Fosfor (P, gr. phosphoros – "niosący światło") to pierwiastek chemiczny, niemetal. Jedynym stabilnym izotopem fosforu jest 31P.
W wodzie i alkoholu jest on prawie nierozpuszczalny, nieco rozpuszcza się w eterze, łatwo – w trójchlorku fosforu, chlorku siarki i siarczku węgla. Z ostatniego z wymienionych rozpuszczalników fosfor wydziela się po odparowaniu w postaci kryształów układu regularnego o połysku diamentowym.
Fosfor występuje w czterech odmianach alotropowych, jako: fosfor biały, fosfor czerwony, fosfor fioletowy oraz fosfor czarny.
Fosfor biały
Przy zwykłym ciśnieniu fosfor biały topi się w 44°C, a wrze w 277°C przechodząc w pary o składzie P4. Ponieważ bardzo łatwo ulega samozapłonowi, przechowuje się go zawsze pod wodą. Jest trudny do ugaszenia, ponieważ w wysokich temperaturach reaguje z wodą, która go dodatkowo rozprasza.
Ma tendencję do przechodzenia w inne, bardziej trwałe odmiany, do których należy fosfor czerwony. Jego cząsteczka składa się z 4 atomów. W temperaturze pokojowej ulega powolnemu utlenianiu, emitując światło (chemiluminescencja). Był stosowany jako składnik farb, które nanoszono na wskazówki zegarków (świeciły światłem widocznym w ciemności).
Reaguje z wrzącym roztworem wodorotlenku barowego:
2P4 + 3Ba(OH)2 → 2PH3↑ + 3Ba(H2PO2)2
W reakcji powstaje fosforiak (fosforowodór) i barowa sól kwasu fosforowego(I).
Jest skrajnie łatwopalny. Z tego powodu dawniej produkowano z niego zapałki. Były to jednak zapałki bardzo niebezpieczne, ponieważ zapalały się po potarciu o każdą szorstką powierzchnię, a ponadto były trujące. Obecnie jedynie szorstka powierzchnia pudełek, służących do pocierania zapałek, zawiera nieco czerwonego fosforu, zmieszanego z tłuczonym szkłem i dwutlenkiem manganu. Wskutek ogrzania, wywołanego potarciem zapałki o tę powierzchnię, fosfor się zapala i płomień przenosi się na główkę zapałki. Jest silnie trujący; dla człowieka o wadze 60 kg śmiertelna dawka wynosi 100 mg.
Fosfor biały stosowany jest jako broń zapalająca i trutka na szczury.
Fosfor czerwony
Inaczej zwany fosforem bezpostaciowym. Otrzymuje się go przez prażenie fosforu białego w atmosferze azotu i temperaturze 250°C z użyciem jodu jako katalizatora.
Jest nietoksyczny, mniej reaktywny od fosforu białego. Zapala się powyżej 400°C, jego ugaszenie również jest bardzo trudne, ponieważ pali się nawet przy ograniczonym dostępie tlenu.
Jest używany jako jeden ze składników draski na pudełkach od zapałek.
Fosfor fioletowy
Powstaje w wyniku ogrzewania fosforu czerwonego w próżni w temperaturze ok. 550°C. Nierozpuszczalny w żadnej substancji. Odmiana mało aktywna chemicznie.
Fosfor czarny
Najtrwalsza odmiana fosforu. Otrzymywany przez ogrzewanie fosforu białego bez dostępu tlenu w temp. 220°C i pod ciśnieniem 12 000 atm. Ma on barwę szarą, połysk metaliczny, przewodzi prąd elektryczny. Właściwości fosforu fioletowego i czarnego są słabo poznane.
Znaczenie biologiczne
Fosfor jest makroelementem niezbędnym do funkcjonowania każdej komórki. Wchodzi w skład kości, kwasów nukleinowych oraz wielu związków przekazujących energię na poziomie molekularnym, takich jak ATP.
Zastosowanie
Tlenki fosforu używane są jako reduktory (P4O6) lub substancje wysuszające (P4O10). Kwas ortofosforowy (H3PO4) jest dodatkiem do napojów gazowanych typu cola. Związki tego pierwiastka wykorzystywane są również w przemyśle chemicznym jako katalizatory. Fosforan(V) sodu stosuje się do proszków do prania; okazało się, że coraz powszechniejsze używanie detergentów powoduje zwiększanie stężenia związków fosforu w wodach rzek i jezior, zwłaszcza w Polsce, gdzie nie wszystkie ścieki są oczyszczane. Wynikiem tego jest eutrofizacja wód.
Występowanie w przyrodzie
Ważne minerały fosforu to apatyt i fosforyty. Fosfor tworzy szereg kwasów, z czego najważniejszym jest kwas ortofosforowy(V) H3PO4. Związki fosforu są stosowane jako nawozy sztuczne.
Historia
Fosfor został odkryty przez niemieckiego alchemika Henniga Branda w Hamburgu w 1669 r. podczas długotrwałego prażenia moczu. W pierwszej komercyjnej metodzie otrzymywania fosforu (koniecznego do produkcji zapałek) substancją wyjściową były kości zwierzęce, co znalazło odbicie w proponowanej polskiej nazwie fosforu koścień.
Kwasy zawierające fosfor
Znanych jest wiele kwasów tlenowych zawierających fosfor (w niektórych przypadkach znane tylko jako sole lub estry), np.:
- kwas fosfinowy (fosforowy(I), podfosforawy) H3PO2
- kwas fosfonowy (ortofosforowy(III), fosforawy) H3PO3
- kwas metafosforowy(III) (metafosforawy) HPO2
- kwas metatrifosforowy(III) (metatrifosforawy) H3P3O6 (związek cykliczny)
- kwas difosfonowy (difosforowy(III), pirofosforawy) H4P2O5
- kwas ortofosforowy(IV) (podfosforowy) H4P2O6
- Kwas ortofosforowy(V) (fosforowy(V), fosforowy) H3PO4 (najczęściej spotykany kwas fosforu)
- kwas ortodifosforowy(V) (difosforowy(V), pirofosforowy) H4P2O7
- kwas ortotrifosforowy(V) (ortotrifosforowy) H5P3O10
- kwas metatrifosforowy(V) (metafosforowy, metatrifosforowy) H3P3O9 lub HPO3 (związek cykliczny)
- kwas tetrafosforowy(V) (tetrafosforowy) H4P4O12.
Znane są też liczne analogi powyższych kwasów, w których jeden lub więcej atomów tlenu zostało zastąpionych przez atomy innych tlenowców (S, Se, Te), azotu lub boru, np.:
- kwas tiofosfonowy H3PO2S
- kwas selenofosforowy H3PO3Se
- kwas tellurofosforowy H3PO3Te
- kwas amidofosforowy H3PO3NH2
- kwas boranofosforowy H3PO3BH3
Ponadto otrzymano szereg mieszanych polikwasów zawierających jako atomy centralne fosfor i metale przejściowe, np. kwasy molibdenowanadofosforowe H4[PMo11VO40]•34H2O, H5[PMo10V2O40]•32H2O i H6[PMo9V3O40]•34H2O występujące w postaci pomarańczowych kryształów.
W kwasach fosforu zawierających wiązanie P-H (np. w kwasie fosfonowym) atomy wodoru mogą zostać zastąpione resztami organicznymi, tworząc liczną grupę kwasów alkilo- i arylo-fosfonowych i fosfinowych oraz ich analogów zawierających inne heteroatomy, np. kwas dodecylofosfonowy.
Częściowo zestryfikowane kwasy fosforu zawierające labilne atomy wodoru, mają także charakter kwasowy, np. kwas rybonukleinowy (RNA) i kwas deoksyrybonukleinowy (DNA).