Struktur
Kein Diagramm aus Punkten auf Schalen – eine Monte-Carlo-Stichprobe der tatsächlichen Wahrscheinlichkeitsdichte |ψ|² für jede besetzte Unterschale. Ziehen Sie, um zu drehen. Blau und Violett kennzeichnen entgegengesetzte Vorzeichen der Wellenfunktion, wodurch Bindungen möglich werden.
Gemessene Werte
Jeder Balken zeigt, wo phosphor bei dieser Eigenschaft unter allen 118 Elementen steht.
Quellen: IUPAC 2021 Standard-Atomgewichte · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Mit ~ gekennzeichnete Werte sind vorhergesagt und nicht gemessen.
Größe, maßstabsgetreu
Radius 107 pm — that is 0.107 nm, so about 4673 million of them side by side would span a millimetre.
Temperaturbereich
Phosphor is liquid over a 236 K window, from 317 K to 554 K.
Die Geschichte
Unentbehrlich für DNA, RNA und ATP. Leuchtet im Dunkeln (weißer Phosphor).
Phosphor hat die besondere Stellung, das erste Element zu sein, das von einer Person isoliert wurde, deren Namen wir kennen – dem deutschen Alchemisten Hennig Brand im Jahr 1669. Diese Entdeckungsgeschichte umfasst Urin, gescheiterte Versuche zur Herstellung von Gold und einen zufälligen Durchbruch, der unser Verständnis des Lebens selbst schließlich revolutionieren sollte.
Im Europa des 17. Jahrhunderts wandelte sich die Alchemie zur frühen Chemie, doch der Traum, unedle Metalle in Gold umzuwandeln, trieb weiterhin viele Forscher an. Der Hamburger Kaufmann und Amateuralchemist Hennig Brand (ca. 1630–1692) glaubte, er könne aus menschlichem Urin Gold gewinnen, da dieser eine goldene Farbe hatte.
Brand war ein ehemaliger Soldat, der Kaufmann wurde und bereits das Vermögen seiner ersten Frau für alchemistische Experimente ausgegeben hatte. Nach ihrem Tod heiratete er eine wohlhabende Witwe, deren Geld seine weitere Forschung finanzierte. Bis 1669 hatte Brand bereits mehrere Jahre lang mit der Destillation von Urin experimentiert und dabei Rezepten früherer Alchemisten gefolgt.
Das verhängnisvolle Experiment (1669): Brand sammelte ungefähr 50 Eimer menschlichen Urins und ließ ihn mehrere Tage faulen. Anschließend kochte er ihn zu einem dicken Sirup ein, erhitzte den Rückstand in einer Retorte und destillierte das Gemisch bei hoher Temperatur.
Eines Nachts im Jahr 1669 brachte Brands Experiment etwas völlig Unerwartetes hervor – eine wachsartige, weiße Substanz, die im Dunkeln leuchtete und sich an der Luft spontan entzündete.
Brands Bericht: „Ich beobachtete, dass etwas im Auffanggefäß leuchtete, und als ich es herausnahm, stellte ich fest, dass es eine weiße, wachsartige Substanz war, die aus eigener Kraft leuchtete und unter Wasser aufbewahrt werden konnte.“
Der Vorgang: Brand hatte unwissentlich die erste Isolierung von elementarem Phosphor durch die Reduktion von Knochenphosphat im Urin durchgeführt:
2Ca₃(PO₄)₂ + 6SiO₂ + 10C → P₄ + 6CaSiO₃ + 10CO
Die organischen Stoffe im verfaulten Urin lieferten den Kohlenstoff, der zur Reduktion der Phosphatverbindungen benötigt wurde, wodurch weißer Phosphordampf entstand, der in seinem Apparat kondensierte.
Brands Entdeckung sorgte in den europäischen Wissenschaftskreisen für Aufsehen. Die leuchtende Substanz schien Naturgesetze zu widerlegen, was sowohl wissenschaftliches Interesse als auch Spekulationen über Übernatürliches auslöste.
Johann Kunckel (1676): Deutscher Chemiker bestätigte Brands Entdeckung und verbesserte das Herstellungsverfahren
Robert Boyle (1680): Englischer Wissenschaftler entdeckte Phosphor unabhängig erneut und führte ihn in die Royal Society ein
Gottfried Leibniz (1677): Berühmter Philosoph schrieb über Phosphor als eine „wundersame Substanz“
Die geheime Formel: Brand hielt seine Methode zunächst geheim, in der Hoffnung, von der Entdeckung zu profitieren. Er verkaufte kleine Mengen Phosphor für enorme Summen – umgerechnet auf das heutige Geld entsprach dies Tausenden Dollar pro Gramm.
Trotz Brands Versuchen, sein Wissen geheim zu halten, verbreitete sich die Kenntnis über die Herstellung von Phosphor allmählich in der wissenschaftlichen Gemeinschaft Europas.
Deutscher Glasmacher und Chemiker, der Brands Verfahren verbesserte. Kunckel veröffentlichte 1678 die erste ausführliche Beschreibung der Phosphorherstellung und trug damit dazu bei, Phosphor als legitime chemische Entdeckung statt als alchemistische Täuschung zu etablieren.
Robert Boyle (1627–1691)Englischer Chemiker und Gründungsmitglied der Royal Society. Boyle entdeckte Phosphor 1680 unabhängig und führte die erste systematische Untersuchung seiner Eigenschaften durch. Er prägte viele Begriffe, die bis heute verwendet werden, und etablierte Phosphor als echtes chemisches Element.
Andreas Marggraf (1709–1782)Deutscher Chemiker, der 1740 erstmals nachwies, dass Phosphor aus Knochen und nicht nur aus Urin gewonnen werden konnte. Diese Entdeckung machte die Phosphorherstellung praktischer und weniger unangenehm.
Die wahre Natur des Phosphors blieb mehr als ein Jahrhundert nach seiner Entdeckung rätselhaft. Frühe Chemiker hatten Schwierigkeiten, seine Eigenschaften und Zusammensetzung zu verstehen.
1680: Boyle etabliert Phosphor als Element, nicht als Verbindung
1740: Marggraf entdeckt Phosphor in Knochen und tierischem Gewebe
1769: Johan Gahn und Carl Wilhelm Scheele isolieren Phosphorsäure
1777: Antoine Lavoisier weist in seiner neuen chemischen Nomenklatur nach, dass Phosphor ein Element ist
1844: Jöns Jacob Berzelius bestimmt die Atommasse von Phosphor
1865: Die erste kommerzielle Phosphorherstellung beginnt in England
Die Entwicklung von Zündhölzern in den 1830er-Jahren schuf erstmals eine große kommerzielle Nachfrage nach Phosphor und führte zu einer Herstellung im industriellen Maßstab.
1827: John Walker erfand Zündhölzer mit weißem Phosphor
1845: Anton von Schrötter entdeckte roten Phosphor, der für die Zündholzherstellung sicherer war
1855: Die ersten Phosphorfabriken wurden in Europa und Amerika gegründet
Gesundheitskrise unter Arbeitern: Fabriken für Zündhölzer mit weißem Phosphor verursachten den „Phossy Jaw“ – eine schreckliche Knochenerkrankung, von der Arbeiter betroffen waren. Dies führte zu internationalen Kampagnen für sicherere Zündhölzer mit rotem Phosphor und schließlich zum Verbot von Zündhölzern mit weißem Phosphor.
Die Erkenntnis über die biologische Bedeutung des Phosphors entwickelte sich allmählich durch biochemische Forschung im 19. und 20. Jahrhundert.
1869: Friedrich Miescher isolierte „Nuklein“ (DNA) aus den Zellkernen weißer Blutkörperchen, die reich an Phosphor sind
1919: Phoebus Levene identifizierte Phosphor als wesentlichen Bestandteil der DNA-Struktur
1929: Karl Lohmann entdeckte ATP (Adenosintriphosphat) als Energiewährung der Zellen
1953: Die DNA-Struktur von Watson und Crick offenbarte die Rolle des Phosphors bei der genetischen Information
1961: Peter Mitchells chemiosmotische Theorie erklärte die ATP-Synthese unter Beteiligung von Phosphor
Von Brands zufälliger Entdeckung in stinkendem Urin bis zu unserem modernen Verständnis von Phosphor als lebenswichtigem Element des Lebens steht diese Geschichte für eine der bemerkenswertesten Entwicklungen der Chemie.
Brands unvorstellbares Vermächtnis: Der Hamburger Kaufmann, der Gold im Urin suchte, entdeckte zufällig das Element, das alles Leben ermöglicht. Jedes DNA-Molekül, jede ATP-Energieübertragung, jeder Knochen und jeder Zahn enthält Phosphor – damit ist Hennig Brands Entdeckung von 1669 wohl die biologisch bedeutendste der Menschheitsgeschichte.
Anwendungen
Phosphor ist buchstäblich das Element des Lebens und für DNA, die Energieübertragung durch ATP und die Knochenbildung unerlässlich. Seine industriellen Anwendungen reichen von der Landwirtschaft bis zu modernen Werkstoffen und machen es zu einem der strategisch bedeutendsten Elemente der Erde.
Phosphor ist das „P“ in NPK-Düngemitteln und für das Pflanzenwachstum sowie die globale Ernährungssicherheit absolut unverzichtbar. Die moderne Landwirtschaft verbraucht 85 % des abgebauten Phosphors und unterstützt damit die Nahrungsmittelproduktion für 8 Milliarden Menschen.
Herstellung von Phosphorsäure: Phosphatgestein (Ca₁₀(PO₄)₆F₂) wird mit Schwefelsäure behandelt, um Phosphorsäure (H₃PO₄) herzustellen, die Grundlage für Phosphatdünger.
Ca₁₀(PO₄)₆F₂ + 10H₂SO₄ + 20H₂O → 10CaSO₄·2H₂O + 6H₃PO₄ + 2HF
Wichtige PhosphatdüngerGlobale Auswirkungen: Phosphatdünger steigern die Ernteerträge um 30–50 % und ermöglichen die moderne intensive Landwirtschaft. Ohne Phosphordünger würde die weltweite Nahrungsmittelproduktion nur die Hälfte der heutigen Bevölkerung ernähren.
Phosphorverbindungen sind grundlegend für die Lebensprozesse, von der Energiespeicherung bis zur Übertragung genetischer Informationen. Medizinische Anwendungen nutzen diese biologischen Funktionen für therapeutische Zwecke.
Die Reaktivität und die einzigartige Chemie des Phosphors ermöglichen vielfältige industrielle Anwendungen, von Flammschutzmitteln bis zur Halbleiterverarbeitung.
Flammschutzmittel auf Phosphorbasis wirken sowohl über Mechanismen in der Gasphase als auch in der kondensierten Phase und bieten einen hervorragenden Brandschutz für Polymere und Textilien.
Organophosphorverbindungen bieten in Kraftfahrzeug- und Industrieschmierstoffen Schutz bei extremem Druck und Verschleißschutzeigenschaften.
Hochreine Phosphorverbindungen spielen eine entscheidende Rolle bei der Halbleiterherstellung und in elektronischen Werkstoffen.
Phosphin (PH₃): n-dotierender Stoff für Siliciumwafer bei der Herstellung von Computerchips. Phosphoratome ersetzen Silicium im Kristallgitter und stellen freie Elektronen für die Leitfähigkeit bereit.
Ionenimplantation: Auf 1–200 keV beschleunigte Phosphorionen dringen in Siliciumwafer ein und erzeugen präzise kontrollierte Dotierungsprofile für Transistoren und Dioden.
Die pyrophoren Eigenschaften und die intensive Verbrennung von Phosphor machen ihn für militärische und spezielle Anwendungen wertvoll.
Phosphor dient als wichtiger Baustein für zahlreiche Spezialchemikalien in verschiedenen Branchen.
Phosphor berührt jeden Bereich des menschlichen Lebens, oft unsichtbar, aber stets unverzichtbar. Von den Lebensmitteln, die wir essen, bis zur Technologie, die wir nutzen, ermöglichen Phosphorverbindungen das moderne Leben.
Phosphor bildet das Rückgrat des Erbmaterials, das Erbinformationen speichert und überträgt
ATP (Adenosintriphosphat) speichert und setzt Energie für alle Zellprozesse frei
85% des Phosphors im Körper befinden sich als Calciumphosphatkristalle in den Knochen und verleihen ihnen Stabilität
Phospholipide bilden Barrieren der Zellmembranen und steuern, was in Zellen hinein- und aus ihnen herausgelangt
Täglicher Phosphorbedarf für Erwachsene
Des Körpergewichts besteht aus Phosphor (etwa 1.4 lbs bei einem durchschnittlichen Erwachsenen)
Des Phosphors im Körper werden in Knochen und Zähnen gespeichert
ATP-Moleküle werden pro Sekunde in jeder Zelle recycelt
Ihr Körper enthält etwa 780 Gramm Phosphor – genug, um 38,000 Sicherheitsstreichhölzer herzustellen. Jede Sekunde erzeugen und zerstören Ihre Zellen 10 billion ATP-Moleküle und recyceln dabei täglich Ihr gesamtes Körpergewicht an ATP. Ohne Phosphor gäbe es kein Leben auf der Erde, wie wir es kennen.
Woher es stammt
1050 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 91% of elements
Phosphor macht ungefähr 0,1 % der Erdkruste nach Gewicht aus und ist damit das elfthäufigste Element. Anders als viele Elemente kommt Phosphor in der Natur aufgrund seiner extremen Reaktivität niemals in reiner metallischer Form vor, sondern ausschließlich in oxidierten Verbindungen.
Phosphor kommt natürlich als Phosphatmineral vor, vor allem in Sedimentformationen, die in früheren Meeresumgebungen entstanden, in denen sich organische Materie über Millionen von Jahren ansammelte und fossilisierte.
Die wichtigste Quelle für den gesamten abgebauten Phosphor, mit der allgemeinen Formel Ca₁₀(PO₄)₆(F,Cl,OH)₂:
Globale Reserven: 70 Milliarden Tonnen Phosphatgestein mit Apatitmineralen
Angesammelter Kot von Vögeln und Fledermäusen bildet phosphorreiche Ablagerungen:
Historische Bedeutung: Die Guanoablagerungen Perus waren so wertvoll, dass sie den Pazifikkrieg (1879–1884) auslösten
Entstehen durch Verwitterung und Umwandlung primärer Phosphate:
Der kosmische Ursprung des Phosphors liegt in den nuklearen Brennöfen massereicher Sterne während ihrer letzten Entwicklungsphasen. Das Element entsteht durch Prozesse der Sauerstoffverbrennung und Siliciumverbrennung in den Sternkernen.
Primärprozess: ²⁸Si + α → ³²S → ³¹P + p (Protonenemission)
Sekundärprozess: ³⁰Si + p → ³¹P + γ (Gammastrahlung)
Wenn massereiche Sterne (>8 Sonnenmassen) als Supernovae explodieren, verteilen sie Phosphor in der gesamten Galaxie. Interessanterweise erfordert die Phosphorproduktion sehr spezifische stellare Bedingungen, wodurch Phosphor zu einem der Engpasselemente für das Leben wird – möglicherweise begrenzt er die biologische Entwicklung im Universum.
Kosmische Häufigkeit: Phosphor ist das 17.-häufigste Element im Universum, mit einer Konzentration von etwa 7 Teilen pro Million in stellarem Material.
Phosphatvorkommen konzentrieren sich auf bestimmte geologische Regionen und schaffen strategische Ressourcenabhängigkeiten für die globale Landwirtschaft und Industrie.
Reserven: 50 Milliarden Tonnen (71 % der weltweiten Gesamtmenge)
Entstehung: marine Phosphorite aus Kreide und Eozän
Abbau: OCP Group – weltweit größter Phosphatproduzent
ChinaReserven: 3,2 Milliarden Tonnen
Fundorte: Provinzen Yunnan, Guizhou, Sichuan
Typ: marine Sedimentablagerungen
ÄgyptenReserven: 2,8 Milliarden Tonnen
Fundort: Phosphoritablagerungen im Niltal
Alter: Formationen aus der Kreidezeit
Vereinigte StaatenReserven: 1,1 Milliarden Tonnen
Hauptfundort: Florida – Bone-Valley-Formation
Weitere Vorkommen: North Carolina, Idaho, Utah
Phosphor durchläuft einen einzigartigen biogeochemischen Kreislauf, da er der einzige wichtige Nährstoff ohne bedeutenden atmosphärischen Anteil ist, wodurch er zu einem möglichen limitierenden Faktor für das Leben auf der Erde wird.
Kreislaufdauer: Der vollständige Phosphorkreislauf dauert Millionen von Jahren und ist damit der langsamste aller biogeochemischen Kreisläufe.
Die Ozeane enthalten ungefähr 88 Milliarden Tonnen gelösten Phosphors, hauptsächlich in Form von Phosphationen (PO₄³⁻). Marine Organismen reichern Phosphor in ihren Geweben an und bilden nach ihrem Tod phosphatreiche Ablagerungen.
Präkambrium (vor 3,8–0,54 Milliarden Jahren): Erste Phosphoransammlungen in den primitiven Ozeanen
Kambrium (vor 540–485 Millionen Jahren): Marine Organismen entwickeln Schalen und Skelette; der bedeutende Phosphorkreislauf beginnt
Perm (vor 299–251 Millionen Jahren): Entstehung der Phosphoria-Formation im Westen der Vereinigten Staaten
Kreide–Paläogen (vor 145–23 Millionen Jahren): Entstehung bedeutender Phosphoritvorkommen in Nordafrika und im Nahen Osten
Miozän (vor 23–5 Millionen Jahren): Die Bone-Valley-Formation in Florida bildet bedeutende US-amerikanische Phosphatreserven
Phosphor-Peak: Wissenschaftler schätzen, dass die Reserven an hochwertigem Phosphatgestein bis 2030–2040 ihren Höchststand erreichen könnten, wodurch potenzielle globale Herausforderungen für die Ernährungssicherheit entstehen. Recycling und Effizienzsteigerungen sind entscheidend für ein nachhaltiges Phosphormanagement.
Handhabung
Die Sicherheit bei Phosphor variiert je nach Form stark. Während Phosphatverbindungen im Allgemeinen sicher und lebensnotwendig sind, ist elementarer Phosphor (insbesondere weißer Phosphor) äußerst gefährlich und erfordert spezielle Sicherheitsprotokolle.
Entzündungstemperatur: 30°C (86°F) – entzündet sich an der Luft spontan
Lagerungsanforderung: Muss unter Wasser oder in einer Inertgasatmosphäre gelagert werden
Giftige Dosis: Bereits 1mg/kg Körpergewicht kann tödlich sein
Wirkmechanismus: Beeinträchtigt den Zellstoffwechsel und verursacht Multiorganversagen
⚠️ UNMITTELBARE GEFAHR: Weißer Phosphor brennt bei 5000°F, dringt in die Haut ein und brennt im Gewebe weiter. Bei einer Exposition sofort den Notdienst verständigen.
Entzündungstemperatur: 260°C (500°F) – deutlich sicherer als weißer Phosphor
Toxizität: In kleinen Mengen allgemein als ungiftig betrachtet
Anwendungen: Sicherheitszündhölzer, Flammschutzmittel, Feuerwerk
Vorsichtsmaßnahmen: Einatmen von Staub vermeiden, elektrostatische Entladungen verhindern
Phosphate in Lebensmittelqualität: Von der FDA allgemein als sicher anerkannt (GRAS)
Tägliche Aufnahme: Für Erwachsene werden 700-1000mg Phosphor empfohlen
Obergrenze: 4000mg täglich (Schwellenwert für die Nierenbelastung)
Medizinische Verwendung: Abführmittel, Antazida, IV-Lösungen – etablierte Sicherheitsprofile
OSHA PEL: 0.3 ppm (8-hour TWA)
IDLH: 50 ppm (unmittelbar lebens- oder gesundheitsgefährlich)
Gefahren: Hochgiftig, entzündlich, knoblauchartiger Geruch
Verwendung: Dotierung von Halbleitern, Begasung
Schutz: Atemschutzgeräte mit Luftzufuhr, Gasdetektionssysteme
OSHA PEL: 1 mg/m³ (8-hour TWA)
Konzentration: 85%ige Lösungen sind industriell am häufigsten
Gefahren: Ätzend für Haut, Augen und Atemwege
Erforderliche PSA: Säurebeständige Handschuhe, Gesichtsschutz, Schürzen
Neutralisierung: Natriumhydrogencarbonat bei Verschüttungen
Sicherheit bei Pestiziden: Cholinesterasehemmer – Mechanismus von Nervenkampfstoffen
Expositionswege: Aufnahme über die Haut, Einatmen, Verschlucken
Symptome: Kopfschmerzen, Übelkeit, Muskelzuckungen, Atemnot
Gegenmittel: Atropin und Pralidoxim in schweren Fällen
Vorbeugung: Vollständige PSA, Dekontaminationsverfahren
Hautkontakt: Sofort in Wasser eintauchen; sichtbare Partikel unter Wasser mit einer Pinzette entfernen; mit feuchten Verbänden abdecken
NICHT: Den exponierten Bereich trocknen lassen; Behandlungen auf Ölbasis verwenden; Partikel an der Luft entfernen
Augenkontakt: 30+ Minuten lang mit reichlich Wasser spülen; sofort ärztliche Hilfe in Anspruch nehmen
Einatmen: Aus dem Expositionsbereich entfernen; Sauerstofftherapie; sofortiger Transport in ein Verbrennungszentrum
Evakuierung: Aus dem kontaminierten Bereich an die frische Luft bringen
Dekontamination: Kontaminierte Kleidung ausziehen; Haut mit Wasser und Seife waschen
Medizinische Maßnahmen: Auf verzögertes Lungenödem überwachen; unterstützende Behandlung
Gegenmittel: Kein spezifisches Gegenmittel; die Behandlung erfolgt symptomatisch
Haut: 15+ Minuten lang mit Wasser spülen; kontaminierte Kleidung ausziehen
Augen: 30+ Minuten lang spülen; keine neutralisierenden Lösungen verwenden
Verschlucken: Kein Erbrechen herbeiführen; bei Bewusstsein Wasser/Milch geben
Verschüttungen: Mit Natriumhydrogencarbonat neutralisieren; Wärmeentwicklung vermeiden
• Weißer Phosphor gehört zu den gefährlichsten bekannten Chemikalien – nur mit spezieller Ausbildung handhaben
• Phosphathaltige Lebensmittelzusatzstoffe sind bei bestimmungsgemäßer Verwendung sicher
• Industrielle Phosphorverbindungen erfordern spezifische Sicherheitsprotokolle
• Vor der Handhabung einer Phosphorverbindung stets die Sicherheitsdatenblätter (SDS) konsultieren
Schnelle Antworten
Phosphor (symbol P) is element 15 on the periodic table, a nichtmetall in period 3, group 15. Discovered by boiling down urine in search of gold, phosphorus glows in the dark and is written into every strand of your DNA. At room temperature it is a solid.
[Ne] 3s² 3p³, giving 3 occupied shells holding 2, 8, 5 electrons respectively. Its outer shell holds 5 electrons, which is what sets its bonding behaviour.Phosphor melts at 317.3 K (44.2 °C) and boils at 553.7 K (280.6 °C).
The standard atomic weight of Phosphor is 30.974 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
Phosphor has a density of 1.823 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of phosphor is about 1.8× heavier.
Phosphor has a Pauling electronegativity of 2.19. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.
Phosphor was discovered in 1669 by Hennig Brand. It is named after greek phosphoros, "light-bearer".
Phosphor makes up about 0.11% of the Earth's crust — common enough to be mined at scale.