Фосфор, его свойства и аллотропные изменения. Фосфор биогенный элемент
Скачать 286.67 Kb.
|
1 2
| Способы получения фосфора На протяжении ста лет с момента открытия Бранда единственным источником электронного фосфора являлась моча. В 1743 Марграф усовершенствовал метод излечения элемента из мочи, предложив добавить поташ к сухому остатку после её перегонки. Гамбургский алхимик и другие исследователи смогли получить фосфор потому, что в сухом остатке содержится до 10% фосфата натрия, который при температурах 800-1000°С способен восстанавливаться углем. К концу 18 в. мочу заменили кости. В 1769 Юхан Ганн доказал, что в костях содержится большое количество фосфора. В 1771 Карл Шееле разработал способ получения фосфора из костей золы путем обработки её серной кислотой и восстановления образовавшихся кислых фосфатов углем при нагревании. В 1829 Фридрих Вёлер получил белый фосфор, нагревая костяную муку со смесью кремнезема, глины и угля. Протекающая при этом реакция легла в основу современного промышленно получения фосфора. В те времена способ Вёлера широкого распространения не получил, так как процесс проходил при высокой температуре, недоступной тогда в промышленности, поэтому еще долгое время фосфор получили по способу Шееле. Первый завод по производству фосфора был построен в Германии в 1834. В России производство фосфора было организованно молодым коммерсантом Евграфом Тупицыным в декабре 1871. Завод был построен на речке Данилихе, в Перми и насчитывал двенадцать корпусов. Фосфор получили из костей, он был значительно дешевле иностранного. Большая часть фосфора, потреблявшегося тогда в России, производилось на заводе Тупицына, хотя существовало много мелких фосфорных фабрик: в Вологде, Калуге, Боровичах и других городах. Значительный успех в процессе производства фосфора был достигнут английским инженером Джейсоном Рэдманом, который запатентовал процесс получения белого фосфора в электропечах. Несмотря на многие технологически трудности, в 1891 в Англии и Франции началось промышленное производство фосфора по методу Рэдмана. До внедрения в Европе электрического метода, Российская Империя занимала третье место в мире по производству фосфора, но потом из крупного экспортера превратилась в императора, так как английский фосфор был дешевле отечественного, получаемого из костей. Сейчас электротермический способ является основным в производстве фосфора. Химическая составляющая процесса основана на реакции Вёлера, сырьем служит фосфат кальция (фосфоритовый концентрат). Его нагревают в смеси с кварцевым песком и коксом в электрической печи при температуре около 1300°С. Сначала диксид кремния вытесняет фосфорный ангидрид из фосфата, который затем восстанавливается углеродом до элементного фосфора. Процесс можно описать двумя уравнениями реакции: 2Ca3(PO4)+6SiO2 =6CaSiO3 +P4O10 P4O10+10C=10CO+P4 Или суммарно: 2Ca3(PO4)2+6SiO2+10C=6CaSiO3+10CO+P4. Соединения фосфора и их свойства Соединения фосфора. С некоторой долей условности можно сказать, что в своих многочисленных соединениях фосфор может находиться в следующих степенях окисления: -3, -1 и от 0 до +5. Если принять, что в фосфине (PH3) фосфор находиться в низшей степени окисления -3, то все нечетные степени окисления получаются за счет последовательного добавления к фосфору атомов кислорода, каждый из которых оттягивает на себя по два электрона. Кроме того, возможность образования связей Р-Р в некоторых веществах приводит к появлению степеней окисления +2 и +4. Примеры: Р-3: фосфин РН, триэтилфосфин Р(C2H5)3; Р-1: триэтилфосфиноксид PO (C2H5)3 и диметилхлорфосфин P(CH3)2Cl; РО: простое вещество; Р+1: фосфиновая и диэтилфосфиновая кислоты; Р+2: гиподифосфористая кислота и её производные; Р+3: фосфоновые, алкилфосфоновые кислоты и их производные; Р+4: гипофосфорная кислота и её производные; Р+5 фосфорные кислоты и их производные. Важнейшие неорганические соединения фосфора: Фосфин РН3 (фосфористый водород), бесцветный газ с характерным запахом чеснока. Чистый фосфин загорается на воздухе только при 150°С, но обычно в качестве примеси он содержит следы более активного дифосфина (Р2Н4) и поэтому самовоспламеняется на воздухе при комнатной температуре. При окислении фосфина образуется фосфорная кислота: РН3+2О2=Н3РО4. Фосфористый водород растворяется в воде с образованием нейтрального раствора. Фосфин проявляет слабые основные свойства. Протонинируется (присоединяет протон) (с образованием иона РН4+) только сильными кислотами: PH3+Hi=PНi4. Образующиеся соли фосфония термически неустойчивы и разлагаются водой. Фосфины можно получить растворением белого фосфора и щелочи, действием раствора минеральных кислот на фосфиды металлов или термическим разложением фосфоновой кислот: Mg3P2+3H2SO4(p-p)=2PH3+3MgSO4 4H3PO3=PH3+H3PO4. «Блуждающие огни», возникающие иногда на болотах, являются следствием самовоспламенением фосфина, образующегося за счет биохимического восстановления органических фосфорных эфиров. Фосфин применяется в синтезе фосфорорганических соединений и высокочистого фосфора. Фосфористый водород – чрезвычайно ядовитый газ. Летальный исход наблюдается после получасового пребывания в атмосфере с концентрацией 0,05 мг/л РН3. Фосфиновая кислота (устар. Фосфорноватистая) Н3РО2, бесцветные кристаллы, расплывающиеся на воздухе и хорошо растворимые в воде, Тпл 26,5°С. В промышленности получается при кипячении белого фосфора с водой суспензией шлама Ca(OH)2 или Ba(OH)2. Образовавшийся гипофосфит кальция обрабатывают сульфатом натрия или раствором серной кислоты с целью получения гипофосфита натрия или свободной кислота, которые являются товарными продуктами. Фосфиновая кислота образует только монозамещенные соли (исключение K2HPO2). Спектроскопически доказано наличие равновесия. При нагревании фосфорноватистая кислота разлагается с образованием сложной смеси продуктов. Кислота и её соли широко применятся в качестве восстановителей (например, при никелировании), антиоксидантов алкидных смол, стабилизаторов при приведении многих реакций полимеризации. Оксид фосфора (III) (фосфористый ангидрид) Р4О6. Бесцветное, кристаллическое, очень ядовитое вещество с неприятным запахом. Тпл 23,8°С. Структуру его легко можно представить, исходя из строения белого фосфора. Получают его при неполном окислении элементного фосфора и затем очищают от примесей путем перекристаллизации из сероуглерода Р4О6 разлагается при нагревании, с водой образует фосфоновую кислоту, бурно реагирует с галогенами, легко присоединяет серу: P4O6+6H2O=4H3PO 3P4O6+12Br2=8POBr3+P4O10 P4O6+4S=P4O6S4. Фосфорная кислота Н3РО - бесцветное кристаллическое сильно гигроскопическое вещество, Тпл 74°С. Хорошо растворяется в воде, получается при взаимодействии трихлорида фосфора с водой или безводной щавелевой кислотой: PCl3+3H2C2O4=H3PO3+3CO2+3CO+3HCl. Фосфоновая (чаще её называют фосфористой) двухосновная, так как один атом водорода связан с фосфором, хотя есть доказательства существования равновесия, сильно сдвинутого вправо: P(OH)3 « H2PO3H. Не существует трехзамещенных фосфитов металлов, но получены трехзамещенные органические эфиры – P(OC2H5)3 При нагревании раствора кислоты образуется водород и фосфорная кислота. Фосфорная кислота и её соли находят органические применения в качестве восстановителей. Трихлорид фосфора РСl3 – жидкость с резким неприятным запахом, дымящая на воздухе. Ткип 75,3°С, Тпл – 40,5°С. В промышленности его получают пропусканием сухого хлора через суспензию красного фосфора в PCl3. Хорошо растворяется во многих органических растворителях, практически нацело гидролизуется водой: PCl+3H2O=H3PO3+3HCl. Находит широкое применение в органическом синтезе. Пентахлорид фосфора PCl5 – светло-желтое с зеленоватым оттенком кристаллическое вещество с неприятным запахом. Кристаллы имеют ионное строение [PCl4+][PCl6-]. Твозг. 159°С. Получается при взаимодействии PCl3 с хлором или S2Cl2: PCL3+Cl=PCl5 3PCl+S2Cl2=PCl5+2PSCl3. Гидролизуется водой до триоксихлорида: PCl5+H2O=POCl3+2HCl Находит широкое применение при получении других соединений фосфора и в органическом синтезе. Оксид фосфора (V) (фосфорный ангидрид) Р2О5. Известно несколько полиморфных модификаций пентаоксида фосфора, наибольшее значение из них имеет так называемая Н-форма и именно она производится промышленностью при сжигании фосфора в избытке сухого воздуха. Н-форма – белый кристаллический, чрезвычайно гигроскопичный порошок, возгоняющийся при 359°С. При поглощении влаги из воздуха превращается в сложную смесь метафосфорных кислот, но при взаимодействии с избытком теплой воды превращается в фосфорную кислоту: P4O10+6H20=4H3PO4. Фрагмент его «алмазоподобной» структуры можно легко получить из такового для Р4О6. Фосфорный ангидрид – наиболее сильный из известных осушающих агентов. Благодаря этому имеет широкое применение в лабораторной практике. Он дегидратирует концентрированную серную, азотную, хлорную и другие кислоты, а также многие органические соединения: 4HNO3+P4O10=2N2O5+4HPO3 2H2SO4+P4O10=2SO3+4HPO3. На практике дегидратирующая способность Р4О10 осложняется образованием на его поверхности плотной пленки фосфорных кислот. Частично этого можно избежать, используя смесь фосфорного ангидрида со стекловатой. Оксид фосфора (V) – конденсирующий и дегидратирующий агент в органическом и неорганическом синтезе. Катализатор (нанесенный на кизельгур) полимеризации изобутилена. Ортофосфорная кислота, часто называемая просто фосфорной, Н2РО4. Бесцветные кристаллы, расплывающиеся на воздухе. Тпл 38,5°С. Впервые фосфорная кислота была описана в 1680 Робертом Бойлем, который установил, что водный раствор продукта сгорания фосфора обладает кислыми свойствами. В промышленности фосфорную кислоту получают двумя способами: растворением фосфорного ангидрида в воде («сухой» процесс) и обработкой апатитового концентрата 85-90%-ой серной кислотой («мокрый» процесс): Ca10(PO4)6F2+10H2SO4+20H2O=6H3PO4+2HF+10CaSO4·2H2O Второй способ более экономичен, и большая часть кислоты (для получения удобрений) производится именно так, но чистую Н3РО4 получают первым способом. Фосфорная кислота трехосновна, однако константа диссоциации по третьей очень мала (К3=4,4·10-13), поэтому в водном растворе она титруется только до гидрофосфата, т.е. как двухосновная. Образует одно-, двух- и трехзамещенные неорганические фосфаты. Фосфорная кислота находит широкое применение в металлургии – для чистки, травления и электрополировки поверхностей металлов. Разбавленная кислота используется в качестве «преобразователя ржавчины», так как образует на поверхности железа и стали нерастворимую пленку кислого фосфата железа, предохраняющую металл от коррозии. Используется и как связующий агент во многих строительных материалах. Пищевая кислота применяется при изготовлении безалкогольных напитков и многих других продуктов. Фосфаты аммония придают огнестойкость древесине. Фосфаты кальция и натрия широко используются в пищевой промышленности (разрыхлители теста, стабилизаторы молочных продуктов), являются компонентами зубных паст и чистящих средств. Кроме того, одна из самых важных областей применения фосфатов щелочных металлов – приготовление буферных систем, самой известной из которых является смесь KH2PO4 и Na2HPO4. Фосфор – биогенный элемент В атмосфере Земли фосфор отсутствует полностью. Биохимия фосфора и его значение в питании человека. Жизнь не может существовать без фосфора, этот элемент необходим как субмикроскопическим частицам – вирусам, так и высокоорганизованным живым системам животным и человеку. Фосфор – шестой по содержанию элемент в организме человека после кислорода, водорода, углерода, азота и кальция. Количество фосфора составляет 1-1,5% от массы тела. Можно выделить несколько важнейших функций, выполняемых соединениями фосфора в организме человека: Рост и поддержание целостности костной ткани и зубов. В костях содержится примерно 85% от общего количества фосфора (в виде гидроксиапатита) в организме. Участие в катаболических и анаболических реакциях. Особенно важны содержащие фосфор коферменты – низкомолекулярные вещества небелковой природы, действующие в составе ферментов и необходимые при специфических превращениях. Некоторые коферменты многим хорошо известны – это аденозитрифосфат (АТФ), никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАТФ), флавинмононуклеод (ФМН), пиридоксальфосфат, тиаминпирофосфат, кофермент А и другие. Каждый кофермент выполняет определенную функцию в клетке. Например, гидролиз АТФ до АДФ – реакция, при сопряжении с которой потенциально эндергонические реакции (с поглощением энергии) превращаются в экзергонические (с выделением энергии) что необходимо при осуществлении важнейших биохимических процессов. Служит предшественником в синтезе фосфолипидов – эфиров фосфорной кислоты и липидов (содержат остатки глицерина или сфогнозина, жирных кислот и фосфорной кислоты). Фотолипиды обладают интересной особенностью – растворяются как в воде (за счет фосфата), так и масле (за счет углеводородного остатка жирной кислоты) и эта характерная черта делает их важным компонентом клеточной мембраны, так как такая структура оболочки позволяет проникать внутрь клетки (или из неё) как водо-, так и жирорастворимым питательным веществам. Служит предшественником в синтезе ДНК и РНК. Эти носители генетической информации были впервые выделены в 1869 Мишером и названы им нуклеином. Мишер установил содержание значительного количество фосфора в нуклеине. ДНК и РНК представляют собой двухцепочечные спирализованные полимены молекулы. Остов их образован остатками пентоз (дезоксирибозы для ДНК и рибозы для РНК) и фосфора. Важность фосфора в сохранении целостности РНК и ДНК была подтверждена на опытах с фагами (вирусами, заражающими клетки бактерий), меченными радиофосфором. Их называли фагами-самоубийцами, так как по мере распада радиоактивного фосфора, структура нуклеиновой кислоты повреждалась настолько, что это становилось летальным для вируса. Участвует (около 1% Р в организме) в создании буферной емкости жидкостей и клеток тела. И этим все сказано. Во всех живых организмах элемент №15 находится исключительно в виде ортофосфат-аниона или органических эфиров фосфорной кислоты (фактически в виде неорганического фосфора), поэтому, наряду с термином «фосфор», при обсуждении биологической роли элемента, часто используют понятие «неорганический фосфат». Значение фосфатов в питании человека огромно. Практически весь фосфор усваивается организмом человека в виде неорганических фосфатов, в среднем всасывается около 70% потребляемого с пищей фосфора. Суточная потребность в элементе для беременных и кормящих женщин составляет 1500 мг, для детей 2-6 лет 800 мг, детей 10-12 лет – 1200 мг, взрослого человека 800 мг. В силу распространенности фосфатов в природе, обычный дневной рационно взрослого человека содержит фосфора в 7-10 раз больше суточной потребности в нем, поэтому встречаться со случаями недостаточного поступления этого элемента в организм приходится очень редко. Важнее правильное сочетание в рационе кальция и фосфора, ведь образование костной ткани связано с обоими этими элементами. Замечено, что если организм испытывает недостаток кальция, то, как правило, тут же обнаруживается переизбыток фосфора, и наоборот. Детальные исследования позволили установить, эквивалентна таковой для кальция, то есть пища должна содержать одинаковые количества по массе фосфора и кальция (исключение – норма для грудных детей). Ниже приводятся некоторые примеры содержания фосфора и кальция в обычной пище: Продукт Са, мг/100г Р, мг/г Са/Р Жаренная говядина 12 250 0.05 Цельное молоко 118 93 1,26 Вареная фасоль 50 37 1,35 Жареная треска 31 274 0,11 Пшеничный хлеб 84 254 0,33 Картофель 7 53 0,13 Яблоки 7 10 0,70 Яйцо куриное 54 205 0,26 Известны и некоторые заболевания, связанные с избытком фосфата в пище. Фосфор, минеральный элемент питания, соединения которого активно участвуют во многих обменных процессах. В теле взрослого человека содержится 600-900 г фосфора (в основном в костях в виде фосфата кальция). Органические фосфаты – подлинные аккумуляторы энергии, обеспечивающей протекание всех жизненных процессов в мозге, нормального функционирования нервной системы, мышц, печени и других органов. Велика пластическая роль фосфора. Он является компонентом систем поддержания кислотно-щелочного равновесия в организме. Недостаток фосфора в организме чаще всего связан с несбалансированностью питания. В частности, этому способствует избыток кальция при дефиците белков и витамина D. Проявляется это потерей аппетита, апатией, снижением умственной и физической работоспособности, похудением. Излишнее поступление фосфора в организм вероятно при длительном преобладании в питании мясных, рыбных и зерновых продуктов. Основными источниками фосфора для человека являются животные продукты – мясо, рыба, яичный желток, сыр, которые хорошо усваиваются. Из зерновых и бобовых соединения фосфора усваиваются плохо, так как в кишечнике человека отсутствует расщепляющий их фермент. Воздействие дрожжей в процессе выпечки хлеба, а так же замачивание круп и бобовых перед кулинарной обработкой улучшают усвоение фосфора. Суточной нормой фосфора для взрослого человека считается 1-1,5 г. Потребность в нем увеличивается при физической нагрузке, беременности (до 3г), кормлении грудью (до 3,8г). Обычный рацион питания, за редким исключением, полностью обеспечивает потребность организма в этом элементе. Содержание фосфора в продуктах питания (на 100г съедобной части) Продукт Фосфор, мг Икра осетровых рыб 590,0 Хлеб ржаной 174,0 Грецких орехах 560,0 Яйцо куриное 55,0 Сыр голландский 544,0 Картофель 58,0 Фасоль 540,0 Свекла 43,0 Горох 329,0 Творог 32,0 Крупа гречневая 298,0 Капуста 31,0 Куриное мясо 290,0 Телятина 25,0 Какао 245,0 Молоко коровье 20,0 Треска 208,0 Колбаса вареная 19,0 Говядина 188,0 Яблоки 11,0 Применение фосфора и его соединений. Удобрения. Область применения соединений фосфора огромна не представляется возможным дать всеохватывающий её обзор. Определение А. Е. Ферсмана: «Фосфор – элемент жизни…» находит повсеместное подтверждение. Фосфор – элемент не только биологической жизни, но и повседневной, действительно, фосфорсодержащие соединения используются в сельском хозяйстве, медицине, фармалогии, научных исследованиях, пищевой и химической промышленности, строительстве, металлургии, технике и, наконец, в повседневном быту. Такая ситуация была не всегда, и на протяжении долгого времени после открытия Бранда фосфор оказался замешанным во многих скверных история, все началось со спекуляции самого Бранда и его последователей. Далее «таинственные» вспыхивающие надписи на стенных и храмах и «чудо самовоспламенение свечей». Долгое время бытовали предрассудки и суеверия, связанные с «блуждающими» огнями, возникающими иногда над болотами и являющимися следствием самовоспламенения фосфина. Фосфорные удобрения Большинство (80-90%) добываемой фосфатной руды идет на получение удобрений. В 1799 было доказано, что фосфор необходим для нормальной жизнедеятельности растений. Накапливаясь в биомассе, фосфор исчезает из почвы. Ежегодно мировой урожай уносит с полей несколько миллионов тонн фосфора, наряду с азотом и калием, поэтому необходимо возобновление его ресурсов в плодородном слое. В древние времена люди удобряли почву навозом, костями и гуано. Первое искусственное фосфорное удобрение – суперфосфат – было получено в Англии в 1839 Лаузом, а в 1842 там же было организованно его первое промышленное производство. В России первое предприятие по производству суперфосфата появилось в 1868. Сейчас его получают, обрабатывая апатит серной кислотой: Ca10(PO4)6F2+7H2SO4=3Ca(H2PO4)2+7CaSO4+2HF. Более ценный продукт – двойной суперфосфат, так как в нем содержится в три раза больше фосфора по массе, его получают обработкой апатита фосфорной кислотой: Ca10(PO4)6F2+14H4PO4+10H2O=10Ca(2PO4)2·H2O+2HF. Доля производства удобрений, содержащих в своем составе только один фосфор, падает, и все больше производится комплексных удобрений, производимых в России, приходится на аммос, диаммос и азофоску. Ежегодное мировое производство фосфорных удобрений на начало 21 в. составило 41 млн. тонн, а суммарное количество всех удобрений – 190 млн. тонн. Основными производителями фосфорных удобрений являются Марокко, США и Россия, а основными потребителями – страны Азии, Латинской Америки и Западной Европы. Необходимый состав вносимого удобрения и его эффективность зависят от характеристик почвы, например, рН, но растворимость фосфатных удобрений определяет время, за которое происходит его усвоение растениями, и долю усвоенного фосфора, которая обычно мала и составляет около 20%. Заключение Фосфор – важный биогенный элемент. Это доказывает то, что он входит в состав важных биологических молекул: ДНК и РНК, составляет сахорофосфатный основ этих молекул, которые участвуют в хранении и передачи наследственной информации. Фосфор – интересный элемент, так как образует три аллотропных изменения: белый, красный, черный. Литература http://ru.wikipedia.org http://krugosvet.ru http://medtrust.ru http://chemisty.narod.ru http://chem/msu.su http://chemport.ru |
1 2
Похожие:
 | Реферат по Химии на тему: «Кремний, его свойства и аллотропные изменения.... Более 200 лет кремний используется в классической гомеопатии, очень популярен он в современной косметологии и широко используется... | | Урок 37 Тема: Фосфор Охарактеризовать фосфор в свете трёх форм существования химического элемента: в форме атомов, простых веществ, а, следовательно,... |
| Урока в изучаемой теме: второй урок по теме «Фосфор и его соединения» Цель урока: формирование и закрепление знаний, умений и навыков по теме «Фосфор и его соединения» | | Конспект урока химии в 9 классе по теме: «Фосфор. Строение атома,... Цель: формирование предметных компетенций у обучающихся по теме урока, используя ресурсы Интернета |
| Урок «Фосфор и его соединения». Цель: 1 Цель: Повторить строение атома Р, познакомиться с его аллотропными видоизменениями, рассмотреть кислородные соединения фосфора | | Урок по теме «Фосфор, строение атома, свойства» Цель урока: усвоение знаний о фосфоре как о химическом элементе и простом веществе; развитие логического мышления, самостоятельности,... |
| Тема урока: "Фосфор и его соединения " Древнего мира. При этом вводится только общее понятие «цивилизация», противопоставленное первобытности (поскольку в науке выделение... | | План урока. Химический диктант проверка знаний формул веществ по теме: «Азот и фосфор» Цель: закрепить и обобщить знания учащихся об азоте, фосфоре и их важнейших соединениях на основе электролитической диссоциации |
| Урок по теме «Фосфор» Рабочая программа по физике для 9 класса составлена на основе обязательного минимума содержания физического образования для основной... | | Урок обобщение по теме: «Мир веществ» Реактивы и оборудование: алюминий,медь, сера фосфор, оксид кальция, оксид алюминия, соляная кислота, гидроксид калия, хлорид натрия,... |
 | «Аллотропия. Аллотропные модификации углерода, кислорода, олова» Цель работы: Знать понятие аллотропии, аллотропные видоизменения некоторых веществ; понимать причины существования аллотропных модификаций... | | Реферат по химии по теме: «Азот как составной элемент атмосферы Земли» Цель: изучить свойства азота и природных его соединений, совершенствовать знания о строении атомов |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... ... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Цели урока изучить нахождение азота в природе и его свойства, вскрыть причинно-следственные связи “строение–свойства” и “свойства–применение”,... |
| Урок на тему: Алюминий, его физические и химические свойства (9 класс) А группы на примере алюминия. Продолжить формировать умения давать характеристику элемента по его положению в периодической системе... | | Планирование изучения темы «Обобщение понятия степени» 13 уроков... Обобщить понятие квадратного корня на корень n-й степени и рассмотреть его свойства |
