Строение
Это не схема 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 связей.
Измеренные значения
Каждая полоса показывает, какое место фосфор занимает среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные массы IUPAC 2021 года · Справочник химии и физики CRC · NIST. Значения, отмеченные ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Radius 107 pm — that is 0.107 nm, so about 4673 million of them side by side would span a millimetre.
Тепловой диапазон
Фосфор is liquid over a 236 K window, from 317 K to 554 K.
История
Необходим для ДНК, РНК и АТФ. Светится в темноте (белый фосфор).
Фосфор примечателен тем, что 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 конечном итоге изменил наше понимание самой жизни.
В Европе XVII века алхимия постепенно превращалась в раннюю химию, но мечта превратить неблагородные металлы в золото по-прежнему вдохновляла многих исследователей. Гамбургский торговец и алхимик-любитель Хенниг Бранд (ок. 1630–1692) считал, что сможет извлечь золото из человеческой мочи из-за её золотистого цвета.
Бранд был бывшим солдатом, ставшим торговцем, 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 примерно 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 самопроизвольно воспламенявшееся 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, восстановив фосфат костей в моче:
2Ca₃(PO₄)₂ + 6SiO₂ + 10C → P₄ + 6CaSiO₃ + 10CO
Органические вещества в разложившейся моче обеспечили углерод, необходимый для восстановления фосфатных соединений, в результате чего образовался пар белого фосфора, сконденсировавшийся в его приборе.
Открытие Бранда вызвало сенсацию в европейских научных кругах. Светящееся вещество, казалось, нарушало законы природы, что породило как научный интерес, так и сверхъестественные толкования.
Иоганн Кункель (1676): немецкий химик подтвердил открытие Бранда и усовершенствовал метод получения
Роберт Бойль (1680): английский учёный независимо повторно открыл фосфор и представил его Королевскому обществу
Готфрид Лейбниц (1677): известный философ писал о фосфоре как о «чудесном веществе»
Секретная формула: Бранд поначалу держал свой метод в тайне, надеясь получить прибыль от открытия. Он продавал небольшие количества фосфора за огромные суммы — в пересчёте на сегодняшние деньги это составляло тысячи долларов за грамм.
Несмотря на попытки Бранда сохранить секрет, сведения о получении 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.
Роберт Бойль (1627–1691)Английский химик и один из основателей Королевского общества. Бойль независимо открыл фосфор в 1680 году и провёл первое систематическое изучение его свойств. Он ввёл множество терминов, используемых до сих пор, и утвердил фосфор как настоящий химический элемент.
Андреас Маргграф (1709–1782)Немецкий химик, который в 1740 году впервые показал, 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 с трудом понимали его свойства и состав.
1680: Бойль устанавливает, что фосфор является элементом, а не соединением
1740: Маргграф обнаруживает фосфор в костях и тканях животных
1769: Иоганн Ган и Карл Вильгельм Шееле выделяют фосфорную кислоту
1777: Антуан Лавуазье доказывает, что фосфор является элементом, в своей новой химической номенклатуре
1844: Йёнс Якоб Берцелиус определяет атомную массу фосфора
1865: в Англии начинается первое промышленное производство фосфора
Разработка спичек, зажигающихся от трения, в 1830-х годах создала первый крупный коммерческий спрос на фосфор и привела к промышленному производству.
1827: Джон Уокер изобрёл спички, зажигающиеся от трения, с использованием белого фосфора
1845: Антон фон Шрёттер открыл красный фосфор, более безопасный для производства спичек
1855: в Европе и Америке основаны первые фосфорные фабрики
Кризис здоровья рабочих: фабрики по производству спичек из белого фосфора вызывали «фосфорную челюсть» — ужасное заболевание костей, поражавшее рабочих. Это привело к международным кампаниям за более безопасные спички с красным фосфором и в конечном итоге к запрету спичек с белым фосфором.
Осознание биологической важности фосфора постепенно пришло благодаря биохимическим исследованиям XIX и XX веков.
1869: Фридрих Мишер выделил «нуклеин» (ДНК) из ядер белых кровяных клеток, богатых фосфором
1919: Фебус Левен идентифицировал фосфор как необходимый компонент структуры ДНК
1929: Карл Ломанн открыл АТФ (аденозинтрифосфат) как универсальный источник энергии клетки
1953: структура ДНК, раскрытая Уотсоном и Криком, показала роль фосфора в передаче генетической информации
1961: хемиосмотическая теория Питера Митчелла объяснила синтез АТФ с участием фосфора
От случайного открытия Бранда в протухшей моче до современного понимания фосфора как жизненно важного элемента — эта история представляет собой один из самых remarkable путей в истории химии.
Невероятное наследие Бранда: гамбургский торговец, искавший золото в моче, случайно открыл элемент, делающий возможной всю жизнь. Каждая молекула ДНК, каждый перенос энергии с участием АТФ, каждая кость и каждый зуб содержат фосфор — поэтому открытие Хеннига Бранда в 1669 году можно считать, пожалуй, самым значимым для биологии открытием в истории человечества.
Применение
Фосфор — буквально элемент жизни, необходимый для ДНК, переноса энергии АТФ и формирования костей. Его промышленное применение охватывает сельское хозяйство и современные 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: Фосфатную руду (Ca₁₀(PO₄)₆F₂) обрабатывают серной кислотой для получения фосфорной кислоты (H₃PO₄) — основы фосфатных удобрений.
Ca₁₀(PO₄)₆F₂ + 10H₂SO₄ + 20H₂O → 10CaSO₄·2H₂O + 6H₃PO₄ + 2HF
Основные фосфатные удобренияГлобальное воздействие: 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 имеют фундаментальное значение для процессов 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 антипиренов до производства полупроводников.
Фосфорсодержащие антипирены действуют одновременно в газовой и конденсированной фазах, обеспечивая превосходную огнезащиту полимеров и текстиля.
Фосфорорганические соединения обеспечивают защиту от экстремальных давлений и износа в автомобильных и промышленных смазочных материалах.
Высокочистые соединения фосфора играют важную роль в производстве полупроводников и электронных материалов.
Фосфин (PH₃): легирующая примесь n-типа 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 военного и специализированного применения.
Фосфор служит ключевым строительным блоком для многочисленных специальных химических веществ в различных отраслях промышленности.
Фосфор затрагивает все стороны жизни человека, часто незаметно, но всегда играя важную роль. От пищи, которую мы едим, до технологий, которыми мы пользуемся, соединения фосфора делают современную жизнь возможной.
Фосфор образует основу генетического материала, храня и передавая наследственную информацию
ATP (аденозинтрифосфат) запасает и высвобождает энергию для всех клеточных процессов
85% фосфора организма находится в костях в виде кристаллов фосфата кальция, обеспечивающих прочность
Фосфолипиды образуют барьеры клеточных мембран, контролируя вход и выход веществ из клеток
Суточная потребность взрослых в фосфоре
Фосфор составляет такую долю массы тела (около 1.4 фунта у среднего взрослого)
Фосфора организма хранится 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 всей массе вашего тела. Без фосфора не существовало бы жизни на Земле в известном нам виде.
Откуда он берётся
1050 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 91% of elements
Фосфор составляет приблизительно 0,1% земной коры по массе, 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, существуя 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 руды, содержащей минералы апатита
Скопления птичьего и летучемышиного помёта образуют богатые фосфором месторождения:
Историческое значение: месторождения гуано в Перу были настолько ценными, что стали причиной Тихоокеанской войны (1879–1884)
Образуются в результате выветривания и изменения первичных фосфатов:
Космическое происхождение фосфора связано с ядерными печами массивных звёзд на заключительных этапах 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 звёздных условий, поэтому он относится к «узким местам» для жизни — потенциально ограничивая биологическое развитие во Вселенной.
Космическая распространённость: фосфор занимает 17-е место по распространённости среди элементов во Вселенной, его концентрация в звёздном веществе составляет около 7 частей на миллион.
Фосфатные месторождения сосредоточены в определённых геологических регионах, создавая стратегическую зависимость мировой сельскохозяйственной и промышленной деятельности 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-Вэлли
Дополнительные месторождения: Северная Каролина, Айдахо, Юта
Фосфор участвует в уникальном биогеохимическом цикле как единственный основной питательный элемент, не имеющий значимого атмосферного компонента, что делает его потенциально ограничивающим фактором для жизни на Земле.
Продолжительность цикла: полный круговорот фосфора занимает миллионы лет, что делает его самым медленным из всех биогеохимических циклов.
Океаны содержат приблизительно 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, начиная масштабный 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-Вэлли во Флориде создаёт крупные запасы фосфатов в США
Пик фосфора: учёные предполагают, что пик добычи высококачественной фосфатной руды может быть достигнут к 2030–2040 годам, создавая потенциальные угрозы глобальной продовольственной безопасности. Переработка и повышение эффективности имеют решающее значение для устойчивого управления фосфором.
Обращение
Безопасность фосфора существенно различается в зависимости от его формы. Фосфатные соединения в целом безопасны и необходимы для жизни, однако элементарный фосфор (особенно белый фосфор) чрезвычайно опасен и требует применения специальных протоколов безопасности.
Температура воспламенения: 30°C (86°F) — самопроизвольно воспламеняется на воздухе
Требования к хранению: Должен храниться под водой или в инертной атмосфере
Токсическая доза: Всего 1mg/kg массы тела может оказаться смертельным
Механизм: Нарушает клеточный метаболизм, вызывает полиорганную недостаточность
⚠️ НЕМЕДЛЕННАЯ ОПАСНОСТЬ: Белый фосфор горит при температуре 5000°F, проникает в кожу и продолжает гореть внутри тканей. При воздействии немедленно вызовите экстренные службы.
Температура воспламенения: 260°C (500°F) — значительно безопаснее белого фосфора
Токсичность: В небольших количествах обычно считается нетоксичным
Применение: Безопасные спички, антипирены, фейерверки
Меры предосторожности: Избегать вдыхания пыли, предотвращать статические разряды
Пищевые фосфаты: FDA в целом признаёт их безопасными (GRAS)
Ежедневное потребление: Взрослым рекомендуется 700-1000mg фосфора
Верхний предел: 4000mg 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 запах, напоминающий чеснок
Применение: Легирование полупроводников, фумигация
Защита: Респираторы с подачей воздуха, системы обнаружения газа
OSHA PEL: 1 mg/m³ (8-часовое TWA)
Концентрация: Растворы 85% чаще всего используются в промышленности
Опасности: Вызывает коррозию кожи, глаз и дыхательных путей
Необходимые СИЗ: Кислотостойкие перчатки, лицевые щитки, 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, подёргивание мышц, дыхательная недостаточность
Антидот: Атропин и пралидоксим в тяжёлых случаях
Профилактика: Полный комплект СИЗ, процедуры обеззараживания
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; немедленно доставить в ожоговый центр
Эвакуация: Вывести пострадавшего из загрязнённой зоны на свежий воздух
Обеззараживание: 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; избегать выделения тепла
• Белый фосфор — одно из самых опасных известных химических веществ; обращаться с ним следует 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 (symbol P) is element 15 on the periodic table, a неметалл 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.Фосфор melts at 317.3 K (44.2 °C) and boils at 553.7 K (280.6 °C).
The standard atomic weight of Фосфор is 30.974 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
Фосфор has a density of 1.823 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of фосфор is about 1.8× heavier.
Фосфор 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.
Фосфор was discovered in 1669 by Hennig Brand. It is named after greek phosphoros, "light-bearer".
Фосфор makes up about 0.11% of the Earth's crust — common enough to be mined at scale.