Фосфор: просто и понятно о физических и химических свойствах, применении, влиянии на организм

Что такое фосфор — это металл или неметалл

Фосфор — элемент, расположенный в главной подгруппе V группы (или в 15 группе в современной форме ПСХЭ) и в третьем периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, является неметаллом, относится к группе пниктогенов.

Химический символ элемента — Р. В состав атома фосфора входит ядро с положительным зарядом (+15) и 15 электронов, распределенных по трем энергетическим уровням (по причине расположения элемента в третьем периоде). На первом уровне содержится 2 электрона, на втором — 8, на третьем (внешнем) — 5:

  1. Первый внутренний уровень содержит 2 электрона на 1s-орбитали.
  2. Второй уровень включает 2 электрона на 2s-орбитали и 6 электронов на 2р-орбиталях.
  3. На третьем (внешнем) энергетическом уровне атома фосфора на 3s-орбитали расположена пара спаренных электронов, на 3p-орбитали находятся 3 неспаренных электрона.

Ядро атома фосфора-31 включает в себя:

  • 15 протонов;
  • 16 нейтронов.

Фосфор относится к элементам p-семейства. Радиус атома фосфора (вычисленный) равен 114 пм. Атомная масса атома фосфора составляет 30,973762(2) а. е. м.

Электронная конфигурация атома фосфора в основном состоянии:

Внешний энергетический уровень атома фосфора содержит 3 неспаренных электрона и одну неподеленную электронную пару в основном энергетическом состоянии. Таким образом, атом фосфора обладает способностью к образованию 3 химических связей по обменному механизму, что соответствует валентности, равной III. В отличие от азота атом фосфора, имея вакантную 3d орбиталь, способен при переходе в возбужденное энергетическое состояние расспаривать 3s-электроны, один из которых переходи на 3d-орбиталь. Таким образом расширяются валентные возможности атома фосфора и он становится способным проявлять в соединениях валентность, равную V.

Электронная конфигурация фосфора в возбужденном состоянии:

По этой причине, высшая валентность фосфора в соединениях равна V, что отличает его от азота, у которого высшая валентность равна IV.

Степени окисления атома фосфора – от -3 до +5. Характерные степени окисления -3, 0, +1, +3, +5. Фосфор — химический элемент № 15. Он расположен в VА группе Периодической системы.

Внешний слой атома фосфора включает в себя пять валентных электронов. Для того чтобы его завершить, необходимо еще три электрона. По этой причине в соединениях с металлами и водородом фосфор проявляет степень окисления –3, а при взаимодействии с более электроотрицательными элементами, в том числе, кислородом, фтором и другими, — положительные степени окисления +3 или +5. Атом фосфора обладает большим числом электронных слоев, чем атом азота. В связи с этим, электроотрицательность, окислительные и неметаллические свойства фосфора выражены в меньшей степени.

Электронная схема фосфора

P: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3
Короткая запись:
P: [Ne]3s2 3p3

Одинаковую электронную конфигурацию имеют атом фосфора и -1Si, +1S, +2Cl

Порядок заполнения оболочек атома фосфора (P) электронами: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s → 5f → 6d → 7p.

Читайте также:  Коррозия металлов. Защита металлов от коррозии

На подуровне ‘s’ может находиться до 2 электронов, на ‘s’ — до 6, на ‘d’ — до 10 и на ‘f’ до 14

Фосфор имеет 15 электронов, заполним электронные оболочки в описанном выше порядке:

2 электрона на 1s-подуровне

2 электрона на 2s-подуровне

6 электронов на 2p-подуровне

2 электрона на 3s-подуровне

3 электрона на 3p-подуровне

Химические свойства

Химическая активность фосфора значительно выше, чем у азота. Химические свойства фосфора во многом определяются его аллотропной модификацией. Белый фосфор очень активен, в процессе перехода к красному и чёрному фосфору химическая активность резко снижается. Белый фосфор на воздухе светится в темноте, свечение обусловлено окислением паров фосфора до низших оксидов.

В жидком и растворенном состоянии, а также в парах до 800 °С фосфор состоит из молекул Р4. При нагревании выше 800 °С молекулы диссоциируют: Р4 = 2Р2. При температуре выше 2000 °С молекулы распадаются на атомы.

Взаимодействие с водой

Взаимодействует с водой, при этом диспропорционирует:

  • 4Р + 6Н2О → РН3 + 3Н3РО2 (фосфатная кислота).

Взаимодействие с простыми веществами

Фосфор легко окисляется кислородом:

  • 4P + 5O2 → 2P2O5 (с избытком кислорода),
  • 4P + 3O2 → 2P2O3 (при медленном окислении или при недостатке кислорода).

Взаимодействует со многими простыми веществами — галогенами, серой, некоторыми металлами, проявляя окислительные и восстановительные свойства:

с металлами — окислитель, образует фосфиды:

  • 2P + 3Ca → Ca3P2,
  • 2P + 3Mg → Mg3P2.

с неметаллами — восстановитель:

  • 2P + 3S → P2S3,
  • 2P + 3Cl2 → 2PCl3.

Не взаимодействует с водородом.

Взаимодействие со щелочами

В растворах щелочей диспропорционирование происходит в большей степени:

  • 4Р + 3KOH + 3Н2О → РН3 + 3KН2РО2.

Восстановительные свойства

Сильные окислители превращают фосфор в фосфорную кислоту:

  • 3P + 5HNO3 + 2H2O → 3H3PO4 + 5NO;
  • 2P + 5H2SO4 → 2H3PO4 + 5SO2 + 2H2O.

Реакция окисления также происходит при поджигании спичек, в качестве окислителя выступает бертолетова соль:

  • 6P + 5KClO3 → 5KCl + 3P2O5

Физические свойства

Как и азот, фосфор способен образовывать двухатомные молекулы Р2.. Однако подобные молекулы фосфора могут быть устойчивыми лишь при очень высокой температуре – около 1000 С. В обычных же условиях атомы фосфора соединяются в молекулы других составов. Например, белый фосфор состоит из четырехатомных молекул Р4. Между собой атомы белого фосфора соединены в виде простейшего многогранника тетраэдра.

Сам белый фосфор являет собой практически бесцветное твердокристаллическое вещество, моментально окисляемое кислородом воздуха, при этом во время окисления фосфора идет дым, а в воздухе появляется явный чесночный запах. Своим внешним видом белый фосфор похож на воск, такой же мягкий и легкоплавкий, при этом светится в темноте и является чрезвычайно опасным, так как очень ядовит и огнеопасен.

Помимо белого фосфора физики также различают красный фосфор, черный фосфор, желтый фосфор и металлический фосфор, каждый из них имеет свои особенные физические свойства.

Так если белый фосфор нагревать до температуры 300 С без доступа воздуха и в присутствии катализаторов (ими может быть йод или натрий), то он превратится в красный фосфор. В отличие от белого фосфора его красный собрат не светится в темноте и не является ядовитым и опасным, к слову именно его используют при производстве спичек.

Читайте также:  Гидролиз

спички
Красный фосфор это аморфное вещество, состоящее из полимерных молекул Px, он нерастворим в воде и других органических растворителях, а при нагревании без доступа воздуха не возгорается.

Если белый фосфор поместить под очень большое давление (в сотни атмосфер) то из него получится черный фосфор, который своими свойствами напоминает металл: он блестит и проводит электрический ток. Если еще больше увеличить давление, то черный фосфор превратится в металлический, его кристаллическая решетка будет такой же плотной как у металлов. Металлический фосфор очень хорошо проводит электрический ток.

виды фосфора
Так выглядят разные виды фосфора.

Хотя фосфор и является одним из самых распространенных химических элементов на нашей планете, в чистом виде в природных условиях его не бывает, добыть чистый фосфор возможно лишь в химической лаборатории. Однако фосфор входит в состав многих важных химических и биологических соединений: фосфолипидов, фосфидов (соединения фосфора и металлов), фосфинов (соединений водорода с фосфором), фосфорной кислоты и так далее.

Применение

Научившись добывать фосфор в чистом виде человек нашел ему самое разнообразное применение, причем не только созидательное, но порой и очень разрушительное. Так еще во время первой мировой войны немецкими химиками был использован желтый фосфор в качестве начинки зажигательных боеприпасов и отравляющих газов.

Впоследствии применение таких газов на поле боя было запрещено Женевской конвенцией. Увы, такая наша глупая человеческая природа – использовать научные открытия в разрушительных целях, как впрочем, и открытие энергии расщепления атома было применено для создания атомной бомбы, и лишь потом для атомной энергетики.

Но вернемся к фосфору, в мирных целях этот химический элемент активно используется в сельском хозяйстве для создания эффективных удобрений для растений. Фосфор входит в состав некоторых лекарственных препаратов, к примеру, в антибиотик фосфомицин, в состав моющих средств, наконец, из безопасного красного фосфора делают спички.

Фосфор имеет свое применение и в металлургии, в качестве сверхпрочных и антикоррозийных покрытий (черный и металлический фосфор). А многие фосфиды (соединения фосфора и металлов) обладают отличными полупроводниковыми свойствами и активно задействуются в микроэлектронике.

Получение

Для получения белого фосфора в чистом виде химики прокалывают природные фосфаты вместе с коксом и песком в электрической печи. Впрочем, вместо фосфатов можно использовать и другие неорганические соединения фосфора, например, метафосфорную кислоту. Красный и черный фосфор получают уже из белого фосфора путем разных манипуляций над последним (нагревание, увеличение давления).

Получение фосфора

Соединения фосфора, биологическая роль

Типичные соединения фосфора можно представить в виде таблицы:

Соединения фосфора являются неотъемлемым компонентом растительных и животных организмов. Растения формируют запасы данного вещества в семенах и плодах. В организме человека и животных фосфор содержится в тканях скелета, мышц и нервной системы. По усредненным показателям человеческое тело содержит примерно 1,5 кг фосфора:

  • из общего объема доля в 1,4 кг находится в костях;
  • 130 г вещества приходится на мышцы;
  • 12 г фосфора содержит нервная ткань.
Читайте также:  Всё о цинке: температура плавления металла и другие характеристики, смеси и сплавы

У людей во взрослом возрасте около 86% фосфора находится в минеральной части костей и зубов. Оставшийся объем вещества распределен по мышцам, органам, жидкостям организма. Большой концентрацией фосфора обладают ткани нервных клеток и мозга.

Биологическое значение фосфора:

  1. Фосфор обеспечивает нормальное формирование костной и зубной тканей. В дальнейшем фосфор поддерживает их целостность на протяжении всей жизни человека.
  2. Входит в состав нуклеиновых кислот, в том числе, ДНК, РНК, молекул, которые хранят и передают наследственную информацию, отвечают за нормальное деление и рост клеток.
  3. Фосфор, являясь компонентом ферментов, участвует в жировом обмене, синтезе и распаде гликогена и крахмала.
  4. Как составная часть фосфорной кислоты и фосфатов, фосфор принимает участие в мыслительных процессах, движении, дыхании, обеспечивает нормальный белковый и углеводный обмен.
  5. Энергетическое питание каждого из процессов жизнедеятельности в составе АТФ.
  6. Совместно с белками и жирными кислотами фосфор формирует высокоактивные соединения. В качестве примера можно привести лецитин, который необходим для образования клеточных и мозговых оболочек. Большой объем лецитина организм потребляет в процессе физических и психоэмоциональных нагрузок. По этой причине недостаток фосфора снижает защиту клеток.
  7. Соединения фосфора необходимы, чтобы поддерживать кислотно-щелочное равновесие в организме. Это обусловлено их присутствием в составе крови и других жидкостей. С помощью фосфора формируются активные формы витаминов, так как фосфорсодержащие вещества запускают необходимые для этого ферментные реакции.
  8. Соединяясь с азотом, жирными кислотами и глицерином, фосфор образует фосфолипиды, которые принимают участие в каждом физиологическом процессе организма.
  9. Фосфорсодержащие вещества повышают кислотность мочи и снижают вероятность образования камней в почках.

В качестве суточной нормы фосфора для взрослого человека определено количество в 1600 мг. У беременных женщин максимальная потребность в данном элементе увеличивается до 3000 мг. Кормящим матерям необходимо 3800 мг фосфора в сутки. Получить дневную норму вещества человек во взрослом возрасте может, употребляя 130 г сыра, 12 яичных желтков, 6 столовых ложек тыквенных семечек, 500 г мяса или рыбы, либо 400 г овсяных хлопьев. Фосфор усваивается в костях, спустя 4 — 6 часов после попадания в организм с пищей.

Продукты, содержащие фосфор

К счастью фосфор содержится во многих доступных продуктах питания: орехах, морепродуктах (особенно в рыбе), в сыре, капусте, моркови, чесноке, куриных яйцах (особенно в желтке). Особенно много фосфора имеется в яблоках, грецких орехах, говяжьей печени, гречке и икре рыб семейства осетровых.

Продукты, содержащие фосфор

Теперь вы знаете, какие продукты могут увеличить содержание фосфора в вашем организме и организме ваших детей.

Суточная потребность в фосфоре

Для нормального функционирования организм взрослого человека должен получать 1,0-2,0 г фосфора в сутки. Для детей и подростков норма составляет 1,5-2,5 г, для беременных и кормящих женщин возрастает до 3,0-3,8 г (calorizator). Суточная потребность в фосфоре увеличивается во время регулярных спортивных тренировок и при физических нагрузках.

Источники
  • https://wika.tutoronline.ru/himiya/class/9/fosfor-i-ego-soedineniya-v-himii
  • https://k-tree.ru/tools/chemistry/periodic.php?element=P
  • http://himsnab-spb.ru/article/ps/p/
  • https://www.poznavayka.org/himiya/fosfor/
  • https://calorizator.ru/element/p

Ваша оценка?

Петр Иваныч
Петр Иваныч
Возможно этот человек ответит на ваши вопросы
Задать вопрос
Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Всё о химии
Adblock
detector