Първоначално изолиран от алхимик, който изпарил 5700 литра урина в търсене на злато. Свети в тъмното — първоначалната „студена светлина".

Фосфор (P) — химичен елемент №15

През 1669 година германски алхимик изпарява хиляди литри човешка урина в търсене на злато — и вместо това получава нещо, което свети в тъмното. Фосфорът е открит случайно, от грешен човек, с грешна цел, но се оказва един от най-важните елементи за живота на Земята. Без него нямаше да има нито ДНК, нито АТФ, нито зъби, нито кости.

Характеристика	Стойност
Атомен номер	15
Атомна маса	30.974 u
Категория	Реактивен неметал
Период / Група	3 / 15
Електронна конфигурация	[Ne] 3s² 3p³
Електроотрицателност	2.19 (Полинг)
Плътност	1.82 g/cm³
Точка на топене	317 K (44°C)
Точка на кипене	550 K (277°C)
Откривател	Хениг Бранд
Година на откриване	1669 г.

История на откриването

Хениг Бранд е хамбургски търговец, загубил богатството си и решил да го върне по алхимичен път. Теорията му е проста до наивност: урината е жълта, златото е жълто — значи трябва да има връзка. За да я провери, той събира около 5700 литра урина, оставя я да ферментира в продължение на дни (съседите на Бранд определено не го харесват), след което я изпарява, нагрява остатъка до червено и прекарва парите му през вода. На 15 декември 1669 година получава бяла восъчна субстанция, която свети в тъмното с блед зеленикав блясък. Злато няма и следа, но Бранд кръщава откритието си „студена светлина" — на гръцки phosphoros, „носещ светлина".

Бранд пази тайната в продължение на години и продава сведения за процеса на различни хора. Един от тях е Йохан Даниел Крафт, който обикаля европейските дворове и демонстрира светещото вещество пред Луи XIV. Едва по-късно химикът Роберт Бойл успява самостоятелно да разработи метод за получаване на фосфор и публикува резултатите. Така фосфорът става първият химичен елемент, открит в исторически засвидетелствано време — всичко преди него (желязо, мед, злато, живак) е известно от дълбока древност.

Столетие по-късно Антоан Лавоазие доказва, че фосфорът е самостоятелен елемент, а не съединение. През 1777 година той изгаря фосфор и показва, че продуктът е фосфорна киселина — наблюдение, което влиза в основата на неговата реформа на химичната номенклатура. Ако искате да проследите пълната картина на елементите, разгледайте периодичната таблица на елементите, където фосфорът заема своето място в група 15, точно под азота.

Физични свойства

Фосфорът е рядък сред елементите с нещо: той съществува в няколко коренно различни алотропни форми, всяка от които изглежда и се държи като съвсем различно вещество.

Белият фосфор е най-известната форма — восъчно твърдо вещество с точка на топене само 44°C. При стайна температура той е достатъчно летлив, за да реагира с кислорода от въздуха, и светлинното излъчване (хемилуминесценция) е точно този процес: бавно окисление. Съхранява се под вода именно защото на въздуха самовъзпламенява при около 34°C — дори под точката на топене му.

Червеният фосфор е термодинамично по-стабилен. Получава се от белия при нагряване около 250°C без достъп на въздух. Не свети, не самовъзпламенява и не е токсичен в същата степен. Плътността му е малко по-висока. Черният фосфор пък е най-стабилната форма, прилича структурно на графита и провежда електричество — нещо напълно необичайно за неметал. Получава се при много високо налягане и е обект на активни изследвания в нанотехнологиите заради слоестата си структура, напомняща на графен.

Химични свойства

Фосфорният атом има пет валентни електрона и проявява окислителни степени от −3 до +5, което го прави изключително гъвкав химически партньор. Най-честата степен в природата е +5, характерна за фосфатите — съединенията, от които е изграден скелетът на живите организми.

Белият фосфор реагира бурно с кислорода, халогените и много метали. С хлор образува фосфорен трихлорид (PCl₃) и фосфорен пентахлорид (PCl₅) — и двата са важни реагенти в органичния синтез. С натрий реагира при нагряване и дава натриев фосфид (Na₃P). Фосфинът (PH₃) е газ с неприятна миризма, напомняща на чесън, токсичен и запалим — той е фосфорният аналог на амоняка.

Фосфорната киселина (H₃PO₄) е умерено силна трипротонна киселина. Нейните соли — фосфатите — са навсякъде около нас: в почвата, в костите, в клетките. Фосфатните йони са ключов буфер в биологичните системи, поддържащ pH в тъканите. Интересно е, че фосфорът образува не само фосфати (степен +5), но и фосфити (+3) и хипофосфити (+1), всеки с различна химична реактивност.

Къде го срещаме

Глобалното производство на фосфор е практически монополизирано от фосфоритните руди — скали, богати на калциев фосфат. Мароко контролира над 70% от световните резерви. Тези руди се добиват, преработват до суперфосфат и се пръскат върху полетата: три четвърти от цялото производство отива в торовата промишленост. Без синтетични фосфорни торове съвременното земеделие не може да изхрани осем милиарда души.

Червеният фосфор покрива страничната лента на кибритените кутии. Когато главичката на клечката (съдържаща антимонов сулфид и калиев хлорат) се търка о тази лента, триенето запалва микрочастици от фосфора, а те от своя страна запалват основната смес. Преди изобретяването на безопасните кибрити през 1850-те, кибритчийските фабрики използвали бял фосфор — с катастрофални последици за здравето на работниците, развивали „фосфорна челюст", некроза на костите на лицето.

Фосфорните съединения стоят зад детергентите (макар фосфатите да са забранени в перилните препарати в много страни заради еутрофикацията на водоемите), зад някои антипиренни добавки в пластмасите и зад нервно-паралитичните отрови — зарин, VX. Последните са фосфорорганични съединения, блокиращи ензима ацетилхолинестераза. Инсектицидите от типа малатион и паратион действат по същия механизъм.

Биологична роля

Фосфорът е буквално вградена в основата на живота. ДНК и РНК са полинуклеотидни вериги, свързани именно чрез фосфодиестерни мостове — без фосфора генетичният код би нямал гръбнак, в буквален смисъл. Аденозин трифосфатът (АТФ) е универсалната „валута" на клетъчната енергия: хидролизата на фосфатната връзка освобождава около 30.5 kJ/mol, което задвижва мускулното свиване, синтеза на протеини и транспорта на йони.

В тялото на възрастен човек има около 700 грама фосфор. От тях 85% са в костите и зъбите под формата на хидроксиапатит — Ca₅(PO₄)₃(OH). Останалото е разпределено в меките тъкани и кръвта. Дефицитът на фосфор (хипофосфатемия) води до мускулна слабост, болки в костите и нарушена функция на еритроцитите. Прекомерното количество пък (при бъбречна недостатъчност) нарушава калциевия баланс и уврежда съдовете.

Дневната нужда на възрастен човек е около 700 mg, лесно покриваема с обичайна диета — месото, рибата, млечните продукти и бобовите са богати на фосфати. За разлика от много микроелементи, дефицитът на фосфор при нормално хранене е рядкост.

Любопитни факти

Кое е по-опасно — белият или червеният? Двете алотропни форми са изградени от едни и същи атоми, но белият фосфор е изключително токсичен (смъртоносна доза за човек — около 50 mg), докато червеният е практически нетоксичен. Разликата е изцяло в структурата: белият се изгради от молекули P₄ с напрегнати връзки, лесно реагиращи с тъканите.

„Блатни огньове" и призраци. Феноменът на блуждаещите светлини над блата и гробища (известен като ignis fatuus или „блатен огън") дълго е приписван на фосфин, отделян при разлагане на органична материя. Съвременните изследвания са по-скептични, но идеята, че привидения са просто самозапалващ се PH₃, е определено по-проза от легендата.

Фосфорните бомби. Белият фосфор е използван като военно оръжие — запалва се на въздух, гори при 1300°C и не може да бъде угасен с вода. Конвенциите от Женева ограничават употребата му срещу цивилно население, но технически не го забраняват напълно, което е продължаваща юридическа и морална дискусия.

Фосфорът е невъзобновим ресурс. За разлика от въглерода и азота, фосфорът няма значителен газообразен резервоар в атмосферата. Веднъж изнесен в морето с отпадни води, той е практически загубен от гледна точка на земеделието. Учените предупреждават за „пик фосфор" — момента, когато добиваемите резерви ще започнат да намаляват. Проблемът е реален, но засега остава встрани от публичното внимание.

Сто хиляди литри урина за килограм фосфор. Съвременните оценки показват, че методът на Хениг Бранд е бил удивително неефективен — за един килограм фосфор са нужни около 100 000 литра урина. Иронично е, че днес се изследва рекуперирането на фосфор именно от отпадни води, защото ресурсът е толкова ценен, а резервите —

Разгледайте всички Химия в Uchitel.bg →