P · Element 15 · Nichtmetall
Entdeckt, indem man auf der Suche nach Gold Urin einkochte, leuchtet Phosphor im Dunkeln und ist in jeden Strang Ihrer DNA eingeschrieben.
Struktur
Kein Diagramm aus Punkten auf Ringen — eine Monte-Carlo-Stichprobe der tatsächlichen Wahrscheinlichkeitsdichte |ψ|² für jede besetzte Unterschale. Ziehen Sie, um die Ansicht 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. Werte mit ~ sind vorhergesagt und nicht gemessen.
Größe, maßstabsgetreu
Radius 107 pm — das entspricht 0,107 nm; etwa 4,67 Millionen davon nebeneinander würden einen Millimeter überspannen.
Temperaturbereich
Phosphor ist über einen Bereich von 236 K flüssig, von 317 K bis 554 K.
Die Geschichte
Unverzichtbar für DNA, RNA und ATP. Leuchtet im Dunkeln (weißer Phosphor).
Phosphor hat die Besonderheit, 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, Gold herzustellen, und einen zufälligen Durchbruch, der unser Verständnis des Lebens selbst schließlich revolutionieren sollte.
Im Europa des 17. Jahrhunderts ging die Alchemie allmählich in die frühe Chemie über, doch der Traum, unedle Metalle in Gold umzuwandeln, trieb weiterhin viele Forscher an. Der Hamburger Kaufmann und Amateuralchemist Hennig Brand (um 1630–1692) glaubte, er könne aufgrund seiner goldenen Farbe Gold aus menschlichem Urin gewinnen.
Brand war ein ehemaliger Soldat, der zum Kaufmann geworden war und bereits das Vermögen seiner ersten Frau für alchemistische Experimente ausgegeben hatte. Nach ihrem Tod heiratete er eine wohlhabende Witwe, deren Geld seine weiteren Forschungen finanzierte. Bis 1669 hatte Brand bereits mehrere Jahre lang mit der Destillation von Urin experimentiert und dabei Rezepten früherer Alchemisten gefolgt.
Das schicksalhafte 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 Bestandteile des verfaulten Urins lieferten den zur Reduktion der Phosphatverbindungen benötigten Kohlenstoff und erzeugten weißen Phosphordampf, der in seinem Apparat kondensierte.
Brands Entdeckung sorgte in den europäischen Wissenschaftskreisen für Aufsehen. Die leuchtende Substanz schien Naturgesetze zu missachten, was sowohl wissenschaftliches Interesse als auch Spekulationen über Übernatürliches auslöste.
Johann Kunckel (1676): Der deutsche Chemiker bestätigte Brands Entdeckung und verbesserte das Herstellungsverfahren
Robert Boyle (1680): Der englische Wissenschaftler entdeckte Phosphor unabhängig erneut und führte ihn in die Royal Society ein
Gottfried Leibniz (1677): Der berühmte Philosoph schrieb über Phosphor als eine „wundersame Substanz“
Das geheime Rezept: 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 Tausende Dollar pro Gramm.
Trotz Brands Versuchen, die Methode geheim zu halten, verbreitete sich das Wissen über die Herstellung von Phosphor allmählich in der wissenschaftlichen Gemeinschaft Europas.
Deutscher Glasmeister und Chemiker, der Brands Verfahren verbesserte. Kunckel veröffentlichte 1678 die erste detaillierte Beschreibung der Phosphorherstellung und trug damit dazu bei, Phosphor als legitime chemische Entdeckung und nicht 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 noch heute verwendete Begriffe 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 anstößig.
Die wahre Natur des Phosphors blieb nach seiner Entdeckung mehr als ein Jahrhundert lang rätselhaft. Frühe Chemiker hatten Schwierigkeiten, seine Eigenschaften und Zusammensetzung zu verstehen.
1680: Boyle weist nach, dass Phosphor ein Element und keine Verbindung ist
1740: Marggraf entdeckt Phosphor in Knochen und tierischem Gewebe
1769: Johan Gahn und Carl Wilhelm Scheele isolieren Phosphorsäure
1777: Antoine Lavoisier beweist in seiner neuen chemischen Nomenklatur, dass Phosphor ein Element ist
1844: Jöns Jacob Berzelius bestimmt die Atommasse des Phosphors
1865: Die erste kommerzielle Phosphorproduktion beginnt in England
Die Entwicklung von Zündhölzern in den 1830er-Jahren schuf erstmals eine große kommerzielle Nachfrage nach Phosphor und führte zur Produktion 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 den Arbeitern: Fabriken für Zündhölzer mit weißem Phosphor verursachten den „Phosphorkiefer“ – eine schreckliche Knochenerkrankung, die Arbeiter betraf. 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 Forschungen 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 von Watson und Crick entschlüsselte DNA-Struktur zeigte 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 fauligem Urin bis zu unserem heutigen Verständnis von Phosphor als lebenswichtigem Element erzählt diese Geschichte von einer der bemerkenswertesten Entwicklungen in der Geschichte 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 – und macht Hennig Brands Entdeckung von 1669 wohl zur biologisch bedeutendsten Entdeckung der Menschheitsgeschichte.
Anwendungen
Phosphor ist buchstäblich das Element des Lebens und unverzichtbar für DNA, die Energieübertragung durch ATP und die Knochenbildung. Seine industriellen Anwendungen reichen von der Landwirtschaft bis zu fortschrittlichen Werkstoffen, was ihn zu einem der strategisch wichtigsten Elemente der Erde macht.
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 von Phosphatdüngemitteln.
Ca₁₀(PO₄)₆F₂ + 10H₂SO₄ + 20H₂O → 10CaSO₄·2H₂O + 6H₃PO₄ + 2HF
Wichtige PhosphatdüngemittelGlobale Auswirkungen: Phosphatdüngemittel steigern die Ernteerträge um 30-50% und ermöglichen eine moderne intensive Landwirtschaft. Ohne Phosphordünger würde die globale Nahrungsmittelproduktion nur die Hälfte der heutigen Bevölkerung versorgen.
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 automobilen und industriellen Schmierstoffen Schutz bei extremem Druck und Verschleißschutz.
Hochreine Phosphorverbindungen spielen eine entscheidende Rolle bei der Herstellung von Halbleitern und elektronischen Materialien.
Phosphingas (PH₃): N-Typ-Dotierstoff 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 Industriezweigen.
Phosphor berührt jeden Aspekt des menschlichen Lebens, oft unsichtbar, aber immer unverzichtbar. Von den Lebensmitteln, die wir essen, bis hin zu der Technologie, die wir nutzen, ermöglichen Phosphorverbindungen das moderne Leben.
Phosphor bildet das Rückgrat des genetischen Materials und speichert und überträgt Erbinformationen
ATP (Adenosintriphosphat) speichert und liefert Energie für alle Zellprozesse
85% des Phosphors im Körper befinden sich als Calciumphosphatkristalle in den Knochen und verleihen ihnen Stabilität
Phospholipide bilden Barrieren der Zellmembranen und kontrollieren, was in die Zellen hinein- und aus ihnen herausgelangt
Täglicher Phosphorbedarf für Erwachsene
Der Körpermasse 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 jeden Tag Ihr gesamtes Körpergewicht in Form von ATP. Ohne Phosphor gäbe es kein Leben auf der Erde, wie wir es kennen.
Woher es stammt
1050 mg/kg der Erdkruste · häufiger als 91 % der Elemente
Phosphor macht ungefähr 0,1 % der Erdkruste nach Gewicht aus und ist damit das elftthäufigste Element. Anders als viele Elemente kommt Phosphor in der Natur aufgrund seiner extremen Reaktionsfähigkeit nie in reiner metallischer Form vor, sondern ausschließlich in oxidierten Verbindungen.
Phosphor kommt in der Natur als Phosphatmineral vor, hauptsächlich in Sedimentformationen, die durch urzeitliche Meeresumgebungen entstanden, in denen sich organisches Material über Millionen von Jahren ansammelte und versteinert wurde.
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
Sie entstehen durch Verwitterung und Veränderung primärer Phosphate:
Der kosmische Ursprung des Phosphors liegt in den Kernöfen massereicher Sterne während ihrer letzten Entwicklungsstadien. Das Element entsteht durch Prozesse des Sauerstoffbrennens und Siliciumbrennens 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 Bedingungen im Stern, wodurch Phosphor zu einem der „Engpass“-Elemente für das Leben wird – und möglicherweise die biologische Entwicklung im Universum begrenzt.
Kosmische Häufigkeit: Phosphor ist das 17.-häufigste Element im Universum, mit einer Konzentration von etwa 7 Teilen pro Million in stellarer Materie.
Phosphatvorkommen konzentrieren sich in bestimmten geologischen Regionen und schaffen strategische Ressourcenabhängigkeiten für die globale Landwirtschaft und Industrie.
Reserven: 50 Milliarden Tonnen (71 % der weltweiten Gesamtmenge)
Entstehung: marine Phosphorite aus Kreidezeit und Eozän
Abbau: OCP Group – weltweit größter Phosphatproduzent
ChinaReserven: 3,2 Milliarden Tonnen
Vorkommen: Provinzen Yunnan, Guizhou und Sichuan
Typ: marine Sedimentablagerungen
ÄgyptenReserven: 2,8 Milliarden Tonnen
Vorkommen: Phosphoritablagerungen im Niltal
Alter: Formationen aus der Kreidezeit
Vereinigte StaatenReserven: 1,1 Milliarden Tonnen
Hauptvorkommen: Florida – Bone-Valley-Formation
Sekundäre Vorkommen: North Carolina, Idaho und Utah
Phosphor folgt einem einzigartigen biogeochemischen Kreislauf, da er der einzige wichtige Nährstoff ohne bedeutenden atmosphärischen Anteil ist, wodurch er zu einem möglichen begrenzenden 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⁻). Meeresorganismen reichern Phosphor in ihrem Gewebe an und bilden phosphatreiche Ablagerungen, wenn sie sterben.
Präkambrium (vor 3,8–0,54 Milliarden Jahren): Erste Phosphoransammlungen in urzeitlichen Ozeanen
Kambrium (vor 540–485 Millionen Jahren): Meeresorganismen entwickeln Schalen und Skelette und leiten den bedeutenden Phosphorkreislauf ein
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): Floridas Bone-Valley-Formation bildet bedeutende US-amerikanische Phosphatreserven
Phosphor-Peak: Wissenschaftler schätzen, dass die Reserven an hochwertigem Phosphatgestein zwischen 2030 und 2040 ihren Förderhöhepunkt erreichen könnten, wodurch potenzielle Herausforderungen für die globale Ernährungssicherheit entstehen. Recycling und Effizienzsteigerungen sind für ein nachhaltiges Phosphormanagement entscheidend.
Handhabung
Die Sicherheit von Phosphor variiert je nach Form erheblich. 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 unter inerter Atmosphäre gelagert werden
Giftige Dosis: Bereits 1mg/kg Körpergewicht können 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 Rettungsdienst kontaktieren.
Entzündungstemperatur: 260°C (500°F) – deutlich sicherer als weißer Phosphor
Toxizität: In kleinen Mengen allgemein als ungiftig angesehen
Anwendungen: Streichhölzer, 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, intravenöse Lösungen – etablierte Sicherheitsprofile
OSHA-PEL: 0.3 ppm (8-Stunden-TWA)
IDLH: 50 ppm (unmittelbar lebens- oder gesundheitsgefährlich)
Gefahren: Hochgiftig, entzündlich, knoblauchartiger Geruch
Verwendung: Dotierung von Halbleitern, Begasung
Schutz: Atemschutzgeräte mit Luftzufuhr, Gaswarngeräte
OSHA-PEL: 1 mg/m³ (8-Stunden-TWA)
Konzentration: 85%ige Lösungen sind industriell am häufigsten
Gefahren: Ätzend für Haut, Augen und Atemwege
Erforderliche PSA: Säurebeständige Handschuhe, Gesichtsschutz, Schürzen
Neutralisation: Natriumhydrogencarbonat bei Verschüttungen
Sicherheit bei Pestiziden: Cholinesterasehemmer – Wirkmechanismus 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; ölbasierte Behandlungen anwenden; Partikel an der Luft entfernen
Augenkontakt: 30+ Minuten mit reichlich Wasser spülen; sofort ärztlich behandeln lassen
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 Versorgung: Auf verzögertes Lungenödem überwachen; unterstützende Behandlung
Gegenmittel: Kein spezifisches Gegenmittel; die Behandlung erfolgt symptomatisch
Haut: 15+ Minuten mit Wasser spülen; kontaminierte Kleidung ausziehen
Augen: 30+ Minuten 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 Schulung handhaben
• Phosphathaltige Lebensmittelzusatzstoffe sind bei bestimmungsgemäßer Verwendung sicher
• Industrielle Phosphorverbindungen erfordern spezifische Sicherheitsprotokolle
• Vor dem Umgang mit jeder Phosphorverbindung stets die Sicherheitsdatenblätter (SDS) konsultieren
Schnelle Antworten
Phosphor (Symbol P) ist Element 15 im Periodensystem, ein Nichtmetall in der 3, Gruppe 15. Entdeckt, indem man auf der Suche nach Gold Urin einkochte, leuchtet Phosphor im Dunkeln und ist in jeden Strang Ihrer DNA eingeschrieben. Bei Raumtemperatur ist es fest.
[Ne] 3s² 3p³; sie ergibt 3 besetzte Elektronenschalen mit der Verteilung 2, 8, 5. Seine Außenschale enthält 5 Elektronen, wodurch sein Bindungsverhalten bestimmt wird.Phosphor schmilzt bei 317.3 K (44.2 °C) und siedet bei 553.7 K (280.6 °C).
Die Standardatommasse von Phosphor beträgt 30.974 u. Dabei handelt es sich um einen gewichteten Mittelwert seiner natürlich vorkommenden Isotope, weshalb sie nur selten eine ganze Zahl ist.
Phosphor hat eine Dichte von 1.823 g/cm³. Wasser hat eine Dichte von 1.0 g/cm³, daher ist ein Block aus Phosphor ungefähr 1.8× schwerer.
Phosphor hat eine Elektronegativität von 2.19 nach Pauling. Die Skala reicht von 0,70 (Francium, das Elektronen am wenigsten stark anzieht) bis 3,98 (Fluor, das stärkste). Werte in diesem mittleren Bereich führen eher zur Bildung kovalenter als stark ionischer Bindungen.
Phosphor wurde 1669 von Hennig Brand entdeckt. Es ist nach griechisch phosphoros, „Lichtträger“ benannt.
Phosphor macht Über 0.11 % der Erdkruste aus — genug, um im großen Maßstab abgebaut zu werden.