Фосфор (лат. phosphorus, көне грекше: φωσφόρος; P) — элементтердің периодтық жүйесінің V тобындағы химиялық элемент, реттік нөмірі – 15, атомдық массасы 30,97. Бірнеше түрі бар: ақ фосфор – тығыздығы 1,828 г/см3; балқу температурасы – 44,14°С; қызыл фосфор – тығыздығы 2,31 г/см3; балқу температурасы – 593°С.
| |||||||||||||||
| Жай заттың сыртқы бейнесі | |||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| балауыз ақ, сары, қызыл, күлгін, қара металл  балауыз ақ (сары кесу), қызыл (сол жақтағы түйіршіктер, оң жақтағы бөлік) және күлгін фосфор | |||||||||||||||
| Атом қасиеті | |||||||||||||||
| Атауы, символ, нөмірі | Фосфор, 15 | ||||||||||||||
| Топ типі | Басқа бейметалдар | ||||||||||||||
| Топ, период, блок | 15, 3, p | ||||||||||||||
| Атомдық масса (молярлық масса) | 30,973762(2) м. а. б. (г/моль) | ||||||||||||||
| Электрондық конфигурация | [Ne] 3s2 3p3, | ||||||||||||||
| Қабықшалар бойынша электрондар | 2, 8, 5 | ||||||||||||||
| Атом радиусы | 128 пм | ||||||||||||||
| Химиялық қасиеттері | |||||||||||||||
| Ковалентті радиус | 107±3 пм | ||||||||||||||
| Ван-дер-Ваальс радиусы | 180 пм | ||||||||||||||
| Ион радиусы | 35 (+5e) 212 (-3e) пм | ||||||||||||||
| Электртерістілігі | 2,19 (Полинг шкаласы) | ||||||||||||||
| Электродты потенциал | 0 | ||||||||||||||
| Тотығу дәрежелері | 5, 3, 1, 0, −1, −3 | ||||||||||||||
| Иондалу энергиясы | 1-ші: 1011,2(10,48) кДж/моль (эВ) | ||||||||||||||
| Жай заттың термодинамикалық қасиеттері | |||||||||||||||
| Термодинамикалық фаза | |||||||||||||||
| Тығыздық (қ.ж.) | (ақ фосфор) 1,82 г/см³ | ||||||||||||||
| Балқу температурасы | 44,15 °C (317,3 K) | ||||||||||||||
| Қайнау температурасы | 279,85 °C (553 K) | ||||||||||||||
| Балқу жылуы | 2,51 кДж/моль | ||||||||||||||
| Булану жылуы | 49,8 кДж/моль | ||||||||||||||
| Молярлық жылусыйымдылық | 21,6 Дж/(K·моль) | ||||||||||||||
| Молярлық көлем | 17,0 см³/моль | ||||||||||||||
| |||||||||||||||
| |||||||||||||||
| Жай заттың кристаллдық торы | |||||||||||||||
| Тор құрылымы | кубтық, көлемдік центрленген | ||||||||||||||
| Тор параметрлері | 18,800 Å | ||||||||||||||
| Басқа да қасиеттері | |||||||||||||||
| Жылуөткізгіштік | (300 K) (0,236) Вт/(м·К) | ||||||||||||||
| CAS нөмірі | 7723-14-0 (қызыл) | ||||||||||||||
Химиялық элементтердің периодтық жүйесінде фосфор III периодта, V топтың негізгі топшасында орналасқан. Салыстырмалы атомдық массасы 31, реттік нөмірі (ядро заряды) 15.
Атом құрылысы
Фосфор атомында барлығы 15 электрон бар, 5 электрон соңғы энергетикалық деңгейде орналасқан (валентті электрондар),үш электрон жұптаспаған. Электрондық формуласы: 1s22s22p63s23p3 немесе қысқаша [Ne]3s23p3.
Фосфор косылыстарында -3, +3, +5 тотығу дәрежесін көрсетеді.
Фосфордың ұшқыш сутекті қосылысы фосфин РН3 мен аммиак NH3 молекулалары формасы жағынан ұқсас болғанмен, фосфин молекуласы берік емес, улы, тұрақсыз газ, тез тотығып кетеді.
Изотоптар
Фосфордың 22 изотопы бар, P26-дан P47 ге дейін. Бірақ табиғатта P31 изотопы ғана кездеседі.
Тарихы
Фосфорды алғаш ашқан – Гамбургтік алхимик Геннинг Бранд (1669 жылы). Басқа да алхимиктер тәрізді Бранд қарттарды жасартып, сырқаттарды жазатын өмір элексирі мен асыл емес металдарды алтынға айналдыратын философиялық тасты табуға әрекет жасады. Брандты алға жетелеген адамдардың қамы емес, оның байлыққа құмарлығы болды. Ол жайлы бұл алхимиктің жасаған нағыз, әрі жалғыз табысының тарихи дәйектері куәландырады. Бір тәжірибенің барысында ол зәрді буландырып, алынған қалдықты көмір және құм қосып, буландыруды жалғастырды. Кейін ретортада қараңғыда жарық шығаратын зат түзілді. «Рас», «kaltes Feuer» («суық от») немесе «менің отым» деп Бранд атаған зат қорғасынды алтынға айналдырмады және қарттардың сырт келбетін өзгертпеді, бірақ алынған заттың қыздырусыз жарқырауы ерекше, әрі таңсық болды. Жаңа заттың бұл қасиетін пайдалануды Бранд көп созбады. Ол фосфорды беделді адамдарға көрсетіп, олардан сыйлықтар және ақша ала бастады. Фосфордың алыну құпиясын сақтау оңай болмағандықтан, ол оны дрездендік химик И. Крафтқа сатып жіберді. Фосфорды алудың әдістемесі И.Кункель мен К.Кирхмейерге белгілі болғаннан кейін оны көрсетушілер саны көбейді. 1680 жылы жаңа элементті, алдындағыларға тәуелсіз, ағылшын физигі әрі химигі Роберт Бойль алды. Бірақ көп кешікпей Бойль қайтыс болды, ал оның шәкірті А.Ганквиц таза ғылымға сатқындық жасап, «фосфор спекуляциясын» қайта жандандырды.
Тек 1743 жылы А. Маркграф фосфорды алудың жетілген әдісін тауып, өз мәліметтерін көпшілік назарына жариялады. Бұл оқиға брандтық бизнеске нүкте қойып, фосфор және оның қосылыстарын тыңғылықты зерттеуге бастама болды.
Физикалық қасиеттері
Фосфор элементі жай зат ретінде бірнеше аллотропиялық түрөзгерісін түзеді. Оның маңыздылары — ақ және қызыл фосфор. Ақ фосфор улы жөне тез тұтанатын болғандықтан аса ұқыптылықты қажет етеді. Оның буымен демалуға болмайды. Ақ фосфорды шыны ыдыста, су астында, сыртынан құм салынған металл банкаға орналастырып сақтайды. Ақ фосфор ауасыз кеңістікте қыздырғанда қызыл фосфорға, ал жоғары қысымда қара фосфорға айналады. Қара фосфор аз кездеседі.
Аллотропия
Фосфордың 3 негізгі аллотропы бар: ақ фосфор, қызыл фосфор және қара фосфор.
Ақ фосфор
Ақ фосфор бұл суда ерімейтін, жұмсақ молекулалардан тұратын қатты зат. Ол улы және оңай тұтанады. Ақ фосфор P4 (тетрафосфор) молекулаларынан тұрады, P4 молекулалары тетраэдр фигурасына ұқсайды. Ақ фосфор 44 °C температурасында балқиды, 280.6 °C температурасында қайнайды, ал 830 °C температурасында ыдырайды. Ақ фосфор қараңғыда жасыл түспен жарқырайды.
Қызыл фосфор
Қызыл фосфордың структура полимер сияқылды немесе басқаша аморфты деп айтуға болады. Ақ фосфорға қарағанда ол улы емес, және қараңғыда жарқырамайды. Қызыл фосфор ақ фосфорды ауа болмаған кезде 250 °C (523 К) дейін қыздыру немесе оны күн сәулесінің әсеріне ұшырату арқылы түзілуі мүмкін.
Ақ және қызыл фосфордың негізгі қасиеттері:
| Ақ фосфор | Қызыл фосфор |
|
|
Химиялық қасиеттері
Фосфор тотықтырғыш (азоттан темен) және тотықсыздандырғыш қасиет көрсетеді. Тотықсыздандырғыш ретінде оттекпен және белсенді бейметалдармен реакцияға түседі.
Бейметалдармен
Фосфор оттекте жанғанда фосфор пентаоксидін түзеді:
![{\displaystyle {4\,\mathrm {P} {}+{}5\,\mathrm {O} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}\mathrel {\longrightarrow } {}2\,\mathrm {P} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{5}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5b6e8545a6b6a40dbb813c6e81e2ba6f4781cd14)
Бірақ егер оттек жетпесе онда фосфор триоксидін түзеді:
![{\displaystyle {4\,\mathrm {P} {}+{}3\,\mathrm {O} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}\mathrel {\longrightarrow } {}2\,\mathrm {P} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{3}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7a9d4335c0c669d7bd323a12782f69161a5e208e)
галогендермен галогенидтер береді:
![{\displaystyle {2\,\mathrm {P} {}+{}5\,\mathrm {Cl} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}\mathrel {\longrightarrow } {}2\,\mathrm {PCl} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{5}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c8c6efd4bf7e3e851837c8ec1cf36212c70e9b8b)
күкіртпен сульфид түзеді:
![{\displaystyle {2\,\mathrm {P} {}+{}3\,\mathrm {S} {}\mathrel {\longrightarrow } {}\mathrm {P} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {S} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{3}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8b14a507166c161c69a947d0cf648bb6ef8da210)
Металдармен
Фосфор металдармен бинарлы қосылыстар - фосфидтер түзеді:
![{\displaystyle {3\,\mathrm {Ca} {}+{}2\,\mathrm {P} {}\mathrel {\longrightarrow } {}\mathrm {Ca} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{3}}\mathrm {P} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/dd8c03a03cb56d3ad23e681fe6e4ecde81229be8)
Фосфидтерде фосфор тотықтырғыш болады, және оның осы қосылыстарда тотығу дәрежесі -3. Фосфидтер сумен әрекеттесіп, фосфин түзеді. Фосфин бұл аммиактың аналогы, өте улы газ, ол суда, көміртек сульфидінде, бензолда, циклогександа, эфирде ериді.
Мырыш фосфиді — зиянкес кемірушілермен күресуде қолданылатын препарат.
Шырпының басына жанғыш заттар — күкірт пен бертолле түзының қоспасы жағылады. Қораптың жақтауына қызыл фосфор мен шыны үнтағы желіммен отырғызылады. Шырпының басын қорапқа үйкегенде, қызыл фосфор бертолле тұзынан от алып, тез түтанады.
Фосфор айналымы
Фосфор өткен геологиялық дәуірде түзілген қабаттар құрамында болады. Ол қабаттардан біртіндеп шайыладыда, экожүйеге түседі немесе адам фосфор тыңайтқышы ретінде егістікке енгізіледі. Өсімдіктер фосфордың бір бөлігін ғана сіңіреді, ал қалған бөлігін өзендерге, теңіздерге, мұқиттарға ағызып құяды, сөйтіп қайтадан тұнбаға шөгеді. Фосфор балық ағсасында өте көп мөлшерде болады. Ауланған балық қалдығымен бірге қайтадан құрлыққа оралады.
Қызметі
- Газдық қызмет: фотосинтезге және азоттұрақтандыру нәтижесінде газдардың биогендік орын ауыструы.
- Концентрациялық қызмет: тірі ағзалардың сыртқы ортаға шашыраған химиялық элементтерді жинауы.
- Тотығу-тотықсыздандыру қызмтеті: заттар күйінің өзгеруі.
- Биохимиялық қызмет: сан алуан заттардың ағзаларындағы күрделірек өзгерістер жасайды.
Фосфордың биологиялық маңызы
Фосфор — күш-қуат көзі.
Қаңқаның мықтылығы құрамындағы фосфор мен кальцийдің мөлшеріне тығыз байланысты. Фосфордың мөлшері кальцийден бір жарым есе көп болуы керек. Ондай болмаған жағдайда тепе-теңдік мөлшерін белгілі бір деңгейде ұстап тұру үшін жеткіліксіз мөлшерін сүйектегі қордан алады. Бірақ D витамині оның арақатынасын реттеп отырады. Фосфор жүйке жасушаларының қызметі үшін де керек. Сондықтан оның мөлшері барлық уақытта біркелкі болуы керек. Фтор, стронций адам тісінің мықты болуына әсер етеді.
Фосфор — аралық зат алмасу процесінде маңызды рөл атқарады. Оның қатысуымен көмірсулардың фосфорлану процесі жүреді, қанның қышқыл-сілігілік тепе-теңдігі қамтамасыз етіледі, бұлшық еттің жиырылуын қуаттандыратын биохимиялық процестер атқарылады.
Фосфор ақуызы мол ет, сүт өнімдерінде кездеседі.
Қолданылуы
Қызыл фосфор сіріңке өндірісінде, пиротехникада және фосфор кышкылын алуға пайдаланылады. Фосфор ауыл- шаруашылык зиянкестерімен күресу үшін кажет улы химикаттар алу үшін қолданылады.
Фосфордың ақ және қызыл түрөзгерісі бар. Ақ фосфор химиялық белсенді болып келеді. Сондықтан ақ фосфорды қараңғыда су астында сақтайды. Ақ фосфорды ауасыз ортада қыздырса, қызыл фосфор алынады. Қызыл фосфор сіріңке өндіруде, пиротехникада қолданылады. Фосфор жай және күрделі заттармен өрекеттеседі. Қазақстанда фосфор шикізатының қоры Жамбыл (Қаратау) және Ақтөбе (Шилісай) облыстарында бар.
Фосфор сіріңке және улы химикаттар өндірісінде пайдаланылады.
Фосфорды негізгі пайдалану тыңайтқыштарын өндіруге арналған. Бұл элемент сонымен қатар алауда, қауіпсіздіктің сәйкестіктеріне, жарық шығаратын диодтарда және болат өндірісінде қолданылады. Фосфаттар кейбір жуғыш заттарда қолданылады.
Ақ, қызыл фосфор Н3РО4 алуда, жанғыш қоспалар дайындау үшін қолданылады.
![{\displaystyle {\mathrm {P} {}+{}5\,\mathrm {HNO} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{3}}{}\mathrel {\longrightarrow } {}\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{3}}\mathrm {PO} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}{}+{}5\,\mathrm {NO} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\uparrow {}{}+{}\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} }}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d3de293d61585f9c7489395dc9726cea54928368)
Табиғатта кездесуі
Табиғатта фосфор тау жыныстары мен минералдарда қосылыс түрінде кездеседі. Мысалы, фосфорит және апатитте кальций фосфаты Са3(РO4)2 түрінде болады. Қазақстанда Жамбыл облысындағы Қаратау маңында фосфорит кенінің мол қоры бар екені 1935 жылдан белгілі. Қазір Қаратау бассейні негізінде "Жаңатас байыту комбинаты" жұмыс істейді. Ақтөбе облысында фосфорит кен орнын (Шилісай, т.б.) игеру жоспарланып отыр. Осы кен орындары негізінде фосфорды өңдейтін зауыттар Таразда, Шымкентте және Ақтөбеде бар.
Азот тәрізді фосфор да өсімдік пен жануар нәруызының негізгі құрам бөлігі. Фосфор өсімдіктердің дәнінде, жануарлардың сүтінде, қанда, ми мен жүйке ұлпаларында кездеседі. Мысалы, ересек адамдардың сүйегінде 600 г, ет ұлпасында 56 г, жүйке жүйесінде 5 г-ға дейін фосфор болады. Барлық сүтқоректілердің сүйегі құрамында фосфор Са3(РO4)2 немесе ЗСа3(РO4)2•СаСO3•Н2O түрінде болады. Осындай фосфаттар сүтқоректілер қаңқасына беріктік қасиет береді. Жануарлар мен адамдар фосфорды өсімдік арқылы қабылдайды. Фосфор қосылыстары тіршіліктегі барлық зат алмасу процестеріне қатысады.
Алынуы
Бос күйіндегі фосфорды алу үшін табиғи фосфатты электр пеште кремний (IV) оксиді мен көмірді косып қыздырады. Бөлінген фосфордың буын су астында ақ фосфор Р түрінде бөліп алады. Реакция теңдеуі:
![{\displaystyle {\mathrm {Ca} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{3}}(\mathrm {PO} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}){\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}+{}3\,\mathrm {SiO} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}+{}5\,\mathrm {C} {}\mathrel {\xrightarrow {\mathrm {t} } } {}3\,\mathrm {CaSiO} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{3}}{}+{}5\,\mathrm {CO} \uparrow {}{}+{}2\,\mathrm {P} }}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/58948e686e96ae3929b2bd0c7431dc8bbbc46295)