться лишь при 350°С.

«В 1839 г. англичанин Лауз впервые получил суперфосфат - фосфорное удобрение, легко усвояемое растениями» Чтобы растения могли усваивать фосфор, он должен находиться в составе растворимого соединения. Чтобы получить эти соединения, фосфат кальция и серную кислоту смешивают в таких соотношениях, чтобы на одну грамм-молекулу фосфата приводилось две грамм-молекулы кислоты. В результате взаимодействия образуются сульфат и растворимый дигидрофосфат кальция: Ca 3 (PO 4) 2 + 2H 2 SO 4 → 2CaSO 4 + Ca(H 2 PO 4) 2 .

Смесь этих двух солей известна под названием суперфосфата. В этой смеси сульфат кальция с точки зрения агрохимии - балласт, однако его обычно не отделяют, так как эта операция требует больших затрат и сильно удорожает удобрение. В простом суперфосфате содержится всего 14-20% P 2 O 5 . Более концентрированное фосфорное удобрение - двойной суперфосфат. Его получают при взаимодействии фосфата кальция с фосфорной кислотой: Ca 3 (PO 4) 2 + 4Н 3 РO 4 3Са(Н 2 РO 4) 2 .

В двойном суперфосфате содержится 40-50% P 2 O 5 . По сути, его правильнее было бы называть тройным: он в три раза богаче фосфором, чем простой суперфосфат. Иногда в качестве фосфорного удобрения используется преципитат CaHPO 4 *H 2 O, который получается при взаимодействии фосфорной кислоты с гидроокисью или с карбонатом кальция. В этом удобрении 30-35% P 2 O 5 .

С разведанными запасами фосфорного сырья в нашей стране, как и во всем мире, дело обстоит не совсем благополучно. Академик С. И. Вольфкович с трибуны IX Менделеевского съезда по общей и прикладной химии говорил: «Если сырьевая база азотной промышленности - воздушный океан, вода и природный газ - не ограничивает масштабов нового строительства, а разведанные к настоящему времени залежи калийных солей обеспечивают развитие производства калийных удобрений более чем на тысячелетие, то изученных к настоящему времени запасов отечественного фосфорного сырья при намеченных больших объемах, производства удобрений хватит всего на несколько десятилетий».

В целом, это утверждение справедливо и для наших дней, несмотря на то, что масштабы производства фосфорных удобрений значительно выросли: в 1980 г. в СССР произведено больше 30 млн. т фосфатных удобрений и 4,4 млн. т фосфоритной муки - в 1965 г. было соответственно 8,04 и 3,24 млн. т.

Фосфор и сегодня остается лимитирующим элементом агрохимии, хотя возможности для дальнейшего расширения производства фосфорных удобрений есть. Много дополнительного фосфора можно будет получить при комплексной переработке минерального сырья, донных морских отложений и более детальной геологической разведке. Следовательно, особых, оснований для пессимизма у нас нет, тем более что по учтенным запасам фосфорных руд Россия занимает первое место в мире. Тем не менее, искать новые месторождения, разрабатывать способы получения фосфорных удобрений из более бедных руд необходимо. Необходимо для будущего, потому что фосфор - «элемент жизни и мысли» - будет нужен человечеству всегда.

В организме взрослого человека фосфор составляет примерно 1% массы всего тела, 90% из них содержатся в костях и зубах, внутри клеток костной ткани, в виде фосфата кальция. На межклеточную жидкость приходится всего около 1% фосфора, поэтому судить о его дефиците или переизбытке по уровню вещества в сыворотке крови бессмысленно – нужно исследовать состав костей.

Соединения фосфора с кальцием являются основными структурными элементами костей. Соединения с другими элементами необходимы для поддержания в организме кислотно-щелочного равновесия. Фосфор абсолютно необходим для белкового и углеводного обмена, синтеза витаминов группы В, транспорта гемоглобина, запуска необходимых для нормального пищеварения ферментных реакций и активации всасывания в кишечнике ионов кальция.

Одна из наиболее важных функций фосфора в организме связана с синтезом аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Поскольку человек способен совершать движения благодаря сокращению и расслаблению скелетных мышц, то АТФ как раз и обеспечивает мышечные волокна энергией для их сокращения.

Еще одно полезное для организма свойство фосфора – формирование фосфолипидов, необходимых компонентов построения клеточных оболочек. Именно фосфолипиды обусловливают ее проницаемость для входа необходимых веществ в клетку и вывода из нее продуктов жизнедеятельности.

Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот – полимерных соединений, образующих ДНК и РНК, которые играют ключевую роль в биологических процессах воспроизведения живого организма, отвечают за рост и деление клеток, определяют когнитивные функции, скорость реакций и мышления, многие другие процессы функционирования головного мозга.

Фосфорная кислота принимает участие в усвоении жиров, выработке и распаде гликогена, синтезе лецитина, необходимого для клеточных оболочек, в том числе мозга. Поскольку лецитин расходуется при повышенных физических нагрузках, нужно в таких случаях обязательно увеличивать количество фосфора в рационе.

Взаимодействие фосфора с кальцием – очень важное условие здоровья организма. Считается нормальным соотношение фосфора к кальцию 1:1,5 или 1:2. Нарушение этого равновесия грозит риском отложения кальция в тканях. Паратиреоидный гормон усиливает выведение фосфора с мочой, инсулин снижает его уровень в крови за счет стимулирования поступления в клетки, кальцитонин повышает уровень фосфора в крови и способствует его отложению в костной ткани.

Если обмен фосфора нарушен, и его накопилось избыточно в организме, это может говорить о развитии почечной недостаточности, нарушении работы щитовидной железы, возможном лейкозе. Дефицит фосфора может свидетельствовать об остеопорозе, острых заболеваниях печени, инфекционных болезнях, а также о недостатке или нарушении всасывания витамина D. Отрегулировать недостаток содержания фосфора в организме можно попробовать коррекцией ежедневного рациона, подбирая продукты, где много этого микроэлемента.

Усвоение фосфора и продукты с высоким его содержанием


Много фосфора содержится в некоторых растительных продуктах – например, бобовых, зерновых, но из-за присутствия в них некоторых кислот растительный фосфор плохо усваивается человеческим организмом. А вот из мяса и рыбы фосфор усваивается почти на 90%, неплохо всасывается он и из молочных продуктов.

Перечень некоторых продуктов, богатых фосфором (в мг на 100 г)

Мясо и молочные продукты Рыба и морепродукты Овощи и фрукты Орехи, семена, злаки, бобовые
Молоко сухое 790 Икра осетровая 590 Брокколи 65 Семя тыквы 1233
Сыр плавленый 600 Карп 415 Картофель 60 Отруби пшеничные 1200
Яйцо куриное 540 Камбала 400 Шпинат 50 Мак 900
Сыр типа «Российский» 539 Сардина 280 Капуста цветная 43 Соевые бобы 700
Брынза 375 Тунец 280 Свекла 40 Семя подсолнечника 660
Свиная печень 347 Скумбрия 280 Огурец 40 Кунжут 629
Говядина 324 Осетрина 280 Киви 34 Кешью 593
Говяжья печень 314 Крабы 260 Помидоры 30 Кедровый орех 572
Творог 220 Кальмары 250 Апельсин 25 Грецкий орех 558
Баранина 202 Ставрида 250 Морковь 24 Овес 521
Курица 157 Мойва 240 Банан 22 Фасоль 500
Кефир 143 Минтай 240 Слива 16 Гречка 422
Йогурт натуральный 94 Креветки 225 Клюква 14 Рис 323
Молоко 92 Треска 210 Яблоко 11 Зеленый горошек 157

Совет! Оптимальным вариантом восполнения запасов фосфора в организме считаются молочные продукты, поскольку в них дополнительно содержится легкоусвояемый кальций, и оба микроэлемента идеально сбалансированы

В желудке фосфорная кислота из продуктов отщепляется от органических соединений, с которыми поступила в организм и всасывается в тонком кишечнике. Здесь всасывание фосфора усиливает щелочная фосфатаза. Выработка этого фермента зависит от количества витамина D. Далее усвоенный фосфор направляется в печень, работает как активатор ферментов и выработки жирных кислот, используется в виде солей костями и мышцами, участвует в других реакциях. Если в плазме крови становится недостаточно фосфора, он восстанавливается за счет запасов костной ткани. Когда фосфора многовато в плазме, он откладывается в скелете. Остатки усвоенного фосфора в виде фосфата кальция выводятся из организма через кишечник и почки. За сутки почками фильтруется около 200 ммоль фосфата, а выводится около 26.

Сочетание фосфора с другими веществами значительно влияет на его усвояемость. Так, ухудшается его всасывание при высоком содержании в продуктах сахара и фруктозы, магния и железа , а улучшается – в присутствии витамина А и витамина F . Фосфор плохо усваивается в присутствии алкоголя, кофе, черного чая.

Много фосфора теряется при отваривании продуктов в большом количестве воды. Он переходит в бульон, а также при предварительном обжаривании продуктов перед тушением. Для того чтобы максимально сохранить фосфор в пище, их желательно нарезать непосредственно перед готовкой, варить в маленьком количестве воды. Продукты нужно хранить в закрытых упаковках без доступа света.

Нормы употребления фосфора и последствия его возможного дефицита


При сбалансированном регулярном питании количество фосфора в организме обычно сохраняется в норме, хотя стоит помнить, что, к примеру, в консервы для сохранности продукта добавляются фосфаты, и при большом количестве консервированных продуктов в рационе вероятно превышение количества фосфора в организме.

Норма фосфора, которая ежедневно должна поступать в организм

При тяжелых физических нагрузках или спортивных тренировках нужно принимать в 2 раза больше фосфора, чем обычно. Во время беременности ежедневную норму фосфора увеличивают в 3, при грудном вскармливании – в 3,8 раза (после консультации с врачом и под его контролем).

Недостаток фосфора в организме гораздо опаснее его избытка, поскольку он провоцирует нарушение обменных процессов, нарушает работу нервной системы, становится причиной костно-мышечных патологий. Факторами, способствующими недостатку фосфора, могут стать:

  • «голодные» диеты, в том числе монодиеты;
  • сильные пищевые отравления с продолжительным нарушением нормальной работы кишечника;
  • веганство с употреблением растительных продуктов, выращенных на бедных фосфором почвах;
  • сильные стрессы, физические переутомления, интенсивный рост у подростков, беременность;
  • злоупотребление сладкими газировками;
  • употребление большого количества БАД с магнием, кальцием, алюминием, барием – они способствуют связыванию фосфора и его усиленному выведению;
  • хронические заболевания почек, околощитовидных желез, сахарный диабет.

Нехватку фосфора в организме можно заподозрить при частых простудных заболеваниях, постоянном чувстве слабости и разбитости, онемении кожи или повышении ее чувствительности, нарушениях памяти и концентрации внимания, необъяснимой раздражительности и депрессиях, постоянном ощущении тревоги, пропавшем аппетите.

Последствием дефицита фосфора, если не принять своевременные меры к восстановлению его уровня, могут стать:

  • пародонтоз;
  • остеопороз;
  • геморрагические высыпания на коже;
  • ожирение печени;
  • неврологические заболевания;
  • боли в мышцах и суставах;
  • развитие дистрофии миокарда.

Продолжительный дефицит фосфора чреват развитием артрита, хрупкости костей, нервного истощения.

Совет! При недостатке фосфора в организме, если он не вызван нарушением всасывания вещества из-за болезней, лучше восполнить его при помощи коррекции рациона питания. Прием биодобавок и аптечных препаратов фосфора может стать причиной передозировки и связанных с ней неприятностей со здоровьем

Если же речь идет о хронической недостаточности фосфора, врач принимает решение о коррекции состояния путем введения АТФ, кальция глицерофосфата, фитина, натрия фосфата, других необходимых в конкретной ситуации препаратов.

Препараты фосфора и особенности их назначения, опасности передозировки


Препараты с содержанием фосфора достаточно разнообразны, чтобы выбрать подходящий для решения возникшей проблемы, обусловившей дефицит этого элемента в организме.

АТФ (аденозинтрифосфорная кислота). Назначается при заболеваниях нервной системы, мышечных дистрофиях, дистрофии сердечной мышцы, спазмах сосудов сердца, двигательных нарушениях при болезни Паркинсона.

Фосфрен. Содержит органический фосфор, лецитин, соли кальция и железа. Назначается при неврастении, переутомлении.

Фитин. Представляет собой смесь фосфорных кислот, солей кальция, магния и фосфора. Рекомендуется при неврастениях, половых расстройствах, переломах, проявлениях рахита, анемии, гипотонии.

Натрия фосфат. Применяют при отравлениях, повышенной кислотности, иногда как легкое слабительное.

Глицерофосфат. Назначается как тонизирующее и укрепляющее средство для повышения активности организма при плохом питании, истощении нервной системы.

Липоцеребрин. Назначают при нервных истощениях, пониженном артериальном давлении и переутомлении.

Если нет дополнительных условий со стороны врача, препараты принимают по 1 таблетке или чайной ложке (в зависимости от формы) 2-3 раза в день на протяжении месяца. АТФ вводится внутримышечно первых 22 дня по 1 мл 1 раз в день, затем дважды в день, общий курс 40 инъекций.

Очень важно при дополнительном приеме препаратов фосфора тщательно следить за составом ежедневного меню и не допускать сбоев в назначенных врачом дозировках, чтобы избежать риска переизбытка фосфора в организме. Причиной передозировки на фоне приема биодобавок и препаратов с фосфором может стать высокое содержание этого вещества в магазинных продуктах и напитках. Именно фосфорные соединения препятствуют комкованию и слеживанию кофе, какао, сухих сливок и других сыпучих продуктов, повышают объем колбасных изделий, обеспечивают мягкость плавленым сырам и гомогенность сгущенке, продлевают срок хранения молока и мясных продуктов.

Причиной избыточного накопления фосфора может стать и нарушение обмена веществ, прием гормональных препаратов, хроническое отравление при постоянной работе с фосфорсодержащими веществами.

Избыток фосфора в организме проявляется мелкими кровоизлияниями на глазной сетчатке, плохой свертываемостью крови. Если не принять меры вовремя, запускается процесс образования камней в почках, развивается анемия, жировая дистрофия мелких сосудов сердца, печени и почек. Хроническое отравление красным фосфором может стать причиной повторяющихся пневмоний. Одна из форм отравления избытком фосфора – некроз челюстей, который проявляется упорными зубными болями, их расшатыванием и выпадением.

Очень опасен для человека белый фосфор. Его избыток в организме проявляется головной болью и рвотой, слабостью, желтушным цветом кожи, чувством жжения в желудке. Если отравление приняло хроническую форму, значительно повышается риск нарушения работы сердца и нервной системы, обменных процессов в костной ткани. При попадании на кожу белый фосфор оставляет тяжелые ожоги, поскольку способен тлеть. При остром отравлении этим видом фосфора первой помощью становится промывание желудка и прием слабительных, ожоги обрабатываются медным купоросом.

Подробнее про фосфор в организме человека - про его роль, пользу для здоровья, признаки дефицита, чем опасен избыток фосфора – смотрите в видео ниже.

Вас может заинтересовать