Fosfor a kyselina fosforečná Fosfor

Fosfor a kyselina fosforečná
Fosfor je nekovový prvek, vyskytující se v přírodě pouze ve formě sloučenin. V nich se běžně setkáváme s fosforem v mocenství P⁺⁵.

V přírodě se setkáme pouze se sloučeninami fosforu P₂O_5. V zemské kůře se fosfor vyskytuje poměrně hojně, je 11. prvkem v pořadí výskytu a jeho koncentrace se průměrně odhaduje na 1 – 1,2 g/kg. V mořské vodě je jeho koncentrace velmi nízká, pouze 0,07 mg P/l, ve vesmíru připadá na jeden atom P přibližně 3 miliony atomů H₂.

Minerály:

Apatit - směsný fosforečnan vápenatý o složení: Ca₅(PO4)₃X (X= OH^-, F^-, Cl^- ). Apatit slouží jako základní surovina pro výrobu fosforu a především jeho sloučenin, fosforit Ca₃(PO₄)₂, fluoroapatit Ca₅(PO₄)₂F, wavelit 3 Al₂O₃.2 P₂O₅.12 H₂O a vivianit Fe₃(PO₄)₂.8 H₂O.

Dále se fosfor vyskytuje ve všech živých organizmech na Zemi, je především uložen v kostech a zubech, ale je složkou důležitých organických molekul jako DNA a RNA, energetických přenašečů (ADP, ATP) a je obsažen ve většině tuků, neboli lipidů.

Elementární fosfor se vyskytuje ve 3 alotropních modifikacích – bílý, červený a černý fosfor.
Bílý fosfor je tvořen z molekul P₄, které jsou příčinou jeho vysoké reaktivity.

Vlastnosti: měkká látka nažloutlé barvy (někdy se proto označuje jako žlutý fosfor), lze krájet nožem; je jedovatý a na vzduchu samozápalný. Ve tmě jeho páry fosforeskují (dochází k oxidaci par vzdušným O₂ a přitom vydává světlo). Pro dlouhodobější uchovávání musí být ponořen ve vodě, která brání jeho samovolnému vzplanutí. Je nerozpustný ve vodě, ale dobře se rozpouští v sirouhlíku CS₂. Bílý fosfor je velmi reaktivní látka, která se již za pokojové teploty slučuje s mnoha prvky a látkami. V teplém roztoku hydroxidu draselného KOH se rozpouští za vzniku dihydrogenfosforečnanu draselného KH₂PO₄ a fosfanu PH₃.

Použití: výroba samozápalných leteckých pum a dělostřeleckých granátů (způsobuje těžké popáleniny a zároveň je velmi obtížné jej uhasit, jedině ponořit do vody). Toxických vlastností bílého fosforu se dodnes využívá při výrobě jedovatých nástrah na krysy a jiné hlodavce. Bílý fosfor se také využívá k výrobě farmaceutických preparátů.

Červený fosfor P_n:

Vzniká zahřátím bílého fosforu na 250 ºC v uzavřené nádobě pod tlakem v inertním prostředí. Tato přeměna probíhá i za normálních působením světla, ale velmi pomalu.

Vlastnosti: na vzduchu neomezeně stálý, není rozpustný v polárních ani nepolárních rozpouštědlech, má teplotu tání 597 °C, není jedovatý a s většinou prvků se slučuje až při vyšších teplotách, polymerní.
Použití:

Přesto, že není samovznětlivý, je červený fosfor schopen vzplanout při silnějším lokálním zahřátí, vyvolaném např. mechanickým třením. Díky této vlastnosti je červený fosfor dodnes základní surovinou pro výrobu běžných kuchyňských zápalek a různých pyrotechnických potřeb, jako jsou roznětky.

Červený fosfor je výchozí sloučeninou pro přípravu téměř všech sloučenin obsahujících fosfor.


Černý fosfor

Vznik: zahříváním červeného fosforu pod tlakem za teploty přes 400 ºC nebo zahříváním bílého fosforu za teploty 200°C a tlaku 12 000 atmosfér nebo pohodlněji zahříváním bílého fosforu za teploty 380°C a přítomnosti jemně rozptýlené kovové rtuti.

Vlastnosti: stálý, fyzikálními vlastnostmi připomíná kovy, má kovový lesk, je tepelně i elektricky dobře vodivý a má polymerní strukturu. Chemickými vlastnosti se velmi podobá červenému fosforu, ale na vlhkém vzduchu se oxiduje rychleji. Ze všech tří modifikací je černý fosfor do teploty 550°C termodynamicky nejstabilnější modifikací.

Použití: Díky svých kovových vlastností se nejvíce využívá v elektrotechnice při výrobě polovodičů typu N (negativních), které mají tzv. elektronovou vodivost.


Výroba fosforu:

Redukcí fosforečnanů koksem (uhlíkem) za přítomnosti křemenného písku.

Ca₃(PO₄)₂ + 3 SiO₂ → 3 CaSiO₃ + P₂O₅

2P₂O₅ + 10 C → 10 CO + P₄

Postup:

Fosfor se spaluje v elektrické obloukové peci za vysoké teploty (okolo 1300°C). V tavenině těká jako molekula P4 a je zachycován po kondenzaci ve vodě jako bílý fosfor.

Další využití:

1) rostlinná hnojiva

2) Vápenaté a sodné fosforečnany se přidávají do zubních past.

3) Součást odrezovacích roztoků pro odstraňování korozních produktů z povrchu železných konstrukcí, protože velmi snadno reagují s oxidem železitým Fe₂O₃.

4) změkčování vody - sodné soli kyseliny fosforečné se uplatňují jako součást prášků na praní nebo prostředků na mytí nádobí v automatických myčkách (Na₃ PO₄)

5) v potravinářství při výrobě sýrů a nakládání šunky Na₂HPO₄

6) Fosforečnany amonné (NH₄)₂HPO₄ a NH₄H₂PO₄ slouží v zemědělství jako velmi účinná hnojiva. Přidávají se také jako samozhášecí přísada do celulózy s cílem zmenšit hořlavost výsledných výrobků (divadelní kulisy).
Kyselina fosforečná
Vlastnosti:

Je středně silná, trojsytná minerální kyselina. Koncentrovaná kyselina fosforečná je těžká, viskozní kapalina s velmi vysokým bodem varu. V pevném stavu je to bezbarvá krystalická látka (bezbarvé, tvrdé, kosočtverečné, hygroskopické krystalky, jejichž rozpouštěním ve vodě vzniká 85% roztok), bod varu 213^oC, teplota tání 42^oC, hustota 1,19 g/cm³.

Použití:

Při zpracování ropy a při úpravě kovů, výroba nealkoholických nápojů (obsahuje ji například Coca-Cola) a při výrobě zubních tmelů, důležitou surovinou pro výrobu tzv. trojitého superfosfátu.

Příprava: reakcí oxidu fosforečného s vodou 2 P₂O₅ + 6 H₂O → 4H₃PO₄


Výroba kyseliny fosforečné:

1) termickým (tepelně) spalováním roztaveného fosforu ve směsi vzduchu a vodní páry

P₄ + 5 O₂ → 2P₄O₅

2 P₂O₅ + 6 H₂O → 4 H₃PO₄

2) extrakčně - tzv. mokrý proces reakcí kyseliny sírové s přírodním fosfátem:

Ca₅(PO₄)₃F + 5 H₂SO₄ + 10 H₂O → 3 H₃PO₄ + 5 CaSO₄·2 H₂O + HF