17

ФОСФОР

Весьма распространённый элемент; на его долю приходится около 0,04% от общего числа атомов земной коры. Он входит в состав некоторых белковых веществ (в частности, нервной и мозговой тканей), а также костей и зубов. Скопления фосфора встречаются главным образом в виде минерала апатита (Са₅Х(РО₄)₃, где Х — F, реже Cl или ОН) и залежей фосфоритов, состоящих из фосфата кальция с различными примесями.

Фосфор открыт в 1669 г. Он является “чистым“ элементом — состоит только из атомов Р³¹.

В основном состоянии атом фосфора имеет структуру внешнего электронного слоя 3s²3p³ и трёхвалентен. Сродство атома фосфора к электрону оценивается в 84 кДж/моль.

Минеральной основой костей является гидроксоапатит Са₅(ОН)(РО₄)₃, а зубов — более твёрдый фторапатит Са₅F(PO₃)₃. Общее содержание фосфора в человеческом организме составляет около 1 вес. %.

Значительные количества соединений фосфора (наряду с азотными) содержатся в экскрементах животных. Так, каждая тонна навоза содержит около 3 кг солей фосфорной кислоты (а с мочой человека их выделяется ежедневно около 4 г). Ещё больше фосфора содержат экскременты питающихся рыбой морских птиц. В результате жизнедеятельности громадных их стай на некоторых островах океана образуются залежи птичьих экскрементов (“гуано”), являющиеся объектом промышленного использования в качестве прекрасного удобрения.

Под действием дождей азотные соединения из гуано вымываются, а бóльшая часть производных фосфора остаётся на месте, постепенно образуя залежи фосфоритов. Поэтому фосфориты могут образовываться и в местах массовой гибели различных животных. Такое происхождение (из экскрементов или трупов животных) для отдельных месторождений фосфоритов доказано. Другие месторождения образовывались в результате жизнедеятельности “фосфоробактерий”, массовое развитие которых имело место в некоторых древних морях. Наконец, существуют месторождения фосфоритов, для которых вероятно чисто минеральное происхождение.

Фосфориты и апатиты являются исходными продуктами для получения фосфорных минеральных удобрений, поэтому достаточные запасы этих минералов чрезвычайно важны для развития сельского хозяйства страны. В России известен ряд крупных месторождений фосфоритов, а на Кольском полуострове имеются громадные месторождения апатита.

Апатит представляет собой минерал неорганического происхождения и находит многообразное использование.

Свободный фосфор получают из природного фосфата кальция, прокаливая его с песком (SiO₂) и углём в электрической печи. Процесс протекает по суммарной схеме:

Са₃(РО₄)₂ + 3 SiO₂ + 5 C + 1409 кДж = 3 СаSiO₃ + 5 CO + 2 P.

Пары фосфора отводятся в орошаемые водой конденсаторы и затем собирают в приёмнике с водой, под слоем которой расплавленный фосфор и накапливается.

Процесс получения элементарного фосфора протекает около 1500 °С и идёт через две основные стадии. Сначала по уравнению:

Са₃(РО₄)₂ + 8 С = 8 СО + Са₃Р₂

образуется фосфид кальция, который реагирует затем с Са₃(РО₄)₂, давая СаО и фосфор:

3 Са₃(РО₄)₂ + 5 Са₃Р₂ = 24 СаО + 16 Р.

Как показывает опыт, присутствие в исходной смеси SiO₂, ннобязательно для протекания процесса, вместе с тем значительно его ускоряет за счёт понижения температуры плавления Са₃(РО₄)₂ и связывания СаО по реакции:

СаО + SiO₂ = CaSiO₃.

Необходимое для получения фосфора тепло может быть сообщено системе не только за счёт электроэнергии (около 15 тыс. кВт·ч на тонну Р), но и за счёт сжигания кокса. При гораздо реже применяемом втором варианте процесс проводят в печах типа доменных. Ежегодная мировая выработка фосфора превышает 500 тыс. т.

В парах фосфор четырёхатомен, причём молекула Р₄ имеет структуру правильного тетраэдра. Для твёрдого фосфора известно несколько аллотропных модификаций, из которых на практике приходится встречаться с двумя: белой и красной.

При охлаждении паров фосфора получается белая форма. Она образована молекулами Р₄ и характеризуется плотностью 1,8 г/см³, температурой плавления 44 °С и температурой кипения 257 °С. В воде белый фосфор нерастворим, но хорошо растворим в сероуглероде (СS₂). Хранят его под водой и по возможности в темноте.

При хранении белый фосфор постепенно (очень медленно) переходит в более устойчивую красную модификацию. Переход сопровождается выделением тепла:

Р_белый = Р_{красный} + 17 кДж.

Процесс ускоряется при нагревании, под действием света и в присутствии следов иода.

Практически красный фосфор получают длительным нагреванием белого до 280-340 °С (в замкнутом объёме). Он представляет собой порошок с плотностью 2,3 г/см³, нерастворимый в сероуглерода и при нагревании возгоняющийся (т. возг. 429 °С). Пары его, сгущаясь, дают белый фосфор. Последний, в противоположность красному, очень ядовит.

В жидком или растворённом состоянии (как и в парах при температуре ниже 1000 °С) фосфор четырёхатомен. Энергия связи Р-Р в молекуле Р₄ составляет 200 кДж/моль. Выше 1000 °С становится заметной диссоциация по схеме:

Р₄ + 230 кДж = 2 Р₂.

Содержащийся в молекулах РºР тройная связь характеризуется длиной 190 пм и энергией 489 кДж/моль. Дальнейший распад молекулы Р₂ на атомы наступает лишь выше 2000 °С. Теплота атомизации фосфора (при 25 °С) равна 318 кДж/моль. Ниже -78 °С обычный белый фосфор превращается в другую, также бесцветную модификацию с плотностью 1,9 г/см³. При нагревании белой формы под давлением 500 атм образуется фиолетовый фосфор с плотностью 2,34 г/см³. Он имеет полимерную структуру. Тройной точке на его диаграмме состояния соответствуют температура 590 °С и давление 43 атм. Обычный красный фосфор представляет собой содержащее незначительные примеси мелкозернистое видоизменение фиолетового. Он известен в нескольких различных формах. При его возгонке в пар переходят молекулы Р₂ (из которых затем образуются молекулы Р₄). Теплота возгонки красного фосфора составляет 121 кДж/моль.

Выдерживание белого фосфора при 220 °С под давлением 12 тыс. атм (или под давлением 35 тыс. атм при 25 °С) может быть получен чёрный фосфор плотностью 2,7 г/см³. Теплота перехода в него белого фосфора составляет 38 кДж/моль. В присутствии ртути переход этот медленно осуществляется при 370 °С и без наложения высоких давлений (но полностью освободить конечный продукт от ртути не удаётся). Он имеет слоистую структуру. Он похож по внешнему виду на графит, обладает полупроводниковой проводимостью, а по химическим свойствам подобен красному фосфору(но на воздухе вполне устойчив и воспламеняется лишь выше 400 °С). Под давлением 18 тыс. атм чёрный фосфор плавится около 1000 °С, а под давлением только своего пара выше 550 °С переходит в фиолетовый. Выше 111 тыс. атм возникает металлическая фаза фосфора с простой кубической структурой.

Теплота плавления белого фосфора 2,5 кДж, а теплота его испарения 50 кДж (на моль Р₄). Продаётся он обычно отлитым в палочки, которые легко режутся ножом. Эту операцию необходимо проводить под водой (лучше всего при 20-25 °С), так как при разрезании на воздухе фосфор может воспламениться от трения. По той же причине высушивать кусочки белого фосфора следует, прикладывая к ним полоски фильтровальной бумаги и избегая трения или надавливания. Ни в коем случае нельзя брать кусочки белого фосфора пальцами (а только щипцами или пинцетом).

Растворимость белого фосфора в сероуглероде исключительно велика (порядка 10:1 при обычных условиях). При медленном упаривании такого раствора фосфор выделяется в виде прекрасно образованных бесцветных кристаллов, Белый фосфор растворим и в ряде других органических жидкостей (бензоле, эфире и т. д.), а также в жидких SO₂ и NH₃. Технический продукт может быть очищен перекристаллизацией или перегонкой в атмосфере азота. Расплавленный белый фосфор весьма склонен к переохлаждению (капли диаметром в 1 мм удалось переохладить до -71 °С).

Средством первой помощи при отравлении фосфором служит 1%-ный раствор СuSO₄ (по чайной ложке через каждые 5 мин до появления рвоты). Горящий фосфор причиняет болезненные и трудно заживающие ожоги, которые могут вызвать также общее отравление организма. Средством первой помощи при ожоге фосфором служит мокрая повязка, пропитанная 5%-ным раствором CuSO₄.

Раствор CuSO₄ рекомендуется и при тушении горящего фосфора. Действие его основано на восстановлении меди до металла (по схеме

2 Р + 5 CuSO₄ + 8 H₂O = 2 H₃PO₄ + 5 Cu + 5 H₂SO₄),

плёнка которого обволакивает ещё не окислившийся фосфор. По сути дела, реакция эта аналогична вытеснению меди цинком наглядно демонстрирует наличие у элементарного (белого) фосфора электродной функции.

Хотя красный фосфор окисляется несравненно труднее белого, однако его медленное взаимодействие с кислородом воздуха всё же происходит (особенно — в присутствии следов Fe или Cu). Результатом этого является образование незначительных количеств очень гигроскопичных продуктов окисления и “отмокание” красного фосфора при его хранении в неплотно закупоренных банках. Отмокший красный фосфор перед употреблением следует перенести на фильтр, тщательно промыть водой и сушить в сушильном шкафу. От примеси белого фосфора красный может быть очищен длительным кипячением с 7%-ным раствором едкого натра и затем с водой.

Наибольшие количества свободного (красного) фосфора потребляются спичечным производством. Соединения фосфора используются главным образом в виде минеральных удобрений.

Белый фосфор очень ядовит, поэтому употребление его для выработки спичек (воспламеняющихся при трении о любую твёрдую поверхность) запрещено. Обычные спички изготавливаются на основе красного фосфора. Они воспламеняютая только при трении о специально подготовленную поверхность (намазку спичечной коробки). Существуют различные рецепты их изготовления. Примером может служить приводимый ниже состав (в вес. %):

При трении головки о намазку мельчайшие частички фосфора воспламеняются на воздухе и поджигают состав головки. Для уменьшения пожарной опасности осиновая древесина (“соломка”) спичек при их выработке примерно до половины пропитывается раствором фосфорнокислого аммония, вследствие чего они гаснут без последующего тления.

Химическая активность фосфора значительно выше, чем у азота. Так, он легко соединяется с кислородом, галогенами, серой и многими металлами. В последнем случае образуются аналогичные нитридам фосфиды (Mg₃P₂, Ca₃P₂ и др.).

Белый фосфор значительно более реакционноспособен, чем красный. Так, он медленно окисляется на воздухе даже при низких температурах и воспламеняется уже выше 50 °С, тогда как красный фосфор на воздухе почти не окисляется, а воспламеняется лишь при более высокой температуре. Точно так же и другие реакции протекают с белым фосфором энергичнее, чем с красным. Подобное различие реакционной способности аллотропных модификаций является общим случаем: из двух форм одного и того же вещества менее устойчивая обычно более активна.

Как и в случае азота наиболее характерными валентными состояниями фосфора -3, 0, +3 и 5.

С водородом фосфором практически не соединяется. Однако разложением некоторых фосфидов водой по реакции, например

Са₃Р₂ + 6 Н₂О = 3 Са(ОН)₂ + 2 РН₃

может быть получен аналогичный аммиаку фосфористый водород (фосфин) — РН₃. Последний представляет собой бесцветный газ с неприятным запахом (“гнилой рыбы”). Фосфин является очень сильным восстановителем и весьма ядовит. В противоположность аммиаку реакции присоединения для фосфина мало характерны; соли фосфония (РН₄⁺) известны лишь для немногих сильных кислот и весьма нестойки, а с водой фосфин химически не взаимодействует (хотя довольно хорошо растворим в ней).

Реакция взаимодействия фосфора (белого) с водородом слабо экзотермична:

2 Р + 3 Н₂ Û 2 РН₃ + 12,5 кДж.

С заметной скоростью она протекает лишь выше 300 °С, когда выход фосфина не превышает долей процента. Применением высоких давлений он может быть несколько повышен, но всё же при 350 °С и 200 атм составляет только 2%. Равновесие в этих условиях устанавливается лишь через 6 суток.

Молекула РН₃ полярна и имеет структуру треугольной пирамиды с атомов Р в вершине. Фосфин (т. пл. -133, т. кип. -88 °С) довольно неустойчив, но при обычных температурах самопроизвольно не разлагается. На воздухе он воспламеняется около 150 °С. При отравлении фосфином прежде всего страдает нервная система (одышка, слабость, конвульсии). В качестве средства первой помощи рекомендуется вдыхание кислорода. Предельно допустимой концентрацией РН₃ в воздухе производственных помещений считается 1·10^-4 мг/л.

Растворимость фосфина в воде составляет около 1:4 по объёму (в органических растворителях она значительно выше). Для него известен очень нестойкий кристаллогидрат РН₃·Н₂О, по составу отвечающий гидроксиду фосфония (РН₄ОН). Электролитическая диссоциация фосфина ничтожно мала и имеет амфотерный характер: для реакций по схемам:

РН₃ + Н₂О Û РН₄^· + НО’ и