Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение фосфор среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 107 pm — это 0,107 нм, поэтому около 4,67 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Фосфор находится в жидком состоянии в диапазоне 236 K — от 317 K до 554 K.
История
Необходим для ДНК, РНК и АТФ. Светится в темноте (белый фосфор).
Фосфор стал первым элементом, выделенным человеком, имя которого нам известно, — немецким алхимиком Хеннигом Брандом в 1669 году. Эта история открытия связана с мочой, неудачными попытками получить золото и случайным прорывом, который в итоге изменил наше понимание самой жизни.
В Европе XVII века алхимия постепенно превращалась в раннюю химию, но мечта превращать неблагородные металлы в золото по-прежнему вдохновляла многих исследователей. Гамбургский купец и алхимик-любитель Hennig Brand (ок. 1630–1692) считал, что сможет извлечь золото из человеческой мочи из-за её золотистого цвета.
Бранд был бывшим солдатом, ставшим купцом, и уже потратил состояние своей первой жены на алхимические эксперименты. После её смерти он женился на богатой вдове, чьи деньги позволили ему продолжить исследования. К 1669 году Бранд уже несколько лет экспериментировал с перегонкой мочи, следуя рецептам более ранних алхимиков.
Роковой эксперимент (1669): Бранд собрал около 50 вёдер человеческой мочи и оставил её гнить на несколько дней. Затем он выпарил её до густого сиропа, нагрел остаток в реторте и перегнал смесь при высокой температуре.
Однажды ночью в 1669 году эксперимент Бранда дал совершенно неожиданный результат — воскообразное белое вещество, светившееся в темноте и самовоспламенявшееся на воздухе.
Рассказ Бранда: «Я заметил, что в приёмнике что-то светится, а когда вынул это, обнаружил белое воскообразное вещество, сиявшее собственным светом и сохранявшееся под водой».
Процесс: Бранд, сам того не зная, впервые выделил элементарный фосфор посредством восстановления фосфата костей в моче:
2Ca₃(PO₄)₂ + 6SiO₂ + 10C → P₄ + 6CaSiO₃ + 10CO
Органические вещества в гниющей моче обеспечили углерод, необходимый для восстановления фосфатных соединений, в результате чего образовался пар белого фосфора, сконденсировавшийся в его аппарате.
Открытие Бранда произвело сенсацию в европейских научных кругах. Светящееся вещество, казалось, нарушало законы природы, вызывая как научный интерес, так и мистические предположения.
Johann Kunckel (1676): немецкий химик подтвердил открытие Бранда и усовершенствовал метод производства
Robert Boyle (1680): английский учёный независимо повторно открыл фосфор и представил его Королевскому обществу
Gottfried Leibniz (1677): известный философ писал о фосфоре как о «чудесном веществе»
Секретная формула: Сначала Бранд держал свой метод в тайне, надеясь получить прибыль от открытия. Он продавал небольшие количества фосфора за огромные суммы — в пересчёте на современные деньги это соответствовало тысячам долларов за грамм.
Несмотря на попытки Бранда сохранить секрет, знания о производстве фосфора постепенно распространились среди научного сообщества Европы.
Немецкий стеклодел и химик, усовершенствовавший процесс Бранда. В 1678 году Кункель опубликовал первое подробное описание получения фосфора, помогая утвердить его как настоящее химическое открытие, а не алхимическую уловку.
Robert Boyle (1627–1691)Английский химик и один из основателей Королевского общества. Бойль независимо открыл фосфор в 1680 году и провёл первое систематическое исследование его свойств. Он ввёл множество терминов, используемых и сегодня, и утвердил фосфор как настоящий химический элемент.
Andreas Marggraf (1709–1782)Немецкий химик, который в 1740 году впервые доказал, что фосфор можно извлекать из костей, а не только из мочи. Это открытие сделало производство фосфора более практичным и менее неприятным.
Истинная природа фосфора оставалась загадкой более века после его открытия. Ранние химики пытались понять его свойства и состав.
1680: Бойль установил, что фосфор является элементом, а не соединением
1740: Маргграф обнаружил фосфор в костях и тканях животных
1769: Johan Gahn и Carl Wilhelm Scheele выделили фосфорную кислоту
1777: Antoine Lavoisier доказал, что фосфор является элементом, в своей новой химической номенклатуре
1844: Jöns Jacob Berzelius определил атомную массу фосфора
1865: В Англии началось первое промышленное производство фосфора
Разработка спичек, зажигающихся при трении, в 1830-х годах создала первый крупный коммерческий спрос на фосфор и привела к промышленному производству.
1827: John Walker изобрёл спички, зажигающиеся при трении, с использованием белого фосфора
1845: Anton von Schrötter открыл красный фосфор, более безопасный для производства спичек
1855: В Европе и Америке были созданы первые фосфорные фабрики
Кризис здоровья рабочих: На фабриках по производству спичек из белого фосфора рабочие заболевали «фосфорной челюстью» — ужасной болезнью костей. Это привело к международным кампаниям за более безопасные спички с красным фосфором и к последующему запрету спичек с белым фосфором.
Осознание биологической важности фосфора постепенно пришло благодаря биохимическим исследованиям XIX и XX веков.
1869: Friedrich Miescher выделил «нуклеин» (ДНК) из ядер белых кровяных клеток, богатых фосфором
1919: Phoebus Levene определил фосфор как важнейший компонент структуры ДНК
1929: Karl Lohmann открыл АТФ (аденозинтрифосфат) как источник энергии клетки
1953: Структура ДНК, открытая Watson и Crick, раскрыла роль фосфора в передаче генетической информации
1961: Хемиосмотическая теория Peter Mitchell объяснила синтез АТФ с участием фосфора
От случайного открытия Бранда в гнилой моче до современного понимания фосфора как жизненно важного элемента — эта история представляет собой один из самых удивительных путей развития химии.
Невероятное наследие Бранда: Гамбургский купец, искавший золото в моче, случайно открыл элемент, благодаря которому возможна вся жизнь. Каждая молекула ДНК, каждый перенос энергии с участием АТФ, каждая кость и каждый зуб содержат фосфор, что делает открытие Хеннига Бранда в 1669 году, возможно, самым значимым с биологической точки зрения в истории человечества.
Применение
Фосфор — буквально элемент жизни, необходимый для ДНК, передачи энергии в АТФ и формирования костей. Его промышленное применение охватывает сельское хозяйство и передовые материалы, что делает его одним из наиболее стратегически важных элементов на Земле.
Фосфор — это «P» в удобрениях NPK, абсолютно необходимый для роста растений и глобальной продовольственной безопасности. Современное сельское хозяйство потребляет 85% добываемого фосфора, обеспечивая производство продовольствия для 8 миллиардов человек.
Производство фосфорной кислоты: Фосфатная руда (Ca₁₀(PO₄)₆F₂) обрабатывается серной кислотой для получения фосфорной кислоты (H₃PO₄) — основы фосфатных удобрений.
Ca₁₀(PO₄)₆F₂ + 10H₂SO₄ + 20H₂O → 10CaSO₄·2H₂O + 6H₃PO₄ + 2HF
Основные фосфатные удобренияГлобальное значение: Фосфатные удобрения повышают урожайность на 30–50%, обеспечивая современное интенсивное сельское хозяйство. Без фосфорных удобрений мировое производство продовольствия смогло бы прокормить лишь половину нынешнего населения.
Соединения фосфора играют фундаментальную роль в процессах жизнедеятельности — от хранения энергии до передачи генетической информации. Медицинское применение использует эти биологические функции в терапевтических целях.
Реакционная способность фосфора и его уникальная химия обеспечивают разнообразное промышленное применение — от огнезащитных средств до производства полупроводников.
Огнезащитные средства на основе фосфора действуют благодаря механизмам как в газовой, так и в конденсированной фазе, обеспечивая превосходную защиту от огня для полимеров и текстиля.
Фосфорорганические соединения обеспечивают защиту при экстремальных давлениях и противоизносные свойства автомобильных и промышленных смазочных материалов.
Высокочистые соединения фосфора играют важную роль в производстве полупроводников и электронных материалов.
Фосфин (PH₃): донорная примесь для кремниевых пластин при производстве компьютерных микросхем. Атомы фосфора замещают кремний в кристаллической решётке, обеспечивая свободные электроны для проводимости.
Ионная имплантация: ионы фосфора, ускоренные до 1–200 keV, проникают в кремниевые пластины, создавая точно контролируемые профили легирования для транзисторов и диодов.
Пирофорные свойства фосфора и интенсивность его горения делают его ценным для военных и специализированных применений.
Фосфор служит ключевым строительным блоком для многочисленных специальных химикатов в различных отраслях промышленности.
Фосфор затрагивает все стороны жизни человека, часто незаметно, но всегда играя важнейшую роль. От пищи, которую мы едим, до технологий, которыми мы пользуемся, соединения фосфора делают современную жизнь возможной.
Фосфор образует основу генетического материала, сохраняя и передавая наследственную информацию
ATP (аденозинтрифосфат) запасает и высвобождает энергию для всех клеточных процессов
85% фосфора организма содержится в костях в виде кристаллов фосфата кальция, обеспечивающих прочность
Фосфолипиды образуют барьеры клеточных мембран, контролируя поступление веществ в клетки и выход из них
Суточная потребность взрослых в фосфоре
Доля фосфора в массе тела (около 1.4 фунта у среднего взрослого)
Доля фосфора организма, запасённая в костях и зубах
Молекул ATP перерабатывается каждую секунду в каждой клетке
В организме содержится около 780 граммов фосфора — этого достаточно, чтобы изготовить 38,000 безопасных спичек. Каждую секунду клетки создают и разрушают 10 billion молекул ATP, ежедневно перерабатывая количество ATP, равное массе всего тела. Без фосфора не существовало бы жизни на Земле в известном нам виде.
Откуда он происходит
1050 мг/кг земной коры · более распространён, чем 91% элементов
Фосфор составляет примерно 0,1% массы земной коры, что делает его 11-м по распространённости элементом. В отличие от многих элементов, фосфор никогда не встречается в природе в чистом металлическом виде из-за чрезвычайной реакционной способности и существует только в окисленных соединениях.
В природе фосфор встречается в виде фосфатных минералов, главным образом в осадочных образованиях, сформировавшихся в древних морских условиях, где органическое вещество накапливалось и окаменевало на протяжении миллионов лет.
Основной источник всего добываемого фосфора, общая формула: Ca₁₀(PO₄)₆(F,Cl,OH)₂:
Мировые запасы: 70 миллиардов тонн фосфатной породы, содержащей минералы апатита
Скопления птичьего и летучемышиного помёта образуют богатые фосфором залежи:
Историческое значение: залежи гуано в Перу были настолько ценными, что стали причиной Тихоокеанской войны (1879–1884)
Образуются при выветривании и изменении первичных фосфатов:
Космическое происхождение фосфора связано с ядерными печами массивных звёзд на последних стадиях их эволюции. Элемент образуется в результате процессов горения кислорода и горения кремния в ядрах звёзд.
Основной процесс: ²⁸Si + α → ³²S → ³¹P + p (испускание протона)
Вторичный процесс: ³⁰Si + p → ³¹P + γ (гамма-излучение)
Когда массивные звёзды (>8 солнечных масс) взрываются как сверхновые, они рассеивают фосфор по всей галактике. Интересно, что образование фосфора требует очень специфических условий в звёздах, поэтому он относится к «узким местам» для возникновения жизни и потенциально ограничивает биологическое развитие во Вселенной.
Космическая распространённость: фосфор занимает 17-е место по распространённости во Вселенной; его концентрация в звёздном веществе составляет около 7 частей на миллион.
Фосфатные месторождения сосредоточены в определённых геологических регионах, создавая стратегическую зависимость мирового сельского хозяйства и промышленности от ресурсов.
Запасы: 50 миллиардов тонн (71% мирового объёма)
Формирование: морские фосфориты мелового и эоценового возраста
Добыча: OCP Group — крупнейший в мире производитель фосфатов
КитайЗапасы: 3,2 миллиарда тонн
Местоположение: провинции Юньнань, Гуйчжоу, Сычуань
Тип: морские осадочные отложения
ЕгипетЗапасы: 2,8 миллиарда тонн
Местоположение: фосфоритовые месторождения долины Нила
Возраст: образования мелового периода
Соединённые ШтатыЗапасы: 1,1 миллиарда тонн
Основное местоположение: Флорида — формация Бон-Валли
Дополнительные месторождения: Северная Каролина, Айдахо, Юта
Фосфор участвует в уникальном биогеохимическом цикле как единственное основное питательное вещество, не имеющее значимого атмосферного компонента, что делает его потенциально лимитирующим фактором для жизни на Земле.
Продолжительность цикла: полный круговорот фосфора занимает миллионы лет, что делает его самым медленным из всех биогеохимических циклов.
Океаны содержат примерно 88 миллиардов тонн растворённого фосфора, главным образом в виде фосфат-ионов (PO₄³⁻). Морские организмы накапливают фосфор в своих тканях, образуя богатые фосфатами отложения после гибели.
Докембрий (3,8–0,54 миллиарда лет назад): первое накопление фосфора в первобытных океанах
Кембрий (540–485 миллионов лет назад): морские организмы развивают раковины и скелеты, начинается интенсивный круговорот фосфора
Пермь (299–251 миллион лет назад): формирование формации Фосфория на западе Соединённых Штатов
Меловой период — палеоген (145–23 миллиона лет назад): формирование крупных фосфоритовых месторождений в Северной Африке и на Ближнем Востоке
Миоцен (23–5 миллионов лет назад): формирование Бон-Валли во Флориде создаёт крупные запасы фосфатов в США
Пик фосфора: учёные оценивают, что пик добычи высококачественной фосфатной породы может наступить к 2030–2040 годам, создавая потенциальные угрозы мировой продовольственной безопасности. Переработка и повышение эффективности имеют критическое значение для устойчивого управления фосфором.
Обращение
Безопасность при работе с фосфором существенно различается в зависимости от его формы. Хотя фосфатные соединения обычно безопасны и необходимы для жизни, элементарный фосфор (особенно белый фосфор) чрезвычайно опасен и требует специальных протоколов безопасности.
Температура воспламенения: 30°C (86°F) — самовоспламеняется на воздухе
Требования к хранению: Должен храниться под водой или в инертной атмосфере
Токсическая доза: Всего 1 мг/кг массы тела может привести к смерти
Механизм: Нарушает клеточный метаболизм, вызывает полиорганную недостаточность
⚠️ НЕМЕДЛЕННАЯ ОПАСНОСТЬ: Белый фосфор горит при температуре 5000°F, проникает через кожу и продолжает гореть внутри тканей. При воздействии немедленно вызовите экстренные службы.
Температура воспламенения: 260°C (500°F) — значительно безопаснее белого фосфора
Токсичность: Обычно считается нетоксичным в небольших количествах
Применение: Спички, антипирены, фейерверки
Меры предосторожности: Не вдыхать пыль, предотвращать статические разряды
Пищевые фосфаты: FDA в целом признаёт их безопасными (GRAS)
Ежедневное потребление: Взрослым рекомендуется 700–1000 мг фосфора
Верхний предел: 4000 мг в день (порог нагрузки на почки)
Медицинское применение: Слабительные, антациды, растворы для внутривенного введения — доказанный профиль безопасности
OSHA PEL: 0.3 ppm (8-часовое TWA)
IDLH: 50 ppm (непосредственная опасность для жизни или здоровья)
Опасности: Высокотоксичен, легковоспламеняем, имеет чесночный запах
Применение: Легирование полупроводников, фумигация
Защита: Респираторы с подачей воздуха, системы обнаружения газа
OSHA PEL: 1 mg/m³ (8-часовое TWA)
Концентрация: Растворы 85% наиболее распространены в промышленности
Опасности: Вызывает коррозию кожи, глаз и дыхательных путей
Необходимые СИЗ: Кислотостойкие перчатки, защитные щитки для лица, фартуки
Нейтрализация: Гидрокарбонат натрия при разливах
Безопасность пестицидов: Ингибиторы холинэстеразы — механизм действия нервно-паралитических веществ
Пути воздействия: Всасывание через кожу, вдыхание, проглатывание
Симптомы: Головная боль, тошнота, мышечные подёргивания, дыхательная недостаточность
Антидот: Атропин и пралидоксим в тяжёлых случаях
Профилактика: Полный комплект СИЗ, процедуры дезактивации
Контакт с кожей: Немедленно погрузить поражённый участок в воду; удалить видимые частицы пинцетом под водой; накрыть влажными повязками
НЕ ДЕЛАТЬ: Не позволять поражённому участку высохнуть; не использовать средства на масляной основе; не удалять частицы на воздухе
Контакт с глазами: Промывать большим количеством воды в течение 30+ минут; немедленно обратиться за медицинской помощью
Вдыхание: Удалить пострадавшего из зоны воздействия; кислородная терапия; немедленная транспортировка в ожоговый центр
Эвакуация: Вывести пострадавшего из загрязнённой зоны на свежий воздух
Дезактивация: Снять загрязнённую одежду; промыть кожу водой с мылом
Медицинская помощь: Наблюдать за возможным отсроченным отёком лёгких; поддерживающая терапия
Антидот: Специфического антидота нет; лечение симптоматическое
Кожа: Промывать водой в течение 15+ минут; снять загрязнённую одежду
Глаза: Промывать в течение 30+ минут; не использовать нейтрализующие растворы
Проглатывание: Не вызывать рвоту; дать воду или молоко, если пострадавший в сознании
Разливы: Нейтрализовать гидрокарбонатом натрия; не допускать выделения тепла
• Белый фосфор — одно из самых опасных известных химических веществ; обращайтесь с ним только после специального обучения
• Пищевые фосфатные добавки безопасны при использовании согласно инструкции
• Промышленные соединения фосфора требуют специальных протоколов безопасности
• Перед обращением с любым соединением фосфора всегда изучайте паспорта безопасности (SDS)
Краткие ответы
Фосфор (символ P) — элемент 15 в периодической таблице, представитель семейства неметалл в 3 периоде, 15 группе. Открытый при выпаривании мочи в поисках золота, фосфор светится в темноте и входит в состав каждой нити вашей ДНК. При комнатной температуре это твёрдое вещество.
[Ne] 3s² 3p³; она включает 3 занятые электронные оболочки с распределением 2, 8, 5. На внешней оболочке находится 5 электронов, что определяет характер химических связей.Фосфор плавится при 317.3 K (44.2 °C) и кипит при 553.7 K (280.6 °C).
Стандартная атомная масса Фосфор составляет 30.974 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Фосфор составляет 1.823 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Фосфор примерно в 1.8× тяжелее.
Электроотрицательность Фосфор по шкале Полинга составляет 2.19. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Фосфор был открыт в 1669 году Hennig Brand. Назван в честь греческое phosphoros, «несущий свет».
На долю Фосфор приходится около 0.11% земной коры — его достаточно много, чтобы добывать его в промышленных масштабах.