کاربرد عنصر فسفر چیست؟ خواص و ویژگی فسفر را می شناسید؟
عنصر فسفر از عناصر شیمیایی جدول تناوبی عناصر بوده و با نماد شیمیایی P شناخته می‌شود. عدد اتمی عنصر فسفر ۱۵ و عدد جرمی آن ۳۰.۹۷۴ است. عنصر فسفر در گروه ۱۵ و تناوب ۳ جدول تناوبی مندلیف جای گرفته است. عنصر فسفر از دسته نافلزات بوده و در پایین نیتروژن قرارگرفته است. ترکیبات عنصر فسفر در طبیعت یافت شده ولی این ماده به‌صورت خالص در طبیعت وجود ندارد. واکنش پذیری عنصر فسفر بسیار زیاد است. خواص عنصر فسفر موجب شده تا هنگام واکنش با اکسیژن نور اندکی ساطع کند. انواع عنصر فسفر به صورت فسفر سفید، فسفر قرمز و فسفر سیاه شناخته شده است. کاربرد عنصر فسفر در صنعت و کشاورزی و نقش های بیولوژیکی آن را به یک ماده مهم تبدیل نموده است. ایزوتوپ عنصر فسفر نیز شناخته شده است و در ادامه مقاله بررسی می شود.
نشریه علمی جهان شیمی فیزیک به بررسی عناصر شیمیایی جدول تناوبی پرداخته است. مانند: کربن، نیتروژن، آلومینیوم و… . در ادامه این مقاله با بررسی کاربرد و خواص و ویژگی عنصر فسفر با ما همراه باشید.
پیشینه عنصر فسفر
عنصر فسفر ماده ای است که در یونان به آن فسفروس گفته می شده است. فسفروس به معنای حامل روشنایی و از نام های باستانی سیاره زهره است. این ماده در سال ۱۶۶۹ توسط شیمیدان آلمانی هنیگ براند هنگام تولید یک دارو از ادرار شناخته شد. این دانشمند با تبخیر ادرار سعی در تقطیر نمک داشت. طی این فرایند ماده سفید رنگی تولید شد که در تاریکی درخشیده و با نور زیادی می سوخت. جالب است بدانید در گذشته از فسفر سفید در کبریت ها استفاده می شد. این کبریت ها سمی و خطرناک بودند و استفاده از آن ها موجبات قتل و خودکشی را فراهم می کرد.
کارگران کبریت سازی به دلیل مجاورت با بخار آن به مردگی استخوان های فک دچار می شدند. بعد از اینکه فسفر قرمز کشف شد، جایگزین فسفر سفید در صنعت کبریت سازی گردید. فسفر قرمز خاصیت آتش زایی و سمی کمتری نسبت به فسفر سفید دارد.
ویژگی عنصر فسفر
- نام : فسفر Phosphorus
- عدد اتمی: ۱۵
- عدد جرمی: ۳۰.۹۷۴
- گروه: ۱۵
- تناوب: ۳
- فاز در STP: جامد
- آرایش الکترونی: [Ne] 3s۲۳p۲
- چگالی: ۸۲ g/cm3
- نقطه ذوب: ۱ °C
- نقطه جوش: ۲۸۰ °C
- شعاع اتمی: ۱.۲۸ آنگستروم
- لایه الکترونی: ۲و ۸و ۵
خواص عنصر فسفر
این ماده یک نافلز چند ظرفیتی است. این ماده به شکل یک ماده جامد، موم مانند و سفید رنگ است. که البته بوی نا مطبوعی هم دارد. لازم به ذکر است که فسفر خالص بی رنگ و شفاف است. این نافلز در آب قابل حل نیست اما در دی سولفید کربن حل می شود. عنصر فسفر خالص به سرعت در هوا سوخته و به پنتا اکسید فسفر تبدیل می شود. مدل اتمی بور برای عنصر فسفر تعریف شده است.
پیدایش عنصر فسفر
به دلیل واکنش پذیری بالای این ماده در هوا و دیگر مواد حاوی اکسیژن، این ماده به تنهایی در طبیعت یافت نمی شود. اما ترکیب عنصر فسفر به مقدار زیاد در معادن گوناگون وجود دارد.
فسفرهای چند شکلی سفید را می توان به روش های گوناگون تهیه نمود. تری کلسیم فسفات از صخره های فسفاتی گرفته شده و طی فرایندی در مجاورت کربن و سیلیکا در کوره های سوختی یا برقی حرارت داده می شود. طی این فرایند، عناصر فسفری به شکل بخار آزاد شده و به صورت اسید فسفریک جمع آوری می گردند.
انواع فسفر
- فسفر سفید (یا زرد)
- فسفر قرمز
- فسفر بنفش
- فسفر سیاه
آلوتروپ عنصر فسفر
فسفر سفید
فسفر سفید در واقع سم مهلکی است که به شکل صنعتی تولید می‌شود. این ماده از گروه چهار اتمی های چهار وجهی است. فسفر سفید فعال حالتی پلاستیکی و مومی دارد و در تاریکی می‌تابد. این ماده اگر در معرض هوا قرار بگیرد، شعله‌ور شده و می سوزد. ذخایر فسفر سفید در زیر آب یافت شده و در مجاورت با گرما یا نور به فسفر قرمز تبدیل می شود. این عنصر به عنوان مهمات در ارتش نیز به کار می رود. توجه شود که آلوتروپ عنصر فسفر سفید بسیار فعال است. این ماده در مقابل هوای گرم به طور خود به خودی دچار احتراق می‌شود.
آلوتروپ فسفر قرمز
آلوتروپ فسفر قرمز نیز مانند فسفر سفید از گروه چهار اتمی های چهار وجهی است. این آلوتروپ علاوه بر اینکه پایدارتر بوده، سمی و آتش‌گیر هم نیست. به خاطر تغییرات کم در ساختار شیمیایی، رنگ این آلوتروپ از نارنجی تا ارغوانی می تواند تغییر داشته باشد. فسفر قرمز در اثر تماس و یا گرمای مالشی سوخته و در کربن دی سولفید هم حل نمی‌شود.
این آلوتروپ واکنش پذیری کمتری از فسفر سفید دارد. کاربرد آن نیز بیشتر است. برای تهیه آلوتروپ فسفر قرمز، فسفر سفید را در ظروف سربسته حرارتی تا حدود ۳۰۰ درجه سانتی گراد حرارت می‌دهند. کاربرد فسفر سرخ در تهیه فسفریک اسید و ترکیب های فسفر، نیمه رساناها، کبریت بی خطر، کود شیمیایی، برنز فسفر دار، در صنایع و در لوازم آتش بازی وجود دارد.
فسفر سیاه
فسفر سیاه یا پلیمری پایدار ترین آلوتروپ فسفر است. این انواع عنصر فسفر تحت فشار بالا ساخته می‌شوند. این آلوتروپ بسیار شبیه به گرافیت بوده و همانند آن توانایی هدایت الکتریکی را نیز دارد. در انواع فسفر سیاه، اتم ها در صفحه ای شش وجهی چیده شده و رسانای جریان الکتریسیته هستند.
فسفر بنفش
با روش خاصی فسفر بنفش با حرارت دادن و تبلور فسفر قرمز تولید می‌شود. شکل این نوع عنصر (آلوتروپ فسفر بنفش) به صورت لوله هایی پنج وجهی است.
ایزوتوپ عنصر فسفر
از عنصر فسفر ۲۳ ایزوتوپ (P-24 تاP-46 ) کشف و شناسایی شده است. از این تعداد ایزوتوپ عنصر فسفر تنها ایزوتوپ (P-31) پایدار است. از این ماده ایزوتوپ پرتوزا نیز کشف شده است. ایزوتوپ P-33 با نیمه عمر ۲۵٫۳۴ روز و P-32 با نیمه عمر ۱۴٫۲۶۳ روز، پایدارترین ایزوتوپ عنصر فسفر پرتو زا می باشند. ایزوتوپ P-25 نیز با نیمه عمر ۳۰ نانو ثانیه ناپایدار ترین ایزوتوپ پرتوزای فسفر است.
همان طور که گفته شد، ایزوتوپ فسفر -۳۲، ایزوتوپ پرتوزای این ماده است. هسته ایزوتوپ فسفر-۳۲ شامل ۱۵ پروتون و ۱۷ نوترون است. درواقع این ایزوتوپ یک نوترون از رایج ترین ایزوتوپ فسفر یعنی فسفر-۳۱ بیشتر دارد. ایزوتوپ فسفر-۳۲ در مقادیر کم روی زمین وجود دارد. زیرا نیمه عمر این ایزوتوپ تنها ۱۴ روز است و به سرعت دچار واپاشی می شود.
کاربرد این ماده در بسیاری از مولکول های آلی یافت می شود. بنابراین ایزوتوپ فسفر-۳۲ می تواند کاربرد های زیادی در پزشکی، بیوشیمی و زیست شناسی مولکولی داشته باشد. ایزوتوپ فسفر-۳۲ می تواند جهت ردیابی مولکول های فسفریله شده و برچسب گذاری رادیو اکتیو DNA به کار رود.
کاربرد عنصر فسفر
-
کاربرد این ماده در پزشکی
غذا هایی که مصرف می کنیم حاوی مقادیر کافی فسفر برای بدن است. بنابراین اغلب نیاز به مصرف مکمل های فسفر وجود ندارد. در برخی موارد برای مثال در اشخاصی که بیماری کلیوی دارند، پزشک معالج مکمل های فسفر را تجویز می‌کند. مصرف فسفر و کلسیم با یکدیگر می‌تواند باعث بهبود شکستگی استخوان و درمان بیماری های ناشی از کمبود های ویتامین D مانند: نرمی استخوان (راشیتیسم) شود.
-
کاربرد بیولوژیکی
بدن انسان برای تولید انرژی و کنترل آن به کاربرد عنصر فسفر نیاز دارد. بعد از کلسیم، فسفر دومین و متداول ترین مواد معدنی مورد نیاز بدن انسان است. این ماده در سنتز پروتئین ها، چربی ها و کربوهیدرات ها نقش حیاتی دارد. خواص این ماده برای حفظ تعادل مایعات و الکترولیت در بدن ضروری است. کمبود این ماده می‌تواند تأثیرات بدی را در بدن ایجاد کند. عنصر فسفر بخش حیاتی از DNA و RNA بوده و ساختار این دو را به هم متصل می نماید.
در انتقال تکانه های عصبی در بدن کاربرد خواص عنصر فسفر نقش حیاتی دارد. کلسیم مهم‌ترین عنصر در بدن برای شکل گیری دندان ها و استخوان هاست. اما کلسیم نمی‌تواند به تنهایی این فعالیت ها را انجام دهد. بدن به خواص عنصر فسفر نیز برای این کار نیاز دارد. نیمی از استخوان های بدن از فسفات تشکیل شده‌اند. از کاربرد این ماده در بدن می توان به تسهیل در هضم ریبوفلاوین و نیاسین اشاره نمود. این ماده در دفع مواد زائد از کلیه ها کمک می کند.
-
کاربرد تجاری
کاربرد عنصر فسفر و ترکیبات مختلف آن بسیار متنوع است. مشهور ترین کاربرد صنعتی عنصر فسفر برای ساختن کبریت است. درواقع سر چوب کبریت از فسفر و یا از ترکیب ارگانیک آن ساخته می‌شود. البته قبلا از فسفر سفید برای ساخت سر کبریت استفاده می‌شد. اما به دلیل اینکه مصرف فسفر سفید برای مصرف کنندگان خطرآفرین بود، در نهایت با فسفر قرمز جایگزین شد.
با استفاده از ویژگی عنصر فسفر می توان از آن به عنوان: پیش‌گیرنده شعله در منسوجات، مواد پلاستیکی، درزگیر‌ها و… استفاده نمود.
پولیش شیمیایی ساخته شده از این ماده نیز برای سفید کاری آلومینیوم و آلیاژ های آلومینیومی مناسب است.
این ماده در محلول‌های پاک کننده نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. خواص این ماده برای تولید خمیر دندان، آفت کش، مواد شوینده، فولاد و… بکار می رود.
برای ساخت بمب های آتش زا و دود زا نیز این ماده استفاده می‌شود. کاربرد P سفید برای ساخت بمب های آتش زا در جنگ جهانی دوم صورت گرفته است. از سلاح های ساخته شده از این ماده شیمیایی در جنگ کره، عراق، اسرائیل نیز استفاده شده است.
از فسفر قرمز نیز برای ساخت گلوله های رسام استفاده می‌شود.
تری‌سدیم فسفات به عنوان پاک کننده و برای نرم کردن آب استفاده می شود.
اسید فسفریک در نوشیدنی های گاز دار و از مونوکلسیم فسفات برای درست کردن لیموناد استفاده می گردد.
-
کاربرد این ماده در رشد گیاهان
یکی از سه ماده مغذی ضروری که نقش حیاتی در رشد گیاهان ایفا می‌کند، فسفر و خواص عنصر فسفر است. نیتروژن و پتاسیم هم عناصر دیگر هستند. فتوسنتز، انتقال مواد مغذی و انتقال انرژی نیاز مبرم به این عنصر بی نظیر دارند.
- کاربرد عنصر فسفر در فرایند فتوسنتز انرژی نور را به انرژی شیمیایی تبدیل می‌کند.
- فسفر مواد مغذی موجود در خاک را با آب حل کرده و به قسمت های مختلف گیاه می رساند.
- فسفر به عنوان منبع ذخیره سازی انرژی در سلول ها به شکل فسفات عمل می‌کند.
- فسفر با رشد ساختار های سلولی در ارتباط بوده و کمبود آن می‌تواند رشد گیاه را تا حد قابل توجهی مختل نماید.
-
استفاده از ویژگی عنصر فسفر در کشاورزی
ترکیب اصلی کود هایی با نیتروژن بالا، آمونیوم فسفات است. انتقال انرژی، تحریک رشد ریشه و انتقال مواد مغذی از خاک به بخش های مختلف گیاه با این ماده تسهیل شده و به رشد گیاه کمک می‌شود. سنگ فسفات نیز برای کاهش اسیدیته خاک به کار می رود.
-
سایر کاربرد و مصرف
از اسید فسفریک غلیظ شده در کود ها برای کشاورزی و تولیدات کشاورزی استفاده می شود.
فسفات‌ها در شیشه های خاص، لامپ سدیم، تولید استیل و کاربردهای نظامی کاربرد دارد.
استفاده از سموم دفع آفات و کاربرد در انواع مواد شوینده از دیگر موارد مصرف عنصر کربن است.
هشدار مصرف عنصر فسفر
فسفر ماده ای بسیار سمی است. حتی مقدار ۵۰ میلی گرم از آن نیز کشنده است.
فسفر سفید همیشه باید در زیر آب نگهداری شود. زیرا در مجاورت هوا بسیار واکنش پذیر است. هنگام کار با این ماده حتما باید از انبر استفاده نمود. زیرا تماس این ماده با پوست می تواند باعث سوختگی های مزمن شود.
خواص سمی فسفر سفید باعث بیماری مردگی فک در کارگران در ارتباط با آن می شود.
برای سیستم عصبی استرهای فسفاتی سمی هستند، اما فسفات های معدنی و کانی معمولاً غیر سمی می باشند.
آلودگی فسفاتی اغلب زمانی رخ می دهند که کود ها و مواد پاک کننده در خاک ها باقی بمانند.
هنگامی که فسفر سفید در مجاورت نور خورشید قرار گیرد و یا تا دمای ۲۵۰ درجه سانتی‌گراد حرارت داده شود، به گونه قرمز تبدیل می شود. فسفر قرمز در هوا ترکیب نشده و فورا در هوا آتش نمی گیرد. بنابراین به خطرناکی فسفر سفید نیست. اما در عین حال باید مصرف فسفر قرمز نیز با احتیاط صورت گیرد. چرا که در شرایط و تحت دما های خاص ممکن است به فسفر سفید تبدیل شود.
این ماده در صورتی که تحت گرما قرار گیرد، گاز های بسیار سمی که حاوی اکسید های فسفر هستند از خود ساطع می کند.
