XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Многоликий фосфор
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Тема моей работы «Многоликий фосфор». Из курса химии нам известно, что химический элемент – это вид атомов, характеризующихся определенной совокупностью свойств. Вещества, образованные атомами одного элемента, называются простыми. Вещества, образованные атомами разных химических элементов, называются сложными. Мне стало интересно узнать, насколько могут отличаться свойства веществ, в состав которых входит один и тот же химический элемент: фосфор.
Цели моего исследования:
Изучить историю открытия фосфора
Изучить физические свойства фосфора
Изучить химические свойства фосфора
Изучить воздействие фосфора на организм человека
Изучить сферы применения фосфора.
Объектом моего исследования является фосфор, его свойства и области применения
Актуальность: Фосфор – элемент весьма интересный. Он считается одним из самых распространенных соединений в земной коре,и в то же время в свободном виде практически не встречается в силу слишком высокой химической активности. Это вещество используется и в сельском хозяйстве, и в медицине, и в производстве оружия.Фосфор - важная составляющая живой и неживой природы. Он находится в недрах Земли, воде и в нашем организме, а академик Ферсман даже прозвал его «элементом жизни и мысли». Несмотря на свою полезность, фосфор может быть чрезвычайно опасен и ядовит. Давайте же поговорим подробнее о его характеристиках.
I.Фосфор.
1. История открытия фосфора
Гамбургский купец Генниг Бранд, надеялся поправить свои финансовые дела и избежать полного разорения, решил попытать счастья в алхимии. Он пытался найти «философский камень», который дал бы возможность превращать неблагородные металлы в золото. Г. Бранду пришла действительно счастливая мысль провести опыт с мочой. Выпарив ее почти досуха, Г. Бранд оставшееся вещество смешал с углем и песком и нагревал в реторте без доступа воздуха. В результате он получил новое вещество, которое обладает удивительным свойством – светиться в темноте.Так в 1669 г. был открыт фосфор, играющий исключительно важную роль в живой природе. Г. Бранд не замедлил воспользоваться необычным свойством нового вещества и стал демонстрировать светящийся фосфор знатным особам за довольно высокое вознаграждение. Все, что соприкасалось с фосфором, приобретало способность светиться. Г. Бранд ловко использовал огромный интерес ученых и широкой публики к фосфору и стал продавать его по цене, превосходивший даже стоимость золота. Бранд держал в строжайшей тайне способ получения фосфора. Никто из других алхимиков не мог проникнуть в его лабораторию, и посему многие из них стали лихорадочно ставить различные опыты, стремясь разгадать способ получения светящегося вещества.Вскоре рецепт изготовления «холодного огня» стал известен И. Кункелю и К. Кирхмейру, а в 1680 г. секрет получения фосфора был открыт в Англии знаменитым химиком Р. Бойлем. После смерти Р. Бойля его ученик – немец А. Ганквиц, сделав некоторые улучшения в методике получения фосфора, наладил его производство. Интересно, что А. Ганквиц, несмотря на свою длительную работу с фосфором и весьма опасные опыты с ним, дожил до восьмидесятилетнего возраста. Он пережил трех сыновей своих и всех тех, кто принимал участие в работах, относящихся к ранней истории фосфора.Цена на фосфор со времени открытия его И. Кункелем и Р. Бойлем стала быстро падать, и в конце концов наследники первооткрывателей стали знакомить с секретом получения фосфора за 10 талеров.
Фосфор (от греч. phosphoros — светоносный; лат. Phosphorus) — один из самых распространённых элементов земной коры. Фосфор содержится во всех частях зелёных растений, ещё больше его в плодах и семенах. Содержится в животных тканях, входит в состав белков и других важнейших органических соединений (АТФ, ДНК), является элементом жизни.
Элементарный фосфор в обычных условиях представляет собой несколько устойчивых аллотропических модификаций. Выделяют четыре модификации простого вещества — белый, красный, черный и металлический фосфор. В обычных условиях существует только три аллотропических модификации фосфора, а в условиях сверхвысоких давлений — также металлическая форма.
2.Фосфор в периодической системе Д.И.Менделеева:
Неметалл
Символ — Р
Период – 3- малый
Главная подгруппа Vгруппы
Порядковый номер 15
Валентные электроны 3s23p3
Валентность 3,5
Относительная электроотрицательность 2,1
Степень окисления в соединениях: +5, +4, +3, +1, -3, -2
Радиус атома 0,13 нм
Относительная атомная масса 30,97376
Имеет 6 искусственных изотопов
tпл. – 44,15ºС
tкип. – 276,85 ºС
3.Способ получения фосфора
Фосфор получают из апатитов или фосфоритов в результате взаимодействия с коксом и кремнезёмом при температуре 1600 °С:
2Ca3(PO4)2 + 10C + 6SiO2 → P4 + 10CO + 6CaSiO3.
Образующиеся пары белого фосфора конденсируются в приёмнике под водой. Вместо фосфоритов восстановлению можно подвергнуть и другие соединения, например, метафосфорную кислоту:
4HPO3 + 12C → 4P + 2H2 + 12CO.
4.Аллотропные модификации фосфора
Белый фосфор
Белый фосфор представляет собой белое вещество с температурой плавления 44,1 °С. По внешнему виду он очень похож на очищенный воск или парафин, легко режется ножом и деформируется от небольших усилий.
Белый фосфор имеет молекулярное строение; формула P4. Легкорастворим в органических растворителях. Растворимостью белого фосфора в сероуглероде пользуются для промышленной очистки его от примесей. Плотность белого фосфора из всех его модификаций наименьшая и составляет около 1823 кг/м³. Плавится белый фосфор при 44,1 °C. В парообразном состоянии происходит диссоциация молекул фосфора.
Химически белый фосфор чрезвычайно активен. Например, он медленно окисляется кислородом воздуха уже при комнатной температуре и светится (бледно-зелёное свечение). Явление такого рода свечения вследствие химических реакций окисления называется хемилюминесценцией .
Белый фосфор не только активен химически, но и весьма ядовит (вызывает поражение костей, костного мозга, некроз челюстей). Летальная доза белого фосфора для взрослого мужчины составляет 0,05—0,1 г.
Жёлтый фосфор
Неочищенный белый фосфор обычно называют «жёлтый фосфор». Сильно ядовитое, огнеопасное кристаллическое вещество от светло-жёлтого до тёмно-бурого цвета. В воде не растворяется, на воздухе легко окисляется и самовоспламеняется. Горит ослепительным ярко-зеленым пламенем с выделением густого белого дыма — мелких частичек декаоксида тетрафосфора P4O10. Несмотря на то, что в результате реакции между фосфором и водой (4Р + 6Н2О → РН3 + 3Н3РО2) выделяется ядовитый газ фосфин (РН3), для тушения фосфора используют воду в больших количествах (для снижения температуры очага возгорания и перевода фосфора в твердое состояние) или раствор сульфата меди (медного купороса), после гашения фосфор засыпают влажным песком. Для предохранения от самовозгорания желтый фосфор хранится и перевозится под слоем воды.
Красный фосфор
Красный фосфор, также называемый фиолетовым фосфором, — это более термодинамически стабильная модификация элементарного фосфора. Впервые он был получен в 1847 году в Швеции австрийским химиком А. Шрёттером при нагревании белого фосфора при 500 °С в атмосфере угарного газа (СО) в запаянной стеклянной ампуле.
Красный фосфор имеет формулу Рn и представляет собой полимер со сложной структурой. В зависимости от способа получения и степени дробления красного фосфора, имеет оттенки от пурпурно-красного до фиолетового, а в литом состоянии — тёмно-фиолетовый с медным оттенком металлический блеск. Химическая активность красного фосфора значительно ниже, чем у белого; ему присуща исключительно малая растворимость. Растворить красный фосфор возможно лишь в некоторых расплавленных металлах (свинец и висмут), чем иногда пользуются для получения крупных его кристаллов. Так, например, немецкий физико-химик И. В. Гитторф в 1865 году впервые получил прекрасно построенные, но небольшие по размеру кристаллы (фосфор Гитторфа). Красный Фосфор на воздухе не самовоспламеняется, вплоть до температуры 240—250 °С (при переходе в белую форму во время возгонки), но самовоспламеняется при трении или ударе, у него полностью отсутствует явление хемолюминесценции. Нерастворим в воде, а также в бензоле, сероуглероде и других, растворим в трибромиде фосфора. При температуре возгонки красный фосфор превращается в пар, при охлаждении которого образуется в основном белый фосфор.
Ядовитость его в тысячи раз меньше, чем у белого, поэтому он применяется гораздо шире, например, в производстве спичек (составом на основе красного фосфора покрыта тёрочная поверхность коробков). При хранении на воздухе красный фосфор в присутствии влаги постепенно окисляется, образуя гигроскопичный оксид, поглощает воду и отсыревает («отмокает»), образуя вязкую фосфорную кислоту; поэтому его хранят в герметичной таре.
Чёрный фосфор — это наиболее стабильная термодинамически и химически наименее активная форма элементарного фосфора. Впервые чёрный фосфор был получен в 1914 году американским физиком П. У. Бриджменом из белого фосфора в виде чёрных блестящих кристаллов, имеющих высокую плотность. Чёрный фосфор представляет собой чёрное вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь и весьма похожее на графит, и с полностью отсутствующей растворимостью в воде или органических растворителях. Поджечь чёрный фосфор можно, только предварительно сильно раскалив в атмосфере чистого кислорода до 400 °С. Чёрный фосфор проводит электрический ток и имеет свойства полупроводника. Температура плавления чёрного фосфора 1000 °С под давлением 18×105 Па.
Молекула чёрного фосфора построена из объёмных шестиугольников с атомами фосфора в вершинах, связанных друг с другом в слои.
Металлический фосфор
При 8,3×1010 Па чёрный фосфор переходит в новую, ещё более плотную и инертную металлическую фазу с плотностью 3,56 г/см³, а при дальнейшем повышении давления до 1,25×1011 Па — ещё более уплотняется и приобретает кубическую кристаллическую решётку, при этом его плотность возрастает до 3,83 г/см³. Металлический фосфор очень хорошо проводит электрический ток.
Фосфор-смертельное оружие
Человек «приручил» фосфор как в мирных, так и в военных целях. Во времена конфликтов военные инженеры и учёные всегда искали способы наиболее эффективного уничтожения своего противника и часто заходили очень далеко в своих открытиях. Ужасным оружием, наносящим непоправимый ущерб, является белый фосфор. Впервые снаряды, начинённые белым фосфором, стали использовать ещё во времена Первой Мировой Войны. Известно, что немцы применяли ракеты, получившие название "Brennende Zwiebel", но более широкое распространение оружие приобрело во Второй Мировой. К примеру, Люфтваффе имело бомбу “Brand C 250 A”, начинённой 65 кг белого фосфора. Англичане применяли вещество в качестве начинки своих “Стеклянных гранат”, старт производства которых начался в 1940 году.
Страшно представить, что происходило с людьми, попавшими под её действие. Сам по себе белый фосфор является очень токсичным. Доза выше 50 миллиграмм приводит к летальному исходу. Отравление фосфором сопровождается рвотой, головной и желудочной болью. Попадание вещества на кожу вызывает ожоги, которые заживают очень медленно и болезненно. В самом деле, белый фосфор – действительно страшное оружие. При горении он размягчается, тянется и устойчиво прилипает ко всем поверхностям. Потушить его практически невозможно. Раны и ожоги от него чрезвычайно опасны – при попадании на кожу практически неминуемы ожоги третьей и четвертой степени, глубокий некроз тканей, поражения костей и костного мозга. При попадании белого фосфора на бронетехнику возникает не только опасность воспламенения паров бензина – почти наверняка это означает гибель экипажа, так как продукты горения по токсичности не уступают боевым отравляющим веществам, а радиус их действия даже в безветренную погоду достигает десятков метров. Пары фосфорного ангидрида при низкой влажности могут быть устойчивы несколько часов, стелются по земле, сгущаются на поверхностях, особенно на металлических, и снова испаряются. Отдельным поражающим эффектом является и психологический шок – по последствиям также не уступающий результатам применения отравляющих веществ. Раненые с ожогами от фосфора, особенно с ожогами легких, – настоящий кошмар военных госпиталей: их жуткие крики и стоны на фоне бессилия врачей навсегда закрепляются в памяти выздоравливающих, отправляющихся на передовую …
Уже в 1930 году происходили попытки ограничить производство и применение опасного вооружения Лигой наций, указанной в тексте резолюции от 1932 года, но осложнившаяся политическая обстановка привела к её краху.
В 1946 году подписана “Конвенция о защите жертв войны” ограничивающая применение фосфора. Соединённые Штаты и Израиль отказались от подписания.
Ввиду крайней опасности воздействия фосфора на организм человека, ООН запретило использовать данный вид боеприпасов, если от их воздействия страдают гражданские лица, однако этот закон часто нарушается. При оккупации Кампучии в 1980-х годах прошлого столетия вьетнамская армия применяла авиационные неуправляемые реактивные снаряды, заряженные белым фосфором, для уничтожения «красных кхмеров». Реактивные фосфорные снаряды были использованы британскими спецслужбами в 2003 году вблизи города Басры в Ираке. Годом позже в Ираке уже армия США применила в боях за Фаллуджу фосфорные бомбы. В 2006 и в 2009 годах армия Израиля использовала фосфорные боеприпасы в ходе Второй Ливанской войны, а также в секторе Газа при проведении операции «Литой свинец».
В настоящее время синтезировано около 12 тысяч фосфорорганических соединений типа эфиров различных фосфорсодержащих кислот. Фосфорорганические эфиры являются высокотоксичными веществами нервно-паралитического действия. Многие из них нашли широкое применение в качестве инсектицидов для уничтожения насекомых-вредителей сельскохозяйственных культур и в системе санитарно-противоэпидемических станций; некоторые эфиры применяются в медицине в качестве лекарств, а ряд соединений состоят на вооружении как отравляющие вещества.
Фосфорорганические отравляющие вещества являются в настоящее время самыми опасными веществами быстрого и смертельного действия в арсенале химического оружия зарубежных армий.
Впервые они появились в фашистской Германии в годы второй мировой войны. Синтез их был осуществлен в лабораториях Фарбениндустри Шрадером. В 1937г. синтезирован табун, в 1938г.— зарин и в 1944г.— зоман. Был налажен массовый выпуск этих отравляющих веществ. В Англии в эти годы синтезирован диизопропилфторфосфат и введен на вооружение как штатное отравляющее вещество.
В 50-х годах шведский химик Таммелин синтезировал высокотоксичные аминотиоловые эфиры фосфоновых кислот, на основании которых в США с 1955г. на вооружении появились наиболее высокотоксичные отравляющие вещества под условным названием V-газы (вигазы). На вооружении стран НАТО состоят зарин, зоман, V-газы и др.
Особая опасность фосфорорганических отравляющих веществ объясняется следующими характерными свойствами этих соединений: 1) они являются наиболее токсичными среди всех отравляющих веществ; 2) могут проникать в организм всеми возможными путями, в том числе через кожу, что затрудняет защиту от них; 3) многие из них не имеют цвета и запаха, практически трудно обнаруживаются органами чувств и момент поражения может проходить незаметно; 4) обладают значительной стойкостью на местности; 5) могут вызывать так называемую молниеносную форму поражения, когда смерть наступает в первые 5—10 мин. на поле боя до получения необходимой медицинской помощи. Эти обстоятельства приводят к выводу, что фосфорорганические отравляющие вещества являются мощным боевым средством поражения.
Фосфор-элемент жизни
Фосфорные соединения являются жизненно необходимыми для организма веществами. Долгое время ученые бились над загадкой, как смогли зародиться современные организмы, обладающие ДНК, то есть своего рода архивом генетической информации. Оказалось, что для этого был нужен биологический фосфор – без него невозможно построение органической молекулы. Именно этому элементу люди обязаны своим происхождением, впрочем, так же, как и любые другие живые организмы.
В настоящее время фосфор встречается в природе только в виде труднорастворимых соединений. А ведь известно, что жизнь зародилась в воде. Ученые полагают, что тогда, когда появились первые органические молекулы, растворимого фосфора на планете было более чем достаточно. А «занесли» его на планету метеориты, в состав которых входил минерал шрейберзит, состоящий из никеля и фосфида железа. При попадании в воду это приводило к образованию растворимых фосфитов. Так что метеоритные бомбардировки сыграли и положительную роль. В дальнейшем образования растворимых форм проходило уже не так активно, и было связано только с геотермальной активностью в сейсмозонах или ударами молний.
В организме человека содержится 600-900 г фосфора в виде неорганического фосфата и органических соединений, преимущественно различных эфиров фосфорной кислоты. В виде соединений с кальцием он присутствует в зубах и скелете, придавая костям твердость и прочность. В составе зубной эмали присутствует его производная – фторапатит. Элемент присутствует в соединениях АТФ и ДНК. Он имеет важнейшее значение для деятельности мозга. Находясь в нервных клетках, он способствует передаче нервных импульсов. Фосфор содержится в мышечной ткани. Он участвует в процессе преобразования энергии из белков, жиров и углеводов, поступающих в организм. Элемент поддерживает кислотно-щелочной баланс в клетках, осуществляется их деление. Он способствует метаболизму, крайне необходим во время роста организма и его восстановления. Основная роль фосфора в организме человека заключается в обеспечении нормального роста костной и зубной тканей, а также последующее поддержание их целостности в течение всей жизни. Отмечено, что люди, употребляющие больше фторсодержащих продуктов, дольше других сохраняют свои зубы целыми и здоровыми. У взрослого человека до 90% фосфора находится именно в минеральной части костей и зубов.
Образуемая в организме фосфорная кислота идет на строительство фосфатаз – ферментов, без которых невозможно осуществление нормальных химических реакций в клетках. Фосфорная кислота также принимает участие в липидном обмене, синтезе и распаде гликогена и крахмала, входит в состав скелетной ткани, но особенно много ее в тканях нервных клеток и мозга. Ученые уже давно знают, что без фосфора невозможен не только процесс мышления, но и само движение, так как сокращение мышц и передача нервных импульсов происходит при участии фосфорных соединений.
Фосфор также участвует в процессах обмена энергии, одним из его важных и известных соединений является АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) и креатинфосфат, которые обеспечивают протекание всех необходимых процессов в клетках, тканях, мышцах. Без этих веществ мышцы просто не смогут сокращаться, и любая деятельность – нервная, умственная или двигательная — станет невозможной.
Оказывается, вместе с белками и жирными кислотами, фосфор также участвует в образовании такого высокоактивного соединения, как лецитин. Лецитин – это смесь фосфолипидов, из которых на 30% состоят клетки головного мозга и, который необходим для всех других нервных тканей и клеток. Известно, что лецитин расходуется при высоких психоэмоциональных нагрузках, поэтому при дефиците фосфора в организме серьезно страдает и нервная система человека.
Нуклеиновые кислоты, хранящие и передающие наследственную информацию, отвечающие за нормальное деление и рост клеток, тоже содержат в своем составе фосфор. В этом случае, фосфор жизненно важен и для репродуктивной функции, как мужчин, так и женщин.
Поскольку фосфор входит в состав крови и других жидкостей, то он также принимает участие в поддержании кислотно-щелочного (pH) баланса в организме. А, принимая участие в ферментативных реакциях, он еще участвует и в синтезе витаминов.
Наличие всех этих соединений в организме играет важную роль, при их нехватке могут развиваться различные патологии костной ткани, Избыток фосфора в организме приводит к ломкости костей, возникновению сердечно-сосудистых заболеваний, появлению кровотечений, анемии. От перенасыщения фосфором страдают также печень и система пищеварения.
При недостатке фосфора в организме человека, в первую очередь, страдают кости, зубы и нервная система. Поскольку этот элемент жизненно важен для нашего организма и участвует в многих важных реакциях, то его дефицит организм будет компенсировать за счет органов и систем, где его содержится больше.
Например, при дефиците фосфора ребенок будет плохо расти и умственно развиваться. У взрослого человека нехватка фосфора будет делать кости и зубы слабыми и хрупкими. При этом, также будет страдать память и нервная система.
При недостатке фосфора и выработке лецитина взрослый человек и ребенок будет проявлять чрезмерную раздражительность и дефицит внимания. Когда говорят о гиперактивности ребенка, это означает, что ему как раз не хватает лецитина, а значит фосфора. У взрослого человека раздражительность со временем истощает нервную систему, что в итоге приводит к апатии и затем к депрессии.
В окружающей среде фосфор содержится в некоторых горных породах, залегающих в недрах Земли. Круговорот этого элемент в природе можно разделить на два этапа:
наземный – начинается, когда породы, содержащие фосфор, выходят на поверхность, где происходит их выветривание;
водный – элемент попадает в море, часть поглощается представителями фитопланктона, который, в свою очередь, поедается морскими птицами и выводится наружу вместе с их продуктами жизнедеятельности.
Те вещества, которые содержат фосфор и находятся на суше, поступают в почву. Корни растений поглощают фосфор вместе с другими элементами. Когда травы, деревья и кусты отмирают, фосфор вместе с ними возвращается в грунт. Он теряется из земли, когда происходит водная эрозия. В тех почвах, где есть высокое содержание фосфора, под воздействием различных факторов, образуются апатиты и фосфориты. В круговорот фосфора отдельный вклад вносит агропромышленный комплекс, где используются фосфорные удобрения.
Таким образом, круговорот фосфора в среде – это довольно длительный процесс. В ходе его протекания элемент попадает в воду и землю, насыщает животных и растения, обитающих, как на земле, так и в воде, а также в некотором количестве попадает в организм человека.
Заключение
В ходе проведённых мною исследований я:
Изучила физические свойства фосфора и историю его открытия
Разобралась в аллотропных модификациях фосфора.
Изучила химические свойства фосфора и сферы применения фосфоросодержащих веществ в нашей жизни.
Узнала о влиянии фосфора на живые организмы и на человека.
После проведенных мною исследований можно сделать вывод: фосфор – очень важный и «многоликий» элемент нашей жизни: он содержится в наших костях, тканях и органах, играя важную роль в жизнедеятельности живых организмов. И вместе с тем фосфор может быть страшным смертельным оружием.
Возможно, в ближайшем будущем будут открыты новые свойства этого удивительного вещества или направления его использования.
Список использованных источников и литературы
«Книга для чтения по неорганической химии» часть II В.А.Крицман
«Курс неорганической химии» том 1 Г. Реми
«Общая химия» Н. Л. Глинка
«Основы общей химии» том 1 Б.В.Некрасов
«Пятая вертикаль» Г.Н.Фадеев
https://kratkoe.com/oblasti-primeneniya-fosfora
https://kratkoe.com/oblasti-primeneniya-fosfora
https://kratkoe.com/oblasti-primeneniya-fosfora