Фосфор - элемент жизни и мысли

 

6. Химические свойства  фосфора.

Фосфор по отношению к неметаллам и металлам может проявлять свойства как окислителя, так и восстановителя:

 - 5e (-3e) восстановитель ,

                                                                                  +3e                                окислитель 

Фосфор вступает во взаимодействие с: 

1. Металлами (как окислитель, образует фосфиды):

3Ca + 2P =

2. Неметаллами (как восстановитель):

2P  + 3 = 2 (при недостатке хлора)

2P  + 5 = 2 (при избытке хлора)

2P  + 3 S = 

 

3. Окисляется кислородом:

4P + 3 = 2 (при медленном горении или недостатке кислорода)

4P + 5 = 2 (при избытке кислорода)

 

Оксид 2 - белый порошок, проявляет сильное водоотнимающее действие:

2 + = 2 +

 

4. Реагирует с водой:

8P + 12 = 5 (фосфин)+3

 

5. Щелочами: 4 P + 3 KOH + 3 = ↑ + 3

 

6. Сильные окислители превращают фосфорную кислоту:

3 P + 5 + 2 = 3 + 5 NO

2 P + 5 = 2 + 5 + 2

 

7. Белый фосфор довольно сильный восстановитель, т.к. способен вытеснять медь, свинец, ртуть и серебро из растворов их солей:

+ 10 + 16 = 4 + 10 Cu + 10

 

8. Качественная реакция на фосфат-ион:

+ = ↓ (ярко-жёлтый осадок)

 

Фосфорная кислота образует три ряда солей:

фосфат кальция  (фосфорит)

гидрофосфат кальция  (преципитат)

дигидрофосфат кальция  (двойной суперфосфат)

Важно: фосфор с водородом не взаимодействует!

7. Нахождение и получение фосфора:

Фосфор – весьма распространённый химический элемент в природе, на его долю приходится 0,093%  от общей массы земной коры. Фосфор – одиннадцатый по распространенности элемент на Земле и входит в двадцатку наиболее распространенных элементов Солнечной системы.

Элемент №15 обнаружен во многих типах метеоритов (каменных и каменно-железных) и на Луне. Например, в железных метеоритах содержание фосфора колеблется в диапазоне 0,02–0,94%(масс.), а в различных образцах лунного грунта оно составляет 0,05–0,32%(масс.). Несмотря на то, что геологи классифицируют фосфор, как элемент-примесь (в породах большей части земной коры его содержание составляет всего 0,1%), он является породообразующим, так как некоторые породы слагаются почти полностью из фосфатных минералов.

а) нахождение фосфора в природе:

В свободном виде фосфор в природе не встречается, т.к. очень активен в свободном состоянии, и существует в литосфере почти в высшей степени окисления, в виде ортофосфат-иона  . Известно более двухсот минералов, содержащих фосфор в значительных (более 1%) количествах. Фосфатные месторождения обычно подразделяются на три группы: апатитовые месторождения, осадочные фосфориты и месторождения гуано. Фосфор входит в состав апатитов и фосфоритов. В виде фосфоритов железа, никеля, кобальта фосфор встречается в железных метеоритах.

Апатиты – разновидность фосфоритов, они могут быть как магматического, так и морского (осадочного) происхождения. Название это было дано группе минералов около двухсот лет назад, и в переводе с греческого означает «обманчивый». Изначально так называли минерал, который часто путали с аквамарином, аметистом или оливином. Апатитовые минералы представлены фторапатитом (наиболее значимый в промышленности), гидроксиапатитом и хлорапатитом  и многими другими. Наиболее крупные месторождения магматического апатита находятся в России, странах Южной Африки (щелочной комплекс Палабора), Уганде и Бразилии. Крупнейшее в мире магматическое месторождение апатита – Хибинский массив нефелиновых сиенитов – залегает на Кольском полуострове, близ Кировска. Он был открыт в 1926 группой ученых под руководством академика А.Е.Ферсмана.

Большая часть мировых запасов фосфора приходится на морские (осадочные) фосфориты и продукты их выветривания. Предполагается, что они океанического происхождения. В прибрежных регионах пояса пассатов на протяжении долгого периода происходило отложение фосфатов вследствие различных органических и неорганических процессов. Концентрация фосфоритов в месторождении увеличивалась в результате медленной аккумуляции фосфатов из окружающей среды. Крупнейшими месторождениями осадочных фосфоритов владеют Марокко (70% от мировых запасов фосфатов) и Западная Сахара, США, Китай, Тунис, Казахстан.

Гуано (исп. guano) – естественные отложения, образующиеся при разложении костей и экскрементов морских птиц (больших бакланов, олушей и пеликанов), залежи гуано иногда достигают ста миллионов тонн. Гуано известно с незапамятных времен, еще в 200 до н.э. древние карфагеняне использовали птичий помет в качестве удобрения. В конце 19 – начале 20 в. были открыты «Птичьи острова» Перу, названные так из-за большого числа (около 20 млн.) обитающих там морских птиц. В те времена перуанское правительство получало реальные доходы за счет привлечения большого числа туристов к «Птичьим островам» и от продажи огромных количеств гуано в качестве удобрения. В последние сорок лет, вследствие деятельности перуанских рыбаков, популяции гуанопроизводящих птиц резко сократились (в 4 раза), так что некоторые из перуанских «Птичьих островов» сейчас вообще пустуют. Крупнейшие месторождения гуано расположены вдоль побережий Африки, Южной Америки, Калифорнии, Сейшельских островов. Сильно разложившееся гуано состоит преимущественно из монетита  и витлокита 

Мировая добыча (2002) фосфатов составляет 135 млн. тонн ежегодно. Крупнейшим в мире производителем фосфатов являются США (26% от мировой добычи). Общие запасы фосфоритов в Марокко составляют 64 млрд. тонн, разведанные 10 млрд. тонн (60% от разведанных в мире запасов). На третьем месте по добыче – Китай (16,7%), на четвертом – Россия (10,5%). Основным источником фосфорного сырья в России являются апатит-нефелиновые руды на Кольском полуострове.

В морской воде весь неорганический фосфор находится только в виде ортофосфат-аниона. Средняя концентрация фосфора в морской воде очень мала и составляет 0,07 мг Р/литр. Высоко содержание фосфора в районе Андаманских островов (около 12 мкмоль/л). Общее океаническое количество фосфора оценивается в 9,8·1010 тонн.

В атмосфере Земли фосфор отсутствует полностью.

б) получение фосфора в промышленности:

Сейчас электротермический способ является основным в производстве фосфора из апатитов или фосфоритов. Фосфор нагревают в смеси с кварцевым песком и коксом в электрической печи при температуре около 1300 - 1600° С. Процесс получения фосфора можно описать двумя уравнениями реакций:

1. 2 + 6 = 6 +
2. + 10 C = 10 CO + ↑

Или суммарно:

      2 + 6 + 10 C = 6 + 10 CO + ↑

в) получение в промышленности фосфорной кислоты:

1. Экстракционный способ:

 + 3 = 3 ↓ + 2

 

2. Термический способ:

1) + 3C + 3 = 3 + 5 CO + 2 P

2) 4 P + 5 = 2

3) + 3 = 2

 

3. Вместо фосфоритов восстановлению можно подвергнуть и другие соединения, например метафосфорную кислоту:

4 + 12 C = 4P + 2 + 12 CO

 

 

 

8. Применение фосфора:

Фосфор является важнейшим биогенным элементом и в то же время находит очень широкое применение:

 

 

а) в промышленности

 

 Пожалуй, первое свойство фосфора, которое человек поставил себе на службу, — это горючесть. Горючесть фосфора очень велика и зависит от аллотропической модификации.

Красный фосфор – основная модификация, производимая и потребляемая промышленностью. Он применяется в производстве спичек, взрывчатых веществ, зажигательных составов, различных видов топлива, а также противозадирных смазочных материалов, в качестве газопоглотителя  в производстве ламп накаливания.

Фосфаты в промышленности широко используются:

• в качестве комплексообразователей (средства для умягчения воды).
• в составе пассиваторов поверхности металлов (защита от коррозии, например, т. н. состав «мажеф»).
• используется как связующий агент во многих стройматериалах.
• пищевая кислота применяется при приготовлении безалкогольных напитков и многих других пищевых продуктов.
• фосфаты аммония придают огнестойкость древесине.
• Фосфаты кальция и натрия широко используются в промышленности (разрыхлители теста, стабилизаторы молочных продуктов), являются компонентами зубных паст и чистящих средств

 

б) в сельском хозяйстве

Фосфор (в виде фосфатов) — один из трёх важнейших биогенных элементов (NPK), участвует в синтезе АТФ. Большая часть производимой фосфорной кислоты идёт на получение фосфорсодержащих кормов и удобрений — суперфосфата, преципитата, аммофоски и др.

в) в медицине

На основе соединений фосфора создаётся множество лекарств и лекарственных средств, широко применяемых в медицине и ветеринарии для лечения многих заболеваний, в том числе связанных с недостатком фосфора в организме человека и животных.

9. Биологическая роль соединений фосфора и их значение:

Биологическую роль фосфора трудно переоценить, ведь он является важным макроэлементом, входящим в состав организмов животных, человека и растений. Оказывается, соединения фосфора присутствуют буквально в каждой клетке любого организма и обеспечивает надлежащее их функционирование и жизнедеятельность. Но в зависимости от того, в каком организме содержится и где локализуется, фосфор выполняет разные функции. Без фосфора правильное протекание физиологических процессов просто невозможно.

Также человек активно использует фосфор для сохранения и повышения уровня урожая в качестве удобрений. Многофункциональность фосфора, его уникальность в участии жизнеобразующих процессов и возможность применения во многих областях нашей жизни подчёркивают важность и незаменимость этого элемента.

Фосфор – это металлоид, который  в зависимости от условий может проявлять то окислительные  свойства, то восстановительные. Эта способность привела к тому, что он  составляет значительную  часть в животных и растительных организмах.

Фосфор – внутриклеточный элемент. Жизнь не может существовать без фосфора, этот элемент необходим как субмикроскопическим частицам – вирусам, так и высокоорганизованным живым системам – животным и человеку. О роли фосфора в процессе жизнедеятельности организма очень хорошо сказал известный биолог и биохимик Энгельгардт В.А.: «Без фосфора нет движения, ибо механизм мышечных сокращений – это целиком химия фосфорных соединений».

а) в организме и питании человека и животных.

• Фосфор в организме человека и животных.

Фосфор – шестой по содержанию элемент в организме человека и животных после углерода, кислорода, водорода, азота и кальция. Его соединения присутствуют в каждой клетке тела и обеспечивают нормальное протекание всех физиологических процессов жизнедеятельности. В организме фосфор главным образом сосредоточен в скелете, мышцах и нервной ткани.

 

 

Функции фосфора в организме:

1. Формирование скелета:

Главная функция  фосфора связана с ростом и поддержанием целостности костной ткани и зубов. Соединения фосфора совместно с витамином D и кальцием играют важную роль в формировании скелета человека (кости и зубы), входит в состав минерального комплекса костной ткани, наращивании мышечной массы (мускулатуры и сердечной мышцы, в частности). Именно благодаря фосфору в организме происходит сокращение мышц (здоровое сердце, дыхание).

Количество фосфора составляет  1 – 1,5% от массы тела. Основное депо фосфора – мышцы и кости, где содержится около 85% всех запасов этого элемента. В теле человека находится примерно 1,5 кг фосфора. Из этого количества 1,4 кг приходится на кости, около 130 г – на мышцы и 12 г – на нервы, головной и спинной мозг.

 

2. Соединения фосфора в организме:

В состав костей фосфор входит в виде трудно растворимых фосфата кальция и гидроксиапатита, в зубную эмаль – фторапатита.

 Также входит в состав  многих биологически важных органических  соединений – сложных эфиров  глюкозы и фруктозы, представлен  орто- и пирофосфорной кислотами, АТФ, входит в состав нуклеотидов, нуклеиновых кислот, фосфопротеидов и фосфолипидов,  ферментов и коферментов.

Эти вещества играют ключевую роль в энергетическом обмене, метаболизме жиров, углеводов и т.д. Например, ортофосфорная кислота и её соли образуют фосфатную буферную систему, регулирующую pH среды в организме человека и животных.

 

3. Участие в создании жидкостей и клеток тела и их росте.

Во внеклеточной жидкости и внутри самих клеток фосфор представлен растворимыми соединениями.

а) В крови фосфор представлен неорганическим фосфатом, органическими фосфорными эфирами, фосфолипидами и свободными нуклеотидами. Неорганические фосфаты – являются составной частью буферных систем плазмы, а так же тканевой жидкости. В плазме крови неорганический фосфор представлен в виде ортофосфатов, обеспечивающих процесс межклеточного энергетического обмена в организме.

Фосфорная кислота играет первостепенную роль в процессах регенерации клеток, их воспроизведения, входит в состав мембран клеток. Обеспечивает обмен жиров и формирование нервных и мозговых клеток мозга.

б) Фосфолипиды – эфиры фосфорной кислоты и липидов (содержат остатки глицерина или сфигнозина, жирных кислот и фосфорной кислоты). Фосфолипиды обладают интересной особенностью – растворяются как в воде (за счет фосфата), так и в масле (за счет углеводородного остатка жирной кислоты) и эта характерная черта делает их важным компонентом клеточных мембран, так как такая структура оболочки позволяет проникать внутрь клетки (или из нее) как водо-, так и жирорастворимым питательным веществам. Т.е. около 1% фосфора в нашем организме участвует в создании буферной ёмкости жидкостей и клеток тела.