علوم پایه

فسفر چیست و از کاربردهای گسترده آن چه می دانید؟

فسفر عنصر  پانزدهم در جدول تناوبی است و با نماد P نشان داده می شود این عنصر در طبیعت به صورت آزاد یافت نمی شود ولی به صورت ترکیب حتی در بدن موجودات زنده نیز یافت می شود. فسفر یک غیر فلز است و در برخی متون به دلیل درخشش وهم آور و تمایل به شعله ور شدن از آن  به عنوان “عنصر شیطان” یاد می شود.

فسفر خالص مانند سایر غیر فلزات اشکال کاملاً متفاوتی دارد و حداقل دارای پنج آلوتروپ است. علاوه بر این فسفر سفید ، قرمز ، بنفش و سیاه نیز وجود دارد. در شرایط عادی ، فسفر قرمز و سفید رایج ترین نوع فسفر می باشند. در حالی که خواص فسفر به آلوتروپ آن بستگی دارد ولی آنها دارای ویژگی های غیر فلزی مشترک هستند.

مواجهه با عنصر خالص می تواند کشنده باشد و به ویژه فسفر سفید اثرات منفی بر سلامتی دارد. کبریت هایی که با استفاده از فسفر سفید ساخته می شوند با بیماری شناخته شده به نام فک فسیلی در ارتباط هستند  که باعث تغییر شکل صورت و مرگ می شود. تماس با این ترکیب می تواند باعث سوختگی شیمیایی شود. فسفر قرمز یک گزینه ایمن تر است و غیر سمی محسوب می شود. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می گردد لطفا همراه ما باشید.

حقایقی در رابطه با فسفر

این عنصر به جز فسفر سیاه رسانای ضعیفی برای حرارت و برق است. انواع فسفر در دمای اتاق جامد هستند. فسفر سفید که گاهی اوقات فسفر زرد نامیده می شود شبیه موم است ، فرم قرمز و بنفش جامدات غیر بلوری هستند در حالی که آلوتروپ سیاه شبیه گرافیت است. عنصر خالص واکنش پذیر است ، تا حدی که فسفر سفید به طور خود به خود در هوا شعله ور می شود. این عنصر به طور معمول در حالت اکسیداسیون +۳ یا +۵  قرار دارد.

فسفر طبیعی از یک ایزوتوپ پایدار ،P -31 تشکیل شده است. حداقل ۲۳ ایزوتوپ از این عنصر شناخته شده است. کاربرد اصلی این عنصر برای تولید کود است. این عنصر همچنین در مشعل ها ، وسایل آتش  بازی ، دیودهای ساطع کننده نور و تولید فولاد استفاده می شود. از ترکیبات فسفر در بعضی از مواد شوینده استفاده می شود. نوع قرمز نیز یکی از مواد شیمیایی است که در تولید غیرقانونی مت آمفتامین ها استفاده می شود.

طبق تحقیقی که در مجموعه مقالات آکادمی های ملی علوم منتشر شده است ، ممکن است فسفر توسط شهاب سنگ ها به زمین آورده شده باشد. پیدایش ترکیبات فسفر در اوایل تاریخ زمین به شرایط لازم برای پیدایش حیات کمک کرده است. این عنصر با غلظت حدود ۱۰۵۰ قسمت در میلیون ، از نظر وزن ، در پوسته زمین فراوان است .

گرچه جداسازی این ماده از ادرار یا استخوان قطعاً ممکن است ، اما امروزه این عنصر از مواد معدنی حاوی فسفات جدا می شود. این عنصر با گرم كردن سنگ معدن در كوره و بدست آوردن بخار تترا فسفر از فسفات كلسیم بدست می آید. این بخار برای جلوگیری از اشتعال در زیر آب به شکل فسفر متراکم می شود.

فسفر چیست و از کاربردهای گسترده آن چه می دانید؟

موارد کاربرد فسفر

این عنصر دارای دو شکل اصلی سفید و  قرمز است. نوع سفید جامدی مومی  و سمی است و در تماس با پوست می تواند باعث سوختگی شدید شود . این ترکیب در تاریکی می درخشد و هنگام قرار گرفتن در معرض هوا خود به خود قابل اشتعال است. نوع قرمز یک ماده جامد غیر سمی  و آمورف است.

از فسفر سفید در وسایل آتش زا و آتش بازی استفاده می شود.  نوع قرمز در ماده بکار رفته در کنار جعبه های کبریت  که برای روشن کردن  از آن استفاده می شود ، مورد استفاده قرار می گیرد. بیشترین کاربرد ترکیبات فسفر برای تولید کودها است. آمونیوم فسفات از سنگ معدن های فسفات دار ساخته می شود. سنگ معدن ابتدا به اسیدهای فسفریک تبدیل شده و سپس به فسفات آمونیوم تبدیل شود.

این عنصر در تولید فولاد نیز کاربرد دارد. فسفات ها مواد تشکیل دهنده برخی شوینده ها هستند ، اما در برخی کشورها شروع به حذف تدریجی آن کرده اند.  دلیل این امر این است که می توانند منجر به افزایش مقادیر فسفات در منابع طبیعی آب و باعث رشد جلبک های ناخواسته شود.  از فسفات ها در تولید عینک های مخصوص و ظروف چینی ظریف نیز استفاده می شود.

نقش بیولوژیکی فسفر

این ماده برای همه موجودات زنده یک عنصر ضروری است. قند فسفات ساختار DNA و RNA را تشکیل می دهد. این ماده برای انتقال انرژی در سلول به عنوان بخشی از آدنوزین تری فسفات مهم می باشد و در بسیاری دیگر از مولکولهای مهم بیولوژیکی یافت می شود .

ما روزانه حدود ۱ گرم فسفات مصرف می کنیم و حدود ۷۵۰ گرم فسفر در بدن ذخیره می کنیم زیرا استخوان ها و دندان های ما عمدتا فسفات کلسیم تشکیل شده اند.

استفاده بیش از حد فسفات حاصل از کودها و مواد شوینده می تواند باعث آلودگی رودخانه ها و دریاچه ها شود که باعث رشد سریع جلبک ها می شود. جلبک ها جلوی نور را می گیرند و باعث جلوگیری از فتوسنتز بیشتر می شوند. در نتیجه اکسیژن محلول در آب کاهش می یابد و اکوسیستم دریاچه از بین می رود.

روش تولید فسفر

این عنصر در طبیعت به صورت آزاد یافت نمی شود ، اما انواع فسفر به طور گسترده ای در ترکیبات موجود در مواد معدنی یافت می شود. منبع مهم آن  سنگ فسفات است که حاوی مواد معدنی آپاتیت است و به مقدار زیاد در ایالات متحده آمریکا و جاهای دیگر یافت می شود. این نگرانی وجود دارد که “اوج مصرف فسفر” در حدود سال ۲۰۵۰ رخ دهد و پس از آن منابع ما کاهش یابد.

فسفر سفید با حرارت دادن سنگ فسفات در حضور کربن و سیلیس در کوره به صورت صنعتی تولید می شود. این فرآیند باعث تولید این ماده به شکل بخار می شود که سپس در زیر آب جمع می شود. فسفر قرمز با حرارت دادن آرام فسفر سفید در دمای ۲۵۰ درجه سانتی گراد در غیاب هوا ساخته می شود.

فسفر چیست و از کاربردهای گسترده آن چه می دانید؟

آلوتروپ‌های فسفر

این عنصر حداقل ۱۰ آلوتروپ مختلف دارد که معمولی ‌ترین آن فسفر سفید (زرد) است. آلوتروپ معمول دیگر با فعالیت بسیار کمتر نسبت به نوع سفید،  فسفر قرمز نام دارد که در تولید کبریت کاربرد دارد. نوع سفید را برای جلوگیری از احتراق در زیر آب نگهداری می دارند اما فسفر قرمز در هوا پایدار است.

دی‌ فسفر

دی ‌فسفر P2P2  شکل گازی این عنصر است که در دمای ۱۲۰۰ تا ۲۰۰۰ درجه سانتی‌ گراد  پایدار است. برای تولید این آلوتروپ از  نوع سفید ، آنرا تا دمای ۸۲۶ درجه سانتی گراد حرارت می‌ دهند. دی فسفر  ماده ای بسیار واکنش ‌پذیر است.

فسفر بنفش

تهیه فسفر بنفش با روش ‌های خاص از جمله حرارت دادن و تبلور فسفر قرمز انجام می شود. شکل این آلوتروپ به صورت لوله ‌های پنج ‌وجهی است.

فسفر سیاه ( پلیمری)

این ترکیب پایدارترین آلوتروپ این عنصر است که شبیه گرافیت به صورت لایه ‌لایه است خواصی مشابه با گرافیت دارد.

تاریخچه کشف فسفر

این عنصر برای اولین بار توسط هنیگ برانت در هامبورگ در سال ۱۶۶۹ با تبخیر ادرار کشف شد. برانت کشف خود را مخفی نگه داشت  زیرا فکر می کرد ماده ای را کشف کرده که می تواند فلزات را به طلا تبدیل کند. ولی او برای بدست آوردن پول در نهایت این ترکیب را به دانیل کرافت فروخت که آن را در سراسر اروپا از جمله لندن به نمایش گذاشت که رابرت بویل شیفته آن شد، او نحوه تولید آن را کشف کرد و به طور سیستماتیک آن را مورد تحقیق قرار داد. (دستیار وی ، آمبروز گادفری کار خود را در زمینه تولید و فروش این عنصر شروع کرد و ثروتمند شد.)

رابرت بویل وقتی فهمید که استخوان دارای مقادیری زیادی فسفات کلسیم است و می توان از آن فسفر استخراج کرد به طور گسترده تولید آن را آغاز کرد . تقاضا تولید کنندگان کبریت در دهه ۱۸۰۰ بازار را آماده تولید گسترده این ماده کرد. بازار خرید و فروش این عنصر در حال حاضر نیز پر رونق است و قیمت فسفر برحسب نوع آن متفاوت است.

ایزوتوپ‌های فسفر

این عنصر ایزوتوپ‌ های مختلفی دارد که تنها یکی از آن‌ها پایدار است و به شکل ۳۱P31P نمایش داده می ‌شود. ایزوتوپ ‌های دیگر این عنصر رادیواکتیو هستند و نیمه عمری کوتاهی دارند که از چند نانوثانیه تا چند ثانیه است. دو استثناء در این رابطه دو ایزوتوپ ۳۲P32P و ۳۳P33Pبا نیمه عمر به ترتیب ۱۴ و ۲۵ روز است که فرصت مطالعه و آنالیز کافی ترکیبات بیولوژیک مختلف مانند ساختار DNA را به دانشمندان می دهد.

فسفر در رژیم غذایی

این ترکیب ماده معدنی است که ۱٪ از کل وزن بدن فرد را تشکیل می دهد. این ماده دومین ماده معدنی فراوان در بدن است و  در همه سلول های بدن وجود دارد. بیشتر فسفر در استخوان ها و دندان ها یافت می شود.

در واقع عملکرد اصلی این مینرال در تشکیل استخوان و دندان است. این عنصر نقش مهمی در نحوه استفاده بدن از کربوهیدرات ها و چربی ها دارد. همچنین برای تولید پروتئین برای رشد و نگهداری و ترمیم سلولها و بافت های بدن لازم است. فسفر با ویتامین های گروه B نیز در تعامل است و برای عملکرد مغز بسیار مهم است. این ترکیب همچنین در بدن به موارد زیر کمک می کند:

  • عملکرد کلیه ها
  • انقباضات عضلانی
  • ضربان قلب طبیعی
  • سیگنالینگ عصبی

فسفر چیست و از کاربردهای گسترده آن چه می دانید؟

منابع غذایی حاوی فسفر

گروه های غذایی که در آنها  فسفر یافت می شود عبارتند از: مواد پروتئینی گوشت و شیر و همچنین غذاهای فرآوری شده حاوی فسفات سدیم هستند. رژیم غذایی حاوی مقادیر مناسب کلسیم و پروتئین نیز فسفر کافی را  تأمین می کند.

نان و غلات سبوس دار حاوی مقدار بیشتری از این مینرال نسبت به غلات و نان های تهیه شده از آرد تصفیه شده هستند. با این حال ، این مینرال در آنها  به شکلی ذخیره می شود که توسط انسان جذب نمی شود. میوه ها و سبزیجات فقط مقادیر کمی از این عنصر را تامین می کنند.

عوارض مصرف فسفر

این ماده معدنی به راحتی از مواد غذایی دریافت می شود بنابراین کمبود آن نادر است. مقادیر بیش از حد  این عنصر در خون اگرچه نادر است ، اما می تواند با کلسیم ترکیب شود و در بافت های نرم مانند عضلات رسوب کند. مقادیر بالای این عنصر در خون فقط در افرادی که بیماری کلیوی شدید یا اختلال شدید در تنظیم کلسیم دارند ، رخ می دهد. طبق توصیه های موسسه پزشکی ، مصرف این ماده معدنی در رژیم غذایی به شرح زیر است:

  • ۰تا ۶ماه: ۱۰۰میلی گرم در روز
  • ۷تا۱۲ماه : ۲۷۵میلی گرم در روز
  • ۱تا۳سال: ۴۶۰میلی گرم در روز
  • ۴تا۸سال: ۵۰۰میلی گرم در روز
  • ۹تا۱۸سال: ۱,۲۵۰ میلی گرم در روز
  • بزرگسالان: ۷۰۰ میلی گرم در روز

زنان باردار یا شیرده:

  • جوان تر از ۱۸ سال: ۱،۲۵۰ میلی گرم در روز
  • مسن تر از ۱۸: ۷۰۰ میلی گرم در روز

فسفر چیست و از کاربردهای گسترده آن چه می دانید؟

کاربرد فسفر در کشاورزی

این عنصر برای گیاهان بسیار مهم است و به گیاه کمک می کند مواد مغذی دیگر را به عناصر سازنده قابل استفاده تبدیل کند که به رشد آنها  کمک می کند. فسفر یکی از سه ماده اصلی غذایی است که معمولا در کودها یافت می شود.

این عنصر برای رشد گیاهان ضروری است و برای تشخیص  کمبود فسفر در خاک ساده ترین راه این است که به گیاهان نگاه کنید. اگر گیاهان شما کوچک هستند ، گلهای کمی تولید می کنند یا گل نمی دهند ، دارای سیستم ریشه ضعیف یا دارای رنگ سبز روشن یا بنفش هستند ، کمبود فسفر دارد. از آنجا که بیشتر گیاهان در باغ برای تولید گل یا میوه رشد می کنند ، افزودن این ماده به خاک در صورت کمبود بسیار مهم است

کودهای شیمیایی بسیاری وجود دارند که می توانند به شما کمک کنند تا این ماده معدنی را به خاک اضافه  کنید و تعادل غذایی خوبی در خاک ایجاد نمایید. هنگام استفاده از کودهای شیمیایی اگر به دنبال کودهایی با مقادیر فسفر بالا هستید از کودهای آلی اصلاح شده استفاده کنید و سعی کنید از کنجاله استخوان یا سنگ فسفات استفاده کنید.

گاهی اوقات ، فقط افزودن کمپوست به خاک می تواند به گیاهان کمک کند این ماده معدنی  را بهتر از خاک جذب کنند . صرف نظر از اینکه چطور می خواهید فسفر را به خاک اضافه کنید ، حتماً  مد نظر داشته باشید در این کار زیاده روی نکنید زیرا مقدار  اضافی آن می تواند به منایع آبی برسد و به یک آلاینده جدی تبدیل شود.

کاربرد فسفر در صنعت

عنصر P4  ماده اولیه مواد شیمیایی حاوی فسفر است که در طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی استفاده می شود. پر استفاده ترین مشتقات فسفر،  پنتا اکسید و هیپو فسفیت سدیم است که یک ماده شیمیایی نسبتا کم حجم است که در آبکاری نیکل استفاده می شود.

تری کلرید ، پنتاسولفید  و پنتا اکسید فسفر عناصر سازنده تعداد زیادی مواد شیمیایی غیر آلی و غیر آلی مشتق شده هستند که به نوبه خود در طیف گسترده ای از کاربردهای تخصصی با ارزش بالا مورد استفاده قرار می گیرند.

در طی ۳۰ سال گذشته در صنعت فسفر تدابیر قابل توجهی وجود داشته است ، بیشتر به دلیل کاهش استفاده از فسفات سدیم در پودرهای شوینده خانگی که باعث آلودگی محیط زیست می شود. صنعت فسفر در این دوره ، به دلیل تغییرات فناوری و افزایش هزینه برق ، دچار تغییر چشمگیری در کشورهای غربی نسبت به کشورهای آسیایی شده است.

کاهش تقاضا برای کشاورزی و مصارف صنعتی باعث کاهش قابل توجه ظرفیت در اروپا و آمریکای شمالی  شده است ژاپن در سال ۱۹۸۷ کاملاً تولید فسفر زرد را متوقف کرد و از سایر انواع این عنصر برای تولیدات خود استفاده می کند.

نمودار زیر مصرف جهانی فسفر را نشان می دهد:

 

ولی تولید اسید فسفریک به روش حرارتی همچنان بزرگترین تقاضا فسفر مورد نیاز است. در بیشتر مناطق ، اکنون فسفات های صنعتی از اسید فسفریک مرطوب خالص ساخته می شوند. با این حال ، از آنجا که چین فاقد فناوری  تولید اسید فسفریک مرطوب خالص است ، بیشتر فسفات های که در آنجا استفاده می شوند از  طریق فرآیند اسید فسفریک حرارتی ساخته می شوند.

بعد از اسید فسفریک حرارتی ، تری کلرید فسفر بزرگترین بازار شیمیایی فسفر را در دست دارد. چین بیشترین مصرف کننده آن است که بیش از دو سوم بازار جهانی را به خود اختصاص داده است. گلیفوسیت و سایر واسطه های سموم دفع آفات تاکنون بزرگترین بازار فسفر تری کلراید در چین هستند. حدود ۸۰٪ از گلیفوسیت تولید شده در چین برای بازار صادرات است.

اگر در سال ۲۰۲۰ ، بازار تولید اسید فسفریک به روش حرارتی به ویژه تحت تأثیر رکود اقتصادی ناشی از بیماری همه گیر covid-19 قرار گرفت. به طور کلی انتظار می رود مصرف جهانی مواد شیمیایی فسفردار در حدود ۱-۲ درصد در سال ، بیش از دوره پیش بینی شده ۲۵-۲۵ سال بهبود یابد. با این حال ، انتظار می رود روند نزولی تولید اسید فسفریک حرارتی ادامه یابد.

برچسب ها

نوشته های مشابه

دکمه بازگشت به بالا
بستن