Атомный номер элемента фосфор

Phosphorus, ₁₅P

Waxy white Light red Dark red and violet
Phosphorus
Pronunciation	​(FOS-fər-əs)
Allotropes	white, red, violet, black and others (see Allotropes of phosphorus)
Appearance	white, red and violet are waxy, black is metallic-looking
Standard atomic weight Ar°(P)
	30.973761998±0.000000005 30.974±0.001 (abridged)[1]
Abundance
in the Earth’s crust	5.2 (silicon = 100)
Phosphorus in the periodic table
Hydrogen Helium Lithium Beryllium Boron Carbon Nitrogen Oxygen Fluorine Neon Sodium Magnesium Aluminium Silicon Phosphorus Sulfur Chlorine Argon Potassium Calcium Scandium Titanium Vanadium Chromium Manganese Iron Cobalt Nickel Copper Zinc Gallium Germanium Arsenic Selenium Bromine Krypton Rubidium Strontium Yttrium Zirconium Niobium Molybdenum Technetium Ruthenium Rhodium Palladium Silver Cadmium Indium Tin Antimony Tellurium Iodine Xenon Caesium Barium Lanthanum Cerium Praseodymium Neodymium Promethium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantalum Tungsten Rhenium Osmium Iridium Platinum Gold Mercury (element) Thallium Lead Bismuth Polonium Astatine Radon Francium Radium Actinium Thorium Protactinium Uranium Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Californium Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson N ↑ P ↓ As silicon ← phosphorus → sulfur
Atomic number (Z)	15
Group	group 15 (pnictogens)
Period	period 3
Block	p-block
Electron configuration	[Ne] 3s2 3p3
Electrons per shell	2, 8, 5
Physical properties
Phase at STP	solid
Melting point	white: 317.3 K ​(44.15 °C, ​111.5 °F) red: ∼860 K (∼590 °C, ∼1090 °F)[2]
Boiling point	white: 553.7 K ​(280.5 °C, ​536.9 °F)
Sublimation point	red: ≈689.2–863 K ​(≈416–590 °C, ​≈780.8–1094 °F) violet: 893 K (620 °C, 1148 °F)
Density (near r.t.)	white: 1.823 g/cm3 red: ≈2.2–2.34 g/cm3 violet: 2.36 g/cm3 black: 2.69 g/cm3
Heat of fusion	white: 0.66 kJ/mol
Heat of vaporisation	white: 51.9 kJ/mol
Molar heat capacity	white: 23.824 J/(mol·K)
Vapour pressure (white) P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k at T (K) 279 307 342 388 453 549
Vapour pressure (red, b.p. 431 °C) P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k at T (K) 455 489 529 576 635 704
Atomic properties
Oxidation states	−3, −2, −1, 0,[3] +1,[4] +2, +3, +4, +5 (a mildly acidic oxide)
Electronegativity	Pauling scale: 2.19
Ionisation energies	1st: 1011.8 kJ/mol 2nd: 1907 kJ/mol 3rd: 2914.1 kJ/mol (more)
Covalent radius	107±3 pm
Van der Waals radius	180 pm
Spectral lines of phosphorus
Other properties
Natural occurrence	primordial
Crystal structure	​body-centred cubic (bcc)
Thermal conductivity	white: 0.236 W/(m⋅K) black: 12.1 W/(m⋅K)
Magnetic ordering	white, red, violet, black: diamagnetic[5]
Molar magnetic susceptibility	−20.8×10−6 cm3/mol (293 K)[6]
Bulk modulus	white: 5 GPa red: 11 GPa
CAS Number	7723-14-0 (red) 12185-10-3 (white)
History
Discovery	Hennig Brand (1669)
Recognised as an element by	Antoine Lavoisier[7] (1777)
Main isotopes of phosphorus v e
Iso­tope Decay abun­dance half-life (t1/2) mode pro­duct 31P 100% stable 32P trace 14.268 d β− 32S 33P trace 25.3 d β− 33S
Category: Phosphorus view talk edit | references

Phosphorus is a chemical element with the symbol P and atomic number 15. Elemental phosphorus exists in two major forms, white phosphorus and red phosphorus, but because it is highly reactive, phosphorus is never found as a free element on Earth. It has a concentration in the Earth’s crust of about one gram per kilogram (compare copper at about 0.06 grams). In minerals, phosphorus generally occurs as phosphate.

Elemental phosphorus was first isolated as white phosphorus in 1669. White phosphorus emits a faint glow when exposed to oxygen – hence the name, taken from Greek mythology, Φωσφόρος meaning ‘light-bearer’ (Latin Lucifer), referring to the «Morning Star», the planet Venus. The term phosphorescence, meaning glow after illumination, derives from this property of phosphorus, although the word has since been used for a different physical process that produces a glow. The glow of phosphorus is caused by oxidation of the white (but not red) phosphorus — a process now called chemiluminescence. Together with nitrogen, arsenic, antimony, and bismuth, phosphorus is classified as a pnictogen.

Phosphorus is an element essential to sustaining life largely through phosphates, compounds containing the phosphate ion, PO₄³⁻. Phosphates are a component of DNA, RNA, ATP, and phospholipids, complex compounds fundamental to cells. Elemental phosphorus was first isolated from human urine, and bone ash was an important early phosphate source. Phosphate mines contain fossils because phosphate is present in the fossilized deposits of animal remains and excreta. Low phosphate levels are an important limit to growth in some aquatic systems. The vast majority of phosphorus compounds mined are consumed as fertilisers. Phosphate is needed to replace the phosphorus that plants remove from the soil, and its annual demand is rising nearly twice as fast as the growth of the human population. Other applications include organophosphorus compounds in detergents, pesticides, and nerve agents.

Characteristics[edit]

Allotropes[edit]

Phosphorus has several allotropes that exhibit strikingly diverse properties.^[8] The two most common allotropes are white phosphorus and red phosphorus.^[9]

From the perspective of applications and chemical literature, the most important form of elemental phosphorus is white phosphorus, often abbreviated as WP. It is a soft, waxy solid which consists of tetrahedral P
₄ molecules, in which each atom is bound to the other three atoms by a formal single bond. This P
₄ tetrahedron is also present in liquid and gaseous phosphorus up to the temperature of 800 °C (1,470 °F) when it starts decomposing to P
₂ molecules.^[10] The P
₄ molecule in the gas phase has a P-P bond length of r_g = 2.1994(3) Å as was determined by gas electron diffraction.^[11] The nature of bonding in this P
₄ tetrahedron can be described by spherical aromaticity or cluster bonding, that is the electrons are highly delocalized. This has been illustrated by calculations of the magnetically induced currents, which sum up to 29 nA/T, much more than in the archetypical aromatic molecule benzene (11 nA/T).^[11]

White phosphorus exists in two crystalline forms: α (alpha) and β (beta). At room temperature, the α-form is stable. It is more common, has cubic crystal structure and at 195.2 K (−78.0 °C), it transforms into β-form, which has hexagonal crystal structure. These forms differ in terms of the relative orientations of the constituent P₄ tetrahedra.^[12][13] The β form of white phosphorus contains three slightly different P
₄ molecules, i.e. 18 different P-P bond lengths between 2.1768(5) and 2.1920(5) Å. The average P-P bond length is 2.183(5) Å.^[14]

White phosphorus is the least stable, the most reactive, the most volatile, the least dense and the most toxic of the allotropes. White phosphorus gradually changes to red phosphorus. This transformation is accelerated by light and heat, and samples of white phosphorus almost always contain some red phosphorus and accordingly appear yellow. For this reason, white phosphorus that is aged or otherwise impure (e.g., weapons-grade, not lab-grade WP) is also called yellow phosphorus. When exposed to oxygen, white phosphorus glows in the dark with a very faint tinge of green and blue. It is highly flammable and pyrophoric (self-igniting) upon contact with air. Owing to its pyrophoricity, white phosphorus is used as an additive in napalm. The odour of combustion of this form has a characteristic garlic smell, and samples are commonly coated with white phosphorus pentoxide, which consists of P
₄O
₁₀ tetrahedra with oxygen inserted between the phosphorus atoms and at their vertices. White phosphorus is insoluble in water but soluble in carbon disulfide.^[15]

Thermal decomposition of P₄ at 1100 K gives diphosphorus, P₂. This species is not stable as a solid or liquid. The dimeric unit contains a triple bond and is analogous to N₂. It can also be generated as a transient intermediate in solution by thermolysis of organophosphorus precursor reagents.^[16] At still higher temperatures, P₂ dissociates into atomic P.^[15]

Properties of some allotropes of phosphorus^[8][17]

Form	white(α)	white(β)	red	violet	black
Symmetry	Body-centred cubic	Triclinic	Amorphous	Monoclinic	Orthorhombic
Pearson symbol		aP24		mP84	oS8
Space group	I43m	P1 No.2		P2/c No.13	Cmca No.64
Density (g/cm3)	1.828	1.88	~2.2	2.36	2.69
Band gap (eV)	2.1		1.8	1.5	0.34
Refractive index	1.8244			2.6	2.4

Red phosphorus is polymeric in structure. It can be viewed as a derivative of P₄ wherein one P-P bond is broken, and one additional bond is formed with the neighbouring tetrahedron resulting in chains of P₂₁ molecules linked by van der Waals forces.^[18] Red phosphorus may be formed by heating white phosphorus to 250 °C (482 °F) or by exposing white phosphorus to sunlight.^[19] Phosphorus after this treatment is amorphous. Upon further heating, this material crystallises. In this sense, red phosphorus is not an allotrope, but rather an intermediate phase between the white and violet phosphorus, and most of its properties have a range of values. For example, freshly prepared, bright red phosphorus is highly reactive and ignites at about 300 °C (572 °F),^[20] though it is more stable than white phosphorus, which ignites at about 30 °C (86 °F).^[21] After prolonged heating or storage, the color darkens (see infobox images); the resulting product is more stable and does not spontaneously ignite in air.^[22]

Violet phosphorus is a form of phosphorus that can be produced by day-long annealing of red phosphorus above 550 °C. In 1865, Hittorf discovered that when phosphorus was recrystallised from molten lead, a red/purple form is obtained. Therefore, this form is sometimes known as «Hittorf’s phosphorus» (or violet or α-metallic phosphorus).^[17]

Black phosphorus is the least reactive allotrope and the thermodynamically stable form below 550 °C (1,022 °F). It is also known as β-metallic phosphorus and has a structure somewhat resembling that of graphite.^[23][24] It is obtained by heating white phosphorus under high pressures (about 12,000 standard atmospheres or 1.2 gigapascals). It can also be produced at ambient conditions using metal salts, e.g. mercury, as catalysts.^[25] In appearance, properties, and structure, it resembles graphite, being black and flaky, a conductor of electricity, and has puckered sheets of linked atoms.^[26]

Another form, scarlet phosphorus, is obtained by allowing a solution of white phosphorus in carbon disulfide to evaporate in sunlight.^[17]

Chemiluminescence[edit]

When first isolated, it was observed that the green glow emanating from white phosphorus would persist for a time in a stoppered jar, but then cease. Robert Boyle in the 1680s ascribed it to «debilitation» of the air. Actually, it is oxygen being consumed. By the 18th century, it was known that in pure oxygen, phosphorus does not glow at all;^[27] there is only a range of partial pressures at which it does. Heat can be applied to drive the reaction at higher pressures.^[28]

In 1974, the glow was explained by R. J. van Zee and A. U. Khan.^[29][30] A reaction with oxygen takes place at the surface of the solid (or liquid) phosphorus, forming the short-lived molecules HPO and P
₂O
₂ that both emit visible light. The reaction is slow and only very little of the intermediates are required to produce the luminescence, hence the extended time the glow continues in a stoppered jar.

Since its discovery, phosphors and phosphorescence were used loosely to describe substances that shine in the dark without burning. Although the term phosphorescence is derived from phosphorus, the reaction that gives phosphorus its glow is properly called chemiluminescence (glowing due to a cold chemical reaction), not phosphorescence (re-emitting light that previously fell onto a substance and excited it).^[31]

Isotopes[edit]

There are 23 known isotopes of phosphorus,^[32] ranging from ²⁵
P to ⁴⁷
P.^[33] Only ³¹
P is stable and is therefore present at 100% abundance. The half-integer nuclear spin and high abundance of ³¹P make phosphorus-31 NMR spectroscopy a very useful analytical tool in studies of phosphorus-containing samples.

Two radioactive isotopes of phosphorus have half-lives suitable for biological scientific experiments. These are:

• ³²
  P, a beta-emitter (1.71 MeV) with a half-life of 14.3 days, which is used routinely in life-science laboratories, primarily to produce radiolabeled DNA and RNA probes, e.g. for use in Northern blots or Southern blots.
• ³³
  P, a beta-emitter (0.25 MeV) with a half-life of 25.4 days. It is used in life-science laboratories in applications in which lower energy beta emissions are advantageous such as DNA sequencing.

The high energy beta particles from ³²
P penetrate skin and corneas and any ³²
P ingested, inhaled, or absorbed is readily incorporated into bone and nucleic acids. For these reasons, Occupational Safety and Health Administration in the United States, and similar institutions in other developed countries require personnel working with ³²
P to wear lab coats, disposable gloves, and safety glasses or goggles to protect the eyes, and avoid working directly over open containers. Monitoring personal, clothing, and surface contamination is also required. Shielding requires special consideration. The high energy of the beta particles gives rise to secondary emission of X-rays via Bremsstrahlung (braking radiation) in dense shielding materials such as lead. Therefore, the radiation must be shielded with low density materials such as acrylic or other plastic, water, or (when transparency is not required), even wood.^[34]

Occurrence[edit]

Universe[edit]

In 2013, astronomers detected phosphorus in Cassiopeia A, which confirmed that this element is produced in supernovae as a byproduct of supernova nucleosynthesis. The phosphorus-to-iron ratio in material from the supernova remnant could be up to 100 times higher than in the Milky Way in general.^[35]

In 2020, astronomers analysed ALMA and ROSINA data from the massive star-forming region AFGL 5142, to detect phosphorus-bearing molecules and how they are carried in comets to the early Earth.^[36][37]

Crust and organic sources[edit]

Phosphorus has a concentration in the Earth’s crust of about one gram per kilogram (compare copper at about 0.06 grams). It is not found free in nature, but is widely distributed in many minerals, usually as phosphates.^[9] Inorganic phosphate rock, which is partially made of apatite (a group of minerals being, generally, pentacalcium triorthophosphate fluoride (hydroxide)), is today the chief commercial source of this element. According to the US Geological Survey (USGS), about 50 percent of the global phosphorus reserves are in the Arab nations.^[38] 85% of Earth’s known reserves are in Morocco with smaller deposits in China, Russia,^[39] Florida, Idaho, Tennessee, Utah, and elsewhere.^[40] Albright and Wilson in the UK and their Niagara Falls plant, for instance, were using phosphate rock in the 1890s and 1900s from Tennessee, Florida, and the Îles du Connétable (guano island sources of phosphate); by 1950, they were using phosphate rock mainly from Tennessee and North Africa.^[41]

Organic sources, namely urine, bone ash and (in the latter 19th century) guano, were historically of importance but had only limited commercial success.^[42] As urine contains phosphorus, it has fertilising qualities which are still harnessed today in some countries, including Sweden, using methods for reuse of excreta. To this end, urine can be used as a fertiliser in its pure form or part of being mixed with water in the form of sewage or sewage sludge.

Compounds[edit]

Phosphorus(V)[edit]

The most prevalent compounds of phosphorus are derivatives of phosphate (PO₄³⁻), a tetrahedral anion.^[43] Phosphate is the conjugate base of phosphoric acid, which is produced on a massive scale for use in fertilisers. Being triprotic, phosphoric acid converts stepwise to three conjugate bases:

H₃PO₄ + H₂O ⇌ H₃O⁺ + H₂PO₄⁻       K_a1 = 7.25×10⁻³

H₂PO₄⁻ + H₂O ⇌ H₃O⁺ + HPO₄²⁻       K_a2 = 6.31×10⁻⁸

HPO₄²⁻ + H₂O ⇌ H₃O⁺ +  PO₄³⁻        K_a3 = 3.98×10⁻¹³

Phosphate exhibits a tendency to form chains and rings containing P-O-P bonds. Many polyphosphates are known, including ATP. Polyphosphates arise by dehydration of hydrogen phosphates such as HPO₄²⁻ and H₂PO₄⁻. For example, the industrially important pentasodium triphosphate (also known as sodium tripolyphosphate, STPP) is produced industrially on by the megatonne by this condensation reaction:

2 Na₂[(HO)PO₃] + Na[(HO)₂PO₂] → Na₅[O₃P-O-P(O)₂-O-PO₃] + 2 H₂O

Phosphorus pentoxide (P₄O₁₀) is the acid anhydride of phosphoric acid, but several intermediates between the two are known. This waxy white solid reacts vigorously with water.

With metal cations, phosphate forms a variety of salts. These solids are polymeric, featuring P-O-M linkages. When the metal cation has a charge of 2+ or 3+, the salts are generally insoluble, hence they exist as common minerals. Many phosphate salts are derived from hydrogen phosphate (HPO₄²⁻).

PCl₅ and PF₅ are common compounds. PF₅ is a colourless gas and the molecules have trigonal bipyramidal geometry. PCl₅ is a colourless solid which has an ionic formulation of PCl₄⁺ PCl₆⁻, but adopts the trigonal bipyramidal geometry when molten or in the vapour phase.^[15] PBr₅ is an unstable solid formulated as PBr₄⁺Br⁻and PI₅ is not known.^[15] The pentachloride and pentafluoride are Lewis acids. With fluoride, PF₅ forms PF₆⁻, an anion that is isoelectronic with SF₆. The most important oxyhalide is phosphorus oxychloride, (POCl₃), which is approximately tetrahedral.

Before extensive computer calculations were feasible, it was thought that bonding in phosphorus(V) compounds involved d orbitals. Computer modeling of molecular orbital theory indicates that this bonding involves only s- and p-orbitals.^[44]

Phosphorus(III)[edit]

All four symmetrical trihalides are well known: gaseous PF₃, the yellowish liquids PCl₃ and PBr₃, and the solid PI₃. These materials are moisture sensitive, hydrolysing to give phosphorous acid. The trichloride, a common reagent, is produced by chlorination of white phosphorus:

P₄ + 6 Cl₂ → 4 PCl₃

The trifluoride is produced from the trichloride by halide exchange. PF₃ is toxic because it binds to haemoglobin.

Phosphorus(III) oxide, P₄O₆ (also called tetraphosphorus hexoxide) is the anhydride of P(OH)₃, the minor tautomer of phosphorous acid. The structure of P₄O₆ is like that of P₄O₁₀ without the terminal oxide groups.

Phosphorus(I) and phosphorus(II)[edit]

These compounds generally feature P–P bonds.^[15] Examples include catenated derivatives of phosphine and organophosphines. Compounds containing P=P double bonds have also been observed, although they are rare.

Phosphides and phosphines[edit]

Phosphides arise by reaction of metals with red phosphorus. The alkali metals (group 1) and alkaline earth metals can form ionic compounds containing the phosphide ion, P³⁻. These compounds react with water to form phosphine. Other phosphides, for example Na₃P₇, are known for these reactive metals. With the transition metals as well as the monophosphides there are metal-rich phosphides, which are generally hard refractory compounds with a metallic lustre, and phosphorus-rich phosphides which are less stable and include semiconductors.^[15] Schreibersite is a naturally occurring metal-rich phosphide found in meteorites. The structures of the metal-rich and phosphorus-rich phosphides can be complex.

Phosphine (PH₃) and its organic derivatives (PR₃) are structural analogues of ammonia (NH₃), but the bond angles at phosphorus are closer to 90° for phosphine and its organic derivatives. It is an ill-smelling, toxic compound. Phosphorus has an oxidation number of −3 in phosphine. Phosphine is produced by hydrolysis of calcium phosphide, Ca₃P₂. Unlike ammonia, phosphine is oxidised by air. Phosphine is also far less basic than ammonia. Other phosphines are known which contain chains of up to nine phosphorus atoms and have the formula P_nH_n+2.^[15] The highly flammable gas diphosphine (P₂H₄) is an analogue of hydrazine.

Oxoacids[edit]

Phosphorous oxoacids are extensive, often commercially important, and sometimes structurally complicated. They all have acidic protons bound to oxygen atoms, some have nonacidic protons that are bonded directly to phosphorus and some contain phosphorus — phosphorus bonds.^[15] Although many oxoacids of phosphorus are formed, only nine are commercially important, and three of them, hypophosphorous acid, phosphorous acid, and phosphoric acid, are particularly important.

Oxidation state	Formula	Name	Acidic protons	Compounds
+1	HH2PO2	hypophosphorous acid	1	acid, salts
+3	H2HPO3	phosphorous acid	2	acid, salts
+3	HPO2	metaphosphorous acid	1	salts
+3	H3PO3	(ortho)phosphorous acid	3	acid, salts
+4	H4P2O6	hypophosphoric acid	4	acid, salts
+5	(HPO3)n	metaphosphoric acids	n	salts (n = 3,4,6)
+5	H(HPO3)nOH	polyphosphoric acids	n+2	acids, salts (n = 1-6)
+5	H5P3O10	tripolyphosphoric acid	3	salts
+5	H4P2O7	pyrophosphoric acid	4	acid, salts
+5	H3PO4	(ortho)phosphoric acid	3	acid, salts

Nitrides[edit]

The PN molecule is considered unstable, but is a product of crystalline phosphorus nitride decomposition at 1100 K. Similarly, H₂PN is considered unstable, and phosphorus nitride halogens like F₂PN, Cl₂PN, Br₂PN, and I₂PN oligomerise into cyclic Polyphosphazenes. For example, compounds of the formula (PNCl₂)_n exist mainly as rings such as the trimer hexachlorophosphazene. The phosphazenes arise by treatment of phosphorus pentachloride with ammonium chloride:

PCl₅ + NH₄Cl → 1/n (NPCl₂)_n + 4 HCl

When the chloride groups are replaced by alkoxide (RO⁻), a family of polymers is produced with potentially useful properties.^[45]

Sulfides[edit]

Phosphorus forms a wide range of sulfides, where the phosphorus can be in P(V), P(III) or other oxidation states. The three-fold symmetric P₄S₃ is used in strike-anywhere matches. P₄S₁₀ and P₄O₁₀ have analogous structures.^[46] Mixed oxyhalides and oxyhydrides of phosphorus(III) are almost unknown.

Organophosphorus compounds[edit]

Compounds with P-C and P-O-C bonds are often classified as organophosphorus compounds. They are widely used commercially. The PCl₃ serves as a source of P³⁺ in routes to organophosphorus(III) compounds. For example, it is the precursor to triphenylphosphine:

PCl₃ + 6 Na + 3 C₆H₅Cl → P(C₆H₅)₃ + 6 NaCl

Treatment of phosphorus trihalides with alcohols and phenols gives phosphites, e.g. triphenylphosphite:

PCl₃ + 3 C₆H₅OH → P(OC₆H₅)₃ + 3 HCl

Similar reactions occur for phosphorus oxychloride, affording triphenylphosphate:

OPCl₃ + 3 C₆H₅OH → OP(OC₆H₅)₃ + 3 HCl

History[edit]

Etymology[edit]

The name Phosphorus in Ancient Greece was the name for the planet Venus and is derived from the Greek words (φῶς = light, φέρω = carry), which roughly translates as light-bringer or light carrier.^[19] (In Greek mythology and tradition, Augerinus (Αυγερινός = morning star, still in use today), Hesperus or Hesperinus (΄Εσπερος or Εσπερινός or Αποσπερίτης = evening star, still in use today) and Eosphorus (Εωσφόρος = dawnbearer, not in use for the planet after Christianity) are close homologues, and also associated with Phosphorus-the-morning-star).

According to the Oxford English Dictionary, the correct spelling of the element is phosphorus. The word phosphorous is the adjectival form of the P³⁺ valence: so, just as sulfur forms sulfurous and sulfuric compounds, phosphorus forms phosphorous compounds (e.g., phosphorous acid) and P⁵⁺ valence phosphoric compounds (e.g., phosphoric acids and phosphates).

Discovery[edit]

The discovery of phosphorus, the first element to be discovered that was not known since ancient times,^[47] is credited to the German alchemist Hennig Brand in 1669, although others might have discovered phosphorus around the same time.^[48] Brand experimented with urine, which contains considerable quantities of dissolved phosphates from normal metabolism.^[19] Working in Hamburg, Brand attempted to create the fabled philosopher’s stone through the distillation of some salts by evaporating urine, and in the process produced a white material that glowed in the dark and burned brilliantly. It was named phosphorus mirabilis («miraculous bearer of light»).^[49]

Brand’s process originally involved letting urine stand for days until it gave off a terrible smell. Then he boiled it down to a paste, heated this paste to a high temperature, and led the vapours through water, where he hoped they would condense to gold. Instead, he obtained a white, waxy substance that glowed in the dark. Brand had discovered phosphorus. Specifically, Brand produced ammonium sodium hydrogen phosphate, (NH
₄)NaHPO
₄. While the quantities were essentially correct (it took about 1,100 litres [290 US gal] of urine to make about 60 g of phosphorus), it was unnecessary to allow the urine to rot first. Later scientists discovered that fresh urine yielded the same amount of phosphorus.^[31]

Brand at first tried to keep the method secret,^[50] but later sold the recipe for 200 thalers to D. Krafft from Dresden.^[19] Krafft toured much of Europe with it, including England, where he met with Robert Boyle. The secret—that the substance was made from urine—leaked out, and Johann Kunckel (1630–1703) was able to reproduce it in Sweden (1678). Later, Boyle in London (1680) also managed to make phosphorus, possibly with the aid of his assistant, Ambrose Godfrey-Hanckwitz. Godfrey later made a business of the manufacture of phosphorus.

Boyle states that Krafft gave him no information as to the preparation of phosphorus other than that it was derived from «somewhat that belonged to the body of man». This gave Boyle a valuable clue, so that he, too, managed to make phosphorus, and published the method of its manufacture.^[19] Later he improved Brand’s process by using sand in the reaction (still using urine as base material),

4 NaPO
₃ + 2 SiO
₂ + 10 C → 2 Na
₂SiO
₃ + 10 CO + P
₄

Robert Boyle was the first to use phosphorus to ignite sulfur-tipped wooden splints, forerunners of our modern matches, in 1680.^[51]

Phosphorus was the 13th element to be discovered. Because of its tendency to spontaneously combust when left alone in air, it is sometimes referred to as «the Devil’s element».^[52]

Bone ash and guano[edit]

Antoine Lavoisier recognized phosphorus as an element in 1777 after Johan Gottlieb Gahn and Carl Wilhelm Scheele, in 1769, showed that calcium phosphate (Ca
₃(PO
₄)
₂) is found in bones by obtaining elemental phosphorus from bone ash.^[53]

Bone ash was the major source of phosphorus until the 1840s. The method started by roasting bones, then employed the use of fire clay retorts encased in a very hot brick furnace to distill out the highly toxic elemental phosphorus product.^[54] Alternately, precipitated phosphates could be made from ground-up bones that had been de-greased and treated with strong acids. White phosphorus could then be made by heating the precipitated phosphates, mixed with ground coal or charcoal in an iron pot, and distilling off phosphorus vapour in a retort.^[55] Carbon monoxide and other flammable gases produced during the reduction process were burnt off in a flare stack.

In the 1840s, world phosphate production turned to the mining of tropical island deposits formed from bird and bat guano (see also Guano Islands Act). These became an important source of phosphates for fertiliser in the latter half of the 19th century.^[56]

Phosphate rock[edit]

Phosphate rock, which usually contains calcium phosphate, was first used in 1850 to make phosphorus, and following the introduction of the electric arc furnace by James Burgess Readman in 1888^[57] (patented 1889),^[58] elemental phosphorus production switched from the bone-ash heating, to electric arc production from phosphate rock. After the depletion of world guano sources about the same time, mineral phosphates became the major source of phosphate fertiliser production. Phosphate rock production greatly increased after World War II, and remains the primary global source of phosphorus and phosphorus chemicals today. See the article on peak phosphorus for more information on the history and present state of phosphate mining. Phosphate rock remains a feedstock in the fertiliser industry, where it is treated with sulfuric acid to produce various «superphosphate» fertiliser products.

Incendiaries[edit]

White phosphorus was first made commercially in the 19th century for the match industry. This used bone ash for a phosphate source, as described above. The bone-ash process became obsolete when the submerged-arc furnace for phosphorus production was introduced to reduce phosphate rock.^[59][60] The electric furnace method allowed production to increase to the point where phosphorus could be used in weapons of war.^[29][61] In World War I, it was used in incendiaries, smoke screens and tracer bullets.^[61] A special incendiary bullet was developed to shoot at hydrogen-filled Zeppelins over Britain (hydrogen being highly flammable).^[61] During World War II, Molotov cocktails made of phosphorus dissolved in petrol were distributed in Britain to specially selected civilians within the British resistance operation, for defence; and phosphorus incendiary bombs were used in war on a large scale. Burning phosphorus is difficult to extinguish and if it splashes onto human skin it has horrific effects.^[15]

Early matches used white phosphorus in their composition, which was dangerous due to its toxicity. Murders, suicides and accidental poisonings resulted from its use. (An apocryphal tale tells of a woman attempting to murder her husband with white phosphorus in his food, which was detected by the stew’s giving off luminous steam).^[29] In addition, exposure to the vapours gave match workers a severe necrosis of the bones of the jaw, known as «phossy jaw». When a safe process for manufacturing red phosphorus was discovered, with its far lower flammability and toxicity, laws were enacted, under the Berne Convention (1906), requiring its adoption as a safer alternative for match manufacture.^[62] The toxicity of white phosphorus led to discontinuation of its use in matches.^[63] The Allies used phosphorus incendiary bombs in World War II to destroy Hamburg, the place where the «miraculous bearer of light» was first discovered.^[49]

Production[edit]

In 2017, the USGS estimated 68 billion tons of world reserves, where reserve figures refer to the amount assumed recoverable at current market prices; 0.261 billion tons were mined in 2016.^[64] Critical to contemporary agriculture, its annual demand is rising nearly twice as fast as the growth of the human population.^[39] The production of phosphorus may have peaked before 2011 and some scientists predict reserves will be depleted in before the end of the 21st Century.»^[65][39][66] Phosphorus comprises about 0.1% by mass of the average rock, and consequently, the Earth’s supply is vast, though dilute.^[15]

Wet process[edit]

Most phosphorus-bearing material is for agriculture fertilisers. In this case where the standards of purity are modest, phosphorus is obtained from phosphate rock by what is called the «wet process.» The minerals are treated with sulfuric acid to give phosphoric acid. Phosphoric acid is then neutralized to give various phosphate salts, which comprise fertilizers. In the wet process, phosphorus does not undergo redox.^[67] About five tons of phosphogypsum waste are generated per ton of phosphoric acid production. Annually, the estimated generation of phosphogypsum worldwide is 100 to 280 Mt.^[68]

Thermal process[edit]

For the use of phosphorus in drugs, detergents, and foodstuff, the standards of purity are high, which led to the development of the thermal process. In this process, phosphate minerals are converted to white phosphorus, which can be purified by distillation. The white phosphorus is then oxidised to phosphoric acid and subsequently neutralised with a base to give phosphate salts. The thermal process is energy intensive.^[67] Presently, about 1,000,000 short tons (910,000 t) of elemental phosphorus is produced annually. Calcium phosphate (phosphate rock), mostly mined in Florida and North Africa, can be heated to 1,200–1,500 °C with sand, which is mostly SiO
₂, and coke to produce P
₄. The P
₄ product, being volatile, is readily isolated:^[69]

4 Ca₅(PO₄)₃F + 18 SiO₂ + 30 C → 3 P₄ + 30 CO + 18 CaSiO₃ + 2 CaF₂

2 Ca₃(PO₄)₂ + 6 SiO₂ + 10 C → 6 CaSiO₃ + 10 CO + P₄

Side products from the thermal process include ferrophosphorus, a crude form of Fe₂P, resulting from iron impurities in the mineral precursors. The silicate slag is a useful construction material. The fluoride is sometimes recovered for use in water fluoridation. More problematic is a «mud» containing significant amounts of white phosphorus. Production of white phosphorus is conducted in large facilities in part because it is energy intensive. The white phosphorus is transported in molten form. Some major accidents have occurred during transportation.^[70]

Historical routes[edit]

Historically, before the development of mineral-based extractions, white phosphorus was isolated on an industrial scale from bone ash.^[71] In this process, the tricalcium phosphate in bone ash is converted to monocalcium phosphate with sulfuric acid:

Ca₃(PO₄)₂ + 2 H₂SO₄ → Ca(H₂PO₄)₂ + 2 CaSO₄

Monocalcium phosphate is then dehydrated to the corresponding metaphosphate:

Ca(H₂PO₄)₂ → Ca(PO₃)₂ + 2 H₂O

When ignited to a white heat (~1300C) with charcoal, calcium metaphosphate yields two-thirds of its weight of white phosphorus while one-third of the phosphorus remains in the residue as calcium orthophosphate:

3 Ca(PO₃)₂ + 10 C → Ca₃(PO₄)₂ + 10 CO + P₄

Applications[edit]

Food additive[edit]

Phosphorus is an essential mineral for humans listed in the Dietary Reference Intake (DRI).

Food-grade phosphoric acid (additive E338^[72]) is used to acidify foods and beverages such as various colas and jams, providing a tangy or sour taste. The phosphoric acid also serves as a preservative.^[73] Soft drinks containing phosphoric acid, which would include Coca-Cola, are sometimes called phosphate sodas or phosphates. Phosphoric acid in soft drinks has the potential to cause dental erosion.^[74] Phosphoric acid also has the potential to contribute to the formation of kidney stones, especially in those who have had kidney stones previously.^[75]

Fertiliser[edit]

Phosphorus is an essential plant nutrient (the most often limiting nutrient, after nitrogen),^[76] and the bulk of all phosphorus production is in concentrated phosphoric acids for agriculture fertilisers, containing as much as 70% to 75% P₂O₅. That led to large increase in phosphate (PO₄³⁻) production in the second half of the 20th century.^[39] Artificial phosphate fertilisation is necessary because phosphorus is essential to all living organisms; it is involved in energy transfers, strength of root and stems, photosynthesis, the expansion of plant roots, formation of seeds and flowers, and other important factors effecting overall plant health and genetics.^[76]

Natural phosphorus-bearing compounds are mostly inaccessible to plants because of the low solubility and mobility in soil.^[77] Most phosphorus is very stable in the soil minerals or organic matter of the soil. Even when phosphorus is added in manure or fertilizer it can become fixed in the soil. Therefore, the natural cycle of phosphorus is very slow. Some of the fixed phosphorus is released again over time, sustaining wild plant growth, however, more is needed to sustain intensive cultivation of crops.^[78] Fertiliser is often in the form of superphosphate of lime, a mixture of calcium dihydrogen phosphate (Ca(H₂PO₄)₂), and calcium sulfate dihydrate (CaSO₄·2H₂O) produced reacting sulfuric acid and water with calcium phosphate.

Processing phosphate minerals with sulfuric acid for obtaining fertiliser is so important to the global economy that this is the primary industrial market for sulfuric acid and the greatest industrial use of elemental sulfur.^[79]

Widely used compounds	Use
Ca(H2PO4)2·H2O	Baking powder and fertilisers
CaHPO4·2H2O	Animal food additive, toothpowder
H3PO4	Manufacture of phosphate fertilisers
PCl3	Manufacture of POCl3 and pesticides
POCl3	Manufacture of plasticiser
P4S10	Manufacturing of additives and pesticides
Na5P3O10	Detergents

Organophosphorus[edit]

White phosphorus is widely used to make organophosphorus compounds through intermediate phosphorus chlorides and two phosphorus sulfides, phosphorus pentasulfide and phosphorus sesquisulfide.^[80] Organophosphorus compounds have many applications, including in plasticisers, flame retardants, pesticides, extraction agents, nerve agents and water treatment.^[15][81]

Metallurgical aspects[edit]

Phosphorus is also an important component in steel production, in the making of phosphor bronze, and in many other related products.^[82][83] Phosphorus is added to metallic copper during its smelting process to react with oxygen present as an impurity in copper and to produce phosphorus-containing copper (CuOFP) alloys with a higher hydrogen embrittlement resistance than normal copper.^[84]

Matches[edit]

The first striking match with a phosphorus head was invented by Charles Sauria in 1830. These matches (and subsequent modifications) were made with heads of white phosphorus, an oxygen-releasing compound (potassium chlorate, lead dioxide, or sometimes nitrate), and a binder. They were poisonous to the workers in manufacture,^[85] sensitive to storage conditions, toxic if ingested, and hazardous when accidentally ignited on a rough surface.^[86][87] Production in several countries was banned between 1872 and 1925.^[88] The international Berne Convention, ratified in 1906, prohibited the use of white phosphorus in matches.

In consequence, phosphorous matches were gradually replaced by safer alternatives. Around 1900 French chemists Henri Sévène and Emile David Cahen invented the modern strike-anywhere match, wherein the white phosphorus was replaced by phosphorus sesquisulfide (P₄S₃), a non-toxic and non-pyrophoric compound that ignites under friction. For a time these safer strike-anywhere matches were quite popular but in the long run they were superseded by the modern safety match.

Safety matches are very difficult to ignite on any surface other than a special striker strip. The strip contains non-toxic red phosphorus and the match head potassium chlorate, an oxygen-releasing compound. When struck, small amounts of abrasion from match head and striker strip are mixed intimately to make a small quantity of Armstrong’s mixture, a very touch sensitive composition. The fine powder ignites immediately and provides the initial spark to set off the match head. Safety matches separate the two components of the ignition mixture until the match is struck. This is the key safety advantage as it prevents accidental ignition. Nonetheless, safety matches, invented in 1844 by Gustaf Erik Pasch and market ready by the 1860s, didn’t gain consumer acceptance until the prohibition of white phosphorus. Using a dedicated striker strip was considered clumsy.^[20][80][89]

Water softening[edit]

Sodium tripolyphosphate made from phosphoric acid is used in laundry detergents in some countries, but banned for this use in others.^[22] This compound softens the water to enhance the performance of the detergents and to prevent pipe/boiler tube corrosion.^[90]

Miscellaneous[edit]

• Phosphates are used to make special glasses for sodium lamps.^[22]
• Bone-ash, calcium phosphate, is used in the production of fine china.^[22]
• Phosphoric acid made from elemental phosphorus is used in food applications such as soft drinks, and as a starting point for food grade phosphates.^[80] These include mono-calcium phosphate for baking powder and sodium tripolyphosphate.^[80] Phosphates are used to improve the characteristics of processed meat and cheese, and in toothpaste.^[80]
• White phosphorus, called «WP» (slang term «Willie Peter») is used in military applications as incendiary bombs, for smoke-screening as smoke pots and smoke bombs, and in tracer ammunition. It is also a part of an obsolete M34 White Phosphorus US hand grenade. This multipurpose grenade was mostly used for signaling, smoke screens, and inflammation; it could also cause severe burns and had a psychological impact on the enemy.^[91][92] Military uses of white phosphorus are constrained by international law.
• ³²P and ³³P are used as radioactive tracers in biochemical laboratories.^[93]

Biological role[edit]

Inorganic phosphorus in the form of the phosphate PO³⁻
₄ is required for all known forms of life.^[94] Phosphorus plays a major role in the structural framework of DNA and RNA. Living cells use phosphate to transport cellular energy with adenosine triphosphate (ATP), necessary for every cellular process that uses energy. ATP is also important for phosphorylation, a key regulatory event in cells. Phospholipids are the main structural components of all cellular membranes. Calcium phosphate salts assist in stiffening bones.^[15] Biochemists commonly use the abbreviation «Pi» to refer to inorganic phosphate.^[95]

Every living cell is encased in a membrane that separates it from its surroundings. Cellular membranes are composed of a phospholipid matrix and proteins, typically in the form of a bilayer. Phospholipids are derived from glycerol with two of the glycerol hydroxyl (OH) protons replaced by fatty acids as an ester, and the third hydroxyl proton has been replaced with phosphate bonded to another alcohol.^[96]

An average adult human contains about 0.7 kg of phosphorus, about 85–90% in bones and teeth in the form of apatite, and the remainder in soft tissues and extracellular fluids (~1%). The phosphorus content increases from about 0.5% by mass in infancy to 0.65–1.1% by mass in adults. Average phosphorus concentration in the blood is about 0.4 g/L, about 70% of that is organic and 30% inorganic phosphates.^[97] An adult with healthy diet consumes and excretes about 1–3 grams of phosphorus per day, with consumption in the form of inorganic phosphate and phosphorus-containing biomolecules such as nucleic acids and phospholipids; and excretion almost exclusively in the form of phosphate ions such as H
₂PO⁻
₄ and HPO²⁻
₄. Only about 0.1% of body phosphate circulates in the blood, paralleling the amount of phosphate available to soft tissue cells.

Bone and teeth enamel[edit]

The main component of bone is hydroxyapatite as well as amorphous forms of calcium phosphate, possibly including carbonate. Hydroxyapatite is the main component of tooth enamel. Water fluoridation enhances the resistance of teeth to decay by the partial conversion of this mineral to the still harder material called fluoroapatite:^[15]

Ca
₅(PO
₄)
₃OH + F⁻
→ Ca
₅(PO
₄)
₃F + OH⁻

Phosphorus deficiency[edit]

In medicine, phosphate deficiency syndrome may be caused by malnutrition, by failure to absorb phosphate, and by metabolic syndromes that draw phosphate from the blood (such as in refeeding syndrome after malnutrition^[98]) or passing too much of it into the urine. All are characterised by hypophosphatemia, which is a condition of low levels of soluble phosphate levels in the blood serum and inside the cells. Symptoms of hypophosphatemia include neurological dysfunction and disruption of muscle and blood cells due to lack of ATP. Too much phosphate can lead to diarrhoea and calcification (hardening) of organs and soft tissue, and can interfere with the body’s ability to use iron, calcium, magnesium, and zinc.^[99]

Phosphorus is an essential macromineral for plants, which is studied extensively in edaphology to understand plant uptake from soil systems. Phosphorus is a limiting factor in many ecosystems; that is, the scarcity of phosphorus limits the rate of organism growth. An excess of phosphorus can also be problematic, especially in aquatic systems where eutrophication sometimes leads to algal blooms.^[39]

Nutrition[edit]

Dietary recommendations[edit]

The U.S. Institute of Medicine (IOM) updated Estimated Average Requirements (EARs) and Recommended Dietary Allowances (RDAs) for phosphorus in 1997. If there is not sufficient information to establish EARs and RDAs, an estimate designated Adequate Intake (AI) is used instead. The current EAR for phosphorus for people ages 19 and up is 580 mg/day. The RDA is 700 mg/day. RDAs are higher than EARs so as to identify amounts that will cover people with higher than average requirements. RDA for pregnancy and lactation are also 700 mg/day. For people ages 1–18 years the RDA increases with age from 460 to 1250 mg/day. As for safety, the IOM sets Tolerable upper intake levels (ULs) for vitamins and minerals when evidence is sufficient. In the case of phosphorus the UL is 4000 mg/day. Collectively the EARs, RDAs, AIs and ULs are referred to as Dietary Reference Intakes (DRIs).^[100]

The European Food Safety Authority (EFSA) refers to the collective set of information as Dietary Reference Values, with Population Reference Intake (PRI) instead of RDA, and Average Requirement instead of EAR. AI and UL defined the same as in United States. For people ages 15 and older, including pregnancy and lactation, the AI is set at 550 mg/day. For children ages 4–10 the AI is 440 mg/day, and for ages 11–17 it is 640 mg/day. These AIs are lower than the U.S RDAs. In both systems, teenagers need more than adults.^[101] The European Food Safety Authority reviewed the same safety question and decided that there was not sufficient information to set a UL.^[102]

For U.S. food and dietary supplement labeling purposes the amount in a serving is expressed as a percent of Daily Value (%DV). For phosphorus labeling purposes 100% of the Daily Value was 1000 mg, but as of May 27, 2016 it was revised to 1250 mg to bring it into agreement with the RDA.^[103][104] A table of the old and new adult daily values is provided at Reference Daily Intake.

Food sources[edit]

The main food sources for phosphorus are the same as those containing protein, although proteins do not contain phosphorus. For example, milk, meat, and soya typically also have phosphorus. As a rule, if a diet has sufficient protein and calcium, the amount of phosphorus is probably sufficient.^[105]

Precautions[edit]

Organic compounds of phosphorus form a wide class of materials; many are required for life, but some are extremely toxic. Fluorophosphate esters are among the most potent neurotoxins known. A wide range of organophosphorus compounds are used for their toxicity as pesticides (herbicides, insecticides, fungicides, etc.) and weaponised as nerve agents against enemy humans. Most inorganic phosphates are relatively nontoxic and essential nutrients.^[15]

The white phosphorus allotrope presents a significant hazard because it ignites in air and produces phosphoric acid residue. Chronic white phosphorus poisoning leads to necrosis of the jaw called «phossy jaw». White phosphorus is toxic, causing severe liver damage on ingestion and may cause a condition known as «Smoking Stool Syndrome».^[106]

In the past, external exposure to elemental phosphorus was treated by washing the affected area with 2% copper sulfate solution to form harmless compounds that are then washed away. According to the recent US Navy’s Treatment of Chemical Agent Casualties and Conventional Military Chemical Injuries: FM8-285: Part 2 Conventional Military Chemical Injuries, «Cupric (copper(II)) sulfate has been used by U.S. personnel in the past and is still being used by some nations. However, copper sulfate is toxic and its use will be discontinued. Copper sulfate may produce kidney and cerebral toxicity as well as intravascular hemolysis.»^[107]

The manual suggests instead «a bicarbonate solution to neutralise phosphoric acid, which will then allow removal of visible white phosphorus. Particles often can be located by their emission of smoke when air strikes them, or by their phosphorescence in the dark. In dark surroundings, fragments are seen as luminescent spots. Promptly debride the burn if the patient’s condition will permit removal of bits of WP (white phosphorus) that might be absorbed later and possibly produce systemic poisoning. DO NOT apply oily-based ointments until it is certain that all WP has been removed. Following complete removal of the particles, treat the lesions as thermal burns.»^{[note 1][citation needed]} As white phosphorus readily mixes with oils, any oily substances or ointments are not recommended until the area is thoroughly cleaned and all white phosphorus removed.

People can be exposed to phosphorus in the workplace by inhalation, ingestion, skin contact, and eye contact. The Occupational Safety and Health Administration (OSHA) has set the phosphorus exposure limit (Permissible exposure limit) in the workplace at 0.1 mg/m³ over an 8-hour workday. The National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) has set a Recommended exposure limit (REL) of 0.1 mg/m³ over an 8-hour workday. At levels of 5 mg/m³, phosphorus is immediately dangerous to life and health.^[108]

US DEA List I status[edit]

Phosphorus can reduce elemental iodine to hydroiodic acid, which is a reagent effective for reducing ephedrine or pseudoephedrine to methamphetamine.^[109] For this reason, red and white phosphorus were designated by the United States Drug Enforcement Administration as List I precursor chemicals under 21 CFR 1310.02 effective on November 17, 2001.^[110] In the United States, handlers of red or white phosphorus are subject to stringent regulatory controls.^{[110][111][112]}

See also[edit]

• Phosphorus cycle

Notes[edit]

References[edit]

Bibliography[edit]

Phosphorus, ₁₅P

Waxy white Light red Dark red and violet
Phosphorus
Pronunciation	​(FOS-fər-əs)
Allotropes	white, red, violet, black and others (see Allotropes of phosphorus)
Appearance	white, red and violet are waxy, black is metallic-looking
Standard atomic weight Ar°(P)
	30.973761998±0.000000005 30.974±0.001 (abridged)[1]
Abundance
in the Earth’s crust	5.2 (silicon = 100)
Phosphorus in the periodic table
Hydrogen Helium Lithium Beryllium Boron Carbon Nitrogen Oxygen Fluorine Neon Sodium Magnesium Aluminium Silicon Phosphorus Sulfur Chlorine Argon Potassium Calcium Scandium Titanium Vanadium Chromium Manganese Iron Cobalt Nickel Copper Zinc Gallium Germanium Arsenic Selenium Bromine Krypton Rubidium Strontium Yttrium Zirconium Niobium Molybdenum Technetium Ruthenium Rhodium Palladium Silver Cadmium Indium Tin Antimony Tellurium Iodine Xenon Caesium Barium Lanthanum Cerium Praseodymium Neodymium Promethium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantalum Tungsten Rhenium Osmium Iridium Platinum Gold Mercury (element) Thallium Lead Bismuth Polonium Astatine Radon Francium Radium Actinium Thorium Protactinium Uranium Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Californium Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson N ↑ P ↓ As silicon ← phosphorus → sulfur
Atomic number (Z)	15
Group	group 15 (pnictogens)
Period	period 3
Block	p-block
Electron configuration	[Ne] 3s2 3p3
Electrons per shell	2, 8, 5
Physical properties
Phase at STP	solid
Melting point	white: 317.3 K ​(44.15 °C, ​111.5 °F) red: ∼860 K (∼590 °C, ∼1090 °F)[2]
Boiling point	white: 553.7 K ​(280.5 °C, ​536.9 °F)
Sublimation point	red: ≈689.2–863 K ​(≈416–590 °C, ​≈780.8–1094 °F) violet: 893 K (620 °C, 1148 °F)
Density (near r.t.)	white: 1.823 g/cm3 red: ≈2.2–2.34 g/cm3 violet: 2.36 g/cm3 black: 2.69 g/cm3
Heat of fusion	white: 0.66 kJ/mol
Heat of vaporisation	white: 51.9 kJ/mol
Molar heat capacity	white: 23.824 J/(mol·K)
Vapour pressure (white) P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k at T (K) 279 307 342 388 453 549
Vapour pressure (red, b.p. 431 °C) P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k at T (K) 455 489 529 576 635 704
Atomic properties
Oxidation states	−3, −2, −1, 0,[3] +1,[4] +2, +3, +4, +5 (a mildly acidic oxide)
Electronegativity	Pauling scale: 2.19
Ionisation energies	1st: 1011.8 kJ/mol 2nd: 1907 kJ/mol 3rd: 2914.1 kJ/mol (more)
Covalent radius	107±3 pm
Van der Waals radius	180 pm
Spectral lines of phosphorus
Other properties
Natural occurrence	primordial
Crystal structure	​body-centred cubic (bcc)
Thermal conductivity	white: 0.236 W/(m⋅K) black: 12.1 W/(m⋅K)
Magnetic ordering	white, red, violet, black: diamagnetic[5]
Molar magnetic susceptibility	−20.8×10−6 cm3/mol (293 K)[6]
Bulk modulus	white: 5 GPa red: 11 GPa
CAS Number	7723-14-0 (red) 12185-10-3 (white)
History
Discovery	Hennig Brand (1669)
Recognised as an element by	Antoine Lavoisier[7] (1777)
Main isotopes of phosphorus v e
Iso­tope Decay abun­dance half-life (t1/2) mode pro­duct 31P 100% stable 32P trace 14.268 d β− 32S 33P trace 25.3 d β− 33S
Category: Phosphorus view talk edit | references

Phosphorus is a chemical element with the symbol P and atomic number 15. Elemental phosphorus exists in two major forms, white phosphorus and red phosphorus, but because it is highly reactive, phosphorus is never found as a free element on Earth. It has a concentration in the Earth’s crust of about one gram per kilogram (compare copper at about 0.06 grams). In minerals, phosphorus generally occurs as phosphate.

Elemental phosphorus was first isolated as white phosphorus in 1669. White phosphorus emits a faint glow when exposed to oxygen – hence the name, taken from Greek mythology, Φωσφόρος meaning ‘light-bearer’ (Latin Lucifer), referring to the «Morning Star», the planet Venus. The term phosphorescence, meaning glow after illumination, derives from this property of phosphorus, although the word has since been used for a different physical process that produces a glow. The glow of phosphorus is caused by oxidation of the white (but not red) phosphorus — a process now called chemiluminescence. Together with nitrogen, arsenic, antimony, and bismuth, phosphorus is classified as a pnictogen.

Phosphorus is an element essential to sustaining life largely through phosphates, compounds containing the phosphate ion, PO₄³⁻. Phosphates are a component of DNA, RNA, ATP, and phospholipids, complex compounds fundamental to cells. Elemental phosphorus was first isolated from human urine, and bone ash was an important early phosphate source. Phosphate mines contain fossils because phosphate is present in the fossilized deposits of animal remains and excreta. Low phosphate levels are an important limit to growth in some aquatic systems. The vast majority of phosphorus compounds mined are consumed as fertilisers. Phosphate is needed to replace the phosphorus that plants remove from the soil, and its annual demand is rising nearly twice as fast as the growth of the human population. Other applications include organophosphorus compounds in detergents, pesticides, and nerve agents.

Characteristics[edit]

Allotropes[edit]

Phosphorus has several allotropes that exhibit strikingly diverse properties.^[8] The two most common allotropes are white phosphorus and red phosphorus.^[9]

From the perspective of applications and chemical literature, the most important form of elemental phosphorus is white phosphorus, often abbreviated as WP. It is a soft, waxy solid which consists of tetrahedral P
₄ molecules, in which each atom is bound to the other three atoms by a formal single bond. This P
₄ tetrahedron is also present in liquid and gaseous phosphorus up to the temperature of 800 °C (1,470 °F) when it starts decomposing to P
₂ molecules.^[10] The P
₄ molecule in the gas phase has a P-P bond length of r_g = 2.1994(3) Å as was determined by gas electron diffraction.^[11] The nature of bonding in this P
₄ tetrahedron can be described by spherical aromaticity or cluster bonding, that is the electrons are highly delocalized. This has been illustrated by calculations of the magnetically induced currents, which sum up to 29 nA/T, much more than in the archetypical aromatic molecule benzene (11 nA/T).^[11]

White phosphorus exists in two crystalline forms: α (alpha) and β (beta). At room temperature, the α-form is stable. It is more common, has cubic crystal structure and at 195.2 K (−78.0 °C), it transforms into β-form, which has hexagonal crystal structure. These forms differ in terms of the relative orientations of the constituent P₄ tetrahedra.^[12][13] The β form of white phosphorus contains three slightly different P
₄ molecules, i.e. 18 different P-P bond lengths between 2.1768(5) and 2.1920(5) Å. The average P-P bond length is 2.183(5) Å.^[14]

White phosphorus is the least stable, the most reactive, the most volatile, the least dense and the most toxic of the allotropes. White phosphorus gradually changes to red phosphorus. This transformation is accelerated by light and heat, and samples of white phosphorus almost always contain some red phosphorus and accordingly appear yellow. For this reason, white phosphorus that is aged or otherwise impure (e.g., weapons-grade, not lab-grade WP) is also called yellow phosphorus. When exposed to oxygen, white phosphorus glows in the dark with a very faint tinge of green and blue. It is highly flammable and pyrophoric (self-igniting) upon contact with air. Owing to its pyrophoricity, white phosphorus is used as an additive in napalm. The odour of combustion of this form has a characteristic garlic smell, and samples are commonly coated with white phosphorus pentoxide, which consists of P
₄O
₁₀ tetrahedra with oxygen inserted between the phosphorus atoms and at their vertices. White phosphorus is insoluble in water but soluble in carbon disulfide.^[15]

Thermal decomposition of P₄ at 1100 K gives diphosphorus, P₂. This species is not stable as a solid or liquid. The dimeric unit contains a triple bond and is analogous to N₂. It can also be generated as a transient intermediate in solution by thermolysis of organophosphorus precursor reagents.^[16] At still higher temperatures, P₂ dissociates into atomic P.^[15]

Properties of some allotropes of phosphorus^[8][17]

Form	white(α)	white(β)	red	violet	black
Symmetry	Body-centred cubic	Triclinic	Amorphous	Monoclinic	Orthorhombic
Pearson symbol		aP24		mP84	oS8
Space group	I43m	P1 No.2		P2/c No.13	Cmca No.64
Density (g/cm3)	1.828	1.88	~2.2	2.36	2.69
Band gap (eV)	2.1		1.8	1.5	0.34
Refractive index	1.8244			2.6	2.4

Red phosphorus is polymeric in structure. It can be viewed as a derivative of P₄ wherein one P-P bond is broken, and one additional bond is formed with the neighbouring tetrahedron resulting in chains of P₂₁ molecules linked by van der Waals forces.^[18] Red phosphorus may be formed by heating white phosphorus to 250 °C (482 °F) or by exposing white phosphorus to sunlight.^[19] Phosphorus after this treatment is amorphous. Upon further heating, this material crystallises. In this sense, red phosphorus is not an allotrope, but rather an intermediate phase between the white and violet phosphorus, and most of its properties have a range of values. For example, freshly prepared, bright red phosphorus is highly reactive and ignites at about 300 °C (572 °F),^[20] though it is more stable than white phosphorus, which ignites at about 30 °C (86 °F).^[21] After prolonged heating or storage, the color darkens (see infobox images); the resulting product is more stable and does not spontaneously ignite in air.^[22]

Violet phosphorus is a form of phosphorus that can be produced by day-long annealing of red phosphorus above 550 °C. In 1865, Hittorf discovered that when phosphorus was recrystallised from molten lead, a red/purple form is obtained. Therefore, this form is sometimes known as «Hittorf’s phosphorus» (or violet or α-metallic phosphorus).^[17]

Black phosphorus is the least reactive allotrope and the thermodynamically stable form below 550 °C (1,022 °F). It is also known as β-metallic phosphorus and has a structure somewhat resembling that of graphite.^[23][24] It is obtained by heating white phosphorus under high pressures (about 12,000 standard atmospheres or 1.2 gigapascals). It can also be produced at ambient conditions using metal salts, e.g. mercury, as catalysts.^[25] In appearance, properties, and structure, it resembles graphite, being black and flaky, a conductor of electricity, and has puckered sheets of linked atoms.^[26]

Another form, scarlet phosphorus, is obtained by allowing a solution of white phosphorus in carbon disulfide to evaporate in sunlight.^[17]

Chemiluminescence[edit]

When first isolated, it was observed that the green glow emanating from white phosphorus would persist for a time in a stoppered jar, but then cease. Robert Boyle in the 1680s ascribed it to «debilitation» of the air. Actually, it is oxygen being consumed. By the 18th century, it was known that in pure oxygen, phosphorus does not glow at all;^[27] there is only a range of partial pressures at which it does. Heat can be applied to drive the reaction at higher pressures.^[28]

In 1974, the glow was explained by R. J. van Zee and A. U. Khan.^[29][30] A reaction with oxygen takes place at the surface of the solid (or liquid) phosphorus, forming the short-lived molecules HPO and P
₂O
₂ that both emit visible light. The reaction is slow and only very little of the intermediates are required to produce the luminescence, hence the extended time the glow continues in a stoppered jar.

Since its discovery, phosphors and phosphorescence were used loosely to describe substances that shine in the dark without burning. Although the term phosphorescence is derived from phosphorus, the reaction that gives phosphorus its glow is properly called chemiluminescence (glowing due to a cold chemical reaction), not phosphorescence (re-emitting light that previously fell onto a substance and excited it).^[31]

Isotopes[edit]

There are 23 known isotopes of phosphorus,^[32] ranging from ²⁵
P to ⁴⁷
P.^[33] Only ³¹
P is stable and is therefore present at 100% abundance. The half-integer nuclear spin and high abundance of ³¹P make phosphorus-31 NMR spectroscopy a very useful analytical tool in studies of phosphorus-containing samples.

Two radioactive isotopes of phosphorus have half-lives suitable for biological scientific experiments. These are:

• ³²
  P, a beta-emitter (1.71 MeV) with a half-life of 14.3 days, which is used routinely in life-science laboratories, primarily to produce radiolabeled DNA and RNA probes, e.g. for use in Northern blots or Southern blots.
• ³³
  P, a beta-emitter (0.25 MeV) with a half-life of 25.4 days. It is used in life-science laboratories in applications in which lower energy beta emissions are advantageous such as DNA sequencing.

The high energy beta particles from ³²
P penetrate skin and corneas and any ³²
P ingested, inhaled, or absorbed is readily incorporated into bone and nucleic acids. For these reasons, Occupational Safety and Health Administration in the United States, and similar institutions in other developed countries require personnel working with ³²
P to wear lab coats, disposable gloves, and safety glasses or goggles to protect the eyes, and avoid working directly over open containers. Monitoring personal, clothing, and surface contamination is also required. Shielding requires special consideration. The high energy of the beta particles gives rise to secondary emission of X-rays via Bremsstrahlung (braking radiation) in dense shielding materials such as lead. Therefore, the radiation must be shielded with low density materials such as acrylic or other plastic, water, or (when transparency is not required), even wood.^[34]

Occurrence[edit]

Universe[edit]

In 2013, astronomers detected phosphorus in Cassiopeia A, which confirmed that this element is produced in supernovae as a byproduct of supernova nucleosynthesis. The phosphorus-to-iron ratio in material from the supernova remnant could be up to 100 times higher than in the Milky Way in general.^[35]

In 2020, astronomers analysed ALMA and ROSINA data from the massive star-forming region AFGL 5142, to detect phosphorus-bearing molecules and how they are carried in comets to the early Earth.^[36][37]

Crust and organic sources[edit]

Phosphorus has a concentration in the Earth’s crust of about one gram per kilogram (compare copper at about 0.06 grams). It is not found free in nature, but is widely distributed in many minerals, usually as phosphates.^[9] Inorganic phosphate rock, which is partially made of apatite (a group of minerals being, generally, pentacalcium triorthophosphate fluoride (hydroxide)), is today the chief commercial source of this element. According to the US Geological Survey (USGS), about 50 percent of the global phosphorus reserves are in the Arab nations.^[38] 85% of Earth’s known reserves are in Morocco with smaller deposits in China, Russia,^[39] Florida, Idaho, Tennessee, Utah, and elsewhere.^[40] Albright and Wilson in the UK and their Niagara Falls plant, for instance, were using phosphate rock in the 1890s and 1900s from Tennessee, Florida, and the Îles du Connétable (guano island sources of phosphate); by 1950, they were using phosphate rock mainly from Tennessee and North Africa.^[41]

Organic sources, namely urine, bone ash and (in the latter 19th century) guano, were historically of importance but had only limited commercial success.^[42] As urine contains phosphorus, it has fertilising qualities which are still harnessed today in some countries, including Sweden, using methods for reuse of excreta. To this end, urine can be used as a fertiliser in its pure form or part of being mixed with water in the form of sewage or sewage sludge.

Compounds[edit]

Phosphorus(V)[edit]

The most prevalent compounds of phosphorus are derivatives of phosphate (PO₄³⁻), a tetrahedral anion.^[43] Phosphate is the conjugate base of phosphoric acid, which is produced on a massive scale for use in fertilisers. Being triprotic, phosphoric acid converts stepwise to three conjugate bases:

H₃PO₄ + H₂O ⇌ H₃O⁺ + H₂PO₄⁻       K_a1 = 7.25×10⁻³

H₂PO₄⁻ + H₂O ⇌ H₃O⁺ + HPO₄²⁻       K_a2 = 6.31×10⁻⁸

HPO₄²⁻ + H₂O ⇌ H₃O⁺ +  PO₄³⁻        K_a3 = 3.98×10⁻¹³

Phosphate exhibits a tendency to form chains and rings containing P-O-P bonds. Many polyphosphates are known, including ATP. Polyphosphates arise by dehydration of hydrogen phosphates such as HPO₄²⁻ and H₂PO₄⁻. For example, the industrially important pentasodium triphosphate (also known as sodium tripolyphosphate, STPP) is produced industrially on by the megatonne by this condensation reaction:

2 Na₂[(HO)PO₃] + Na[(HO)₂PO₂] → Na₅[O₃P-O-P(O)₂-O-PO₃] + 2 H₂O

Phosphorus pentoxide (P₄O₁₀) is the acid anhydride of phosphoric acid, but several intermediates between the two are known. This waxy white solid reacts vigorously with water.

With metal cations, phosphate forms a variety of salts. These solids are polymeric, featuring P-O-M linkages. When the metal cation has a charge of 2+ or 3+, the salts are generally insoluble, hence they exist as common minerals. Many phosphate salts are derived from hydrogen phosphate (HPO₄²⁻).

PCl₅ and PF₅ are common compounds. PF₅ is a colourless gas and the molecules have trigonal bipyramidal geometry. PCl₅ is a colourless solid which has an ionic formulation of PCl₄⁺ PCl₆⁻, but adopts the trigonal bipyramidal geometry when molten or in the vapour phase.^[15] PBr₅ is an unstable solid formulated as PBr₄⁺Br⁻and PI₅ is not known.^[15] The pentachloride and pentafluoride are Lewis acids. With fluoride, PF₅ forms PF₆⁻, an anion that is isoelectronic with SF₆. The most important oxyhalide is phosphorus oxychloride, (POCl₃), which is approximately tetrahedral.

Before extensive computer calculations were feasible, it was thought that bonding in phosphorus(V) compounds involved d orbitals. Computer modeling of molecular orbital theory indicates that this bonding involves only s- and p-orbitals.^[44]

Phosphorus(III)[edit]

All four symmetrical trihalides are well known: gaseous PF₃, the yellowish liquids PCl₃ and PBr₃, and the solid PI₃. These materials are moisture sensitive, hydrolysing to give phosphorous acid. The trichloride, a common reagent, is produced by chlorination of white phosphorus:

P₄ + 6 Cl₂ → 4 PCl₃

The trifluoride is produced from the trichloride by halide exchange. PF₃ is toxic because it binds to haemoglobin.

Phosphorus(III) oxide, P₄O₆ (also called tetraphosphorus hexoxide) is the anhydride of P(OH)₃, the minor tautomer of phosphorous acid. The structure of P₄O₆ is like that of P₄O₁₀ without the terminal oxide groups.

Phosphorus(I) and phosphorus(II)[edit]

These compounds generally feature P–P bonds.^[15] Examples include catenated derivatives of phosphine and organophosphines. Compounds containing P=P double bonds have also been observed, although they are rare.

Phosphides and phosphines[edit]

Phosphides arise by reaction of metals with red phosphorus. The alkali metals (group 1) and alkaline earth metals can form ionic compounds containing the phosphide ion, P³⁻. These compounds react with water to form phosphine. Other phosphides, for example Na₃P₇, are known for these reactive metals. With the transition metals as well as the monophosphides there are metal-rich phosphides, which are generally hard refractory compounds with a metallic lustre, and phosphorus-rich phosphides which are less stable and include semiconductors.^[15] Schreibersite is a naturally occurring metal-rich phosphide found in meteorites. The structures of the metal-rich and phosphorus-rich phosphides can be complex.

Phosphine (PH₃) and its organic derivatives (PR₃) are structural analogues of ammonia (NH₃), but the bond angles at phosphorus are closer to 90° for phosphine and its organic derivatives. It is an ill-smelling, toxic compound. Phosphorus has an oxidation number of −3 in phosphine. Phosphine is produced by hydrolysis of calcium phosphide, Ca₃P₂. Unlike ammonia, phosphine is oxidised by air. Phosphine is also far less basic than ammonia. Other phosphines are known which contain chains of up to nine phosphorus atoms and have the formula P_nH_n+2.^[15] The highly flammable gas diphosphine (P₂H₄) is an analogue of hydrazine.

Oxoacids[edit]

Phosphorous oxoacids are extensive, often commercially important, and sometimes structurally complicated. They all have acidic protons bound to oxygen atoms, some have nonacidic protons that are bonded directly to phosphorus and some contain phosphorus — phosphorus bonds.^[15] Although many oxoacids of phosphorus are formed, only nine are commercially important, and three of them, hypophosphorous acid, phosphorous acid, and phosphoric acid, are particularly important.

Oxidation state	Formula	Name	Acidic protons	Compounds
+1	HH2PO2	hypophosphorous acid	1	acid, salts
+3	H2HPO3	phosphorous acid	2	acid, salts
+3	HPO2	metaphosphorous acid	1	salts
+3	H3PO3	(ortho)phosphorous acid	3	acid, salts
+4	H4P2O6	hypophosphoric acid	4	acid, salts
+5	(HPO3)n	metaphosphoric acids	n	salts (n = 3,4,6)
+5	H(HPO3)nOH	polyphosphoric acids	n+2	acids, salts (n = 1-6)
+5	H5P3O10	tripolyphosphoric acid	3	salts
+5	H4P2O7	pyrophosphoric acid	4	acid, salts
+5	H3PO4	(ortho)phosphoric acid	3	acid, salts

Nitrides[edit]

The PN molecule is considered unstable, but is a product of crystalline phosphorus nitride decomposition at 1100 K. Similarly, H₂PN is considered unstable, and phosphorus nitride halogens like F₂PN, Cl₂PN, Br₂PN, and I₂PN oligomerise into cyclic Polyphosphazenes. For example, compounds of the formula (PNCl₂)_n exist mainly as rings such as the trimer hexachlorophosphazene. The phosphazenes arise by treatment of phosphorus pentachloride with ammonium chloride:

PCl₅ + NH₄Cl → 1/n (NPCl₂)_n + 4 HCl

When the chloride groups are replaced by alkoxide (RO⁻), a family of polymers is produced with potentially useful properties.^[45]

Sulfides[edit]

Phosphorus forms a wide range of sulfides, where the phosphorus can be in P(V), P(III) or other oxidation states. The three-fold symmetric P₄S₃ is used in strike-anywhere matches. P₄S₁₀ and P₄O₁₀ have analogous structures.^[46] Mixed oxyhalides and oxyhydrides of phosphorus(III) are almost unknown.

Organophosphorus compounds[edit]

Compounds with P-C and P-O-C bonds are often classified as organophosphorus compounds. They are widely used commercially. The PCl₃ serves as a source of P³⁺ in routes to organophosphorus(III) compounds. For example, it is the precursor to triphenylphosphine:

PCl₃ + 6 Na + 3 C₆H₅Cl → P(C₆H₅)₃ + 6 NaCl

Treatment of phosphorus trihalides with alcohols and phenols gives phosphites, e.g. triphenylphosphite:

PCl₃ + 3 C₆H₅OH → P(OC₆H₅)₃ + 3 HCl

Similar reactions occur for phosphorus oxychloride, affording triphenylphosphate:

OPCl₃ + 3 C₆H₅OH → OP(OC₆H₅)₃ + 3 HCl

History[edit]

Etymology[edit]

The name Phosphorus in Ancient Greece was the name for the planet Venus and is derived from the Greek words (φῶς = light, φέρω = carry), which roughly translates as light-bringer or light carrier.^[19] (In Greek mythology and tradition, Augerinus (Αυγερινός = morning star, still in use today), Hesperus or Hesperinus (΄Εσπερος or Εσπερινός or Αποσπερίτης = evening star, still in use today) and Eosphorus (Εωσφόρος = dawnbearer, not in use for the planet after Christianity) are close homologues, and also associated with Phosphorus-the-morning-star).

According to the Oxford English Dictionary, the correct spelling of the element is phosphorus. The word phosphorous is the adjectival form of the P³⁺ valence: so, just as sulfur forms sulfurous and sulfuric compounds, phosphorus forms phosphorous compounds (e.g., phosphorous acid) and P⁵⁺ valence phosphoric compounds (e.g., phosphoric acids and phosphates).

Discovery[edit]

The discovery of phosphorus, the first element to be discovered that was not known since ancient times,^[47] is credited to the German alchemist Hennig Brand in 1669, although others might have discovered phosphorus around the same time.^[48] Brand experimented with urine, which contains considerable quantities of dissolved phosphates from normal metabolism.^[19] Working in Hamburg, Brand attempted to create the fabled philosopher’s stone through the distillation of some salts by evaporating urine, and in the process produced a white material that glowed in the dark and burned brilliantly. It was named phosphorus mirabilis («miraculous bearer of light»).^[49]

Brand’s process originally involved letting urine stand for days until it gave off a terrible smell. Then he boiled it down to a paste, heated this paste to a high temperature, and led the vapours through water, where he hoped they would condense to gold. Instead, he obtained a white, waxy substance that glowed in the dark. Brand had discovered phosphorus. Specifically, Brand produced ammonium sodium hydrogen phosphate, (NH
₄)NaHPO
₄. While the quantities were essentially correct (it took about 1,100 litres [290 US gal] of urine to make about 60 g of phosphorus), it was unnecessary to allow the urine to rot first. Later scientists discovered that fresh urine yielded the same amount of phosphorus.^[31]

Brand at first tried to keep the method secret,^[50] but later sold the recipe for 200 thalers to D. Krafft from Dresden.^[19] Krafft toured much of Europe with it, including England, where he met with Robert Boyle. The secret—that the substance was made from urine—leaked out, and Johann Kunckel (1630–1703) was able to reproduce it in Sweden (1678). Later, Boyle in London (1680) also managed to make phosphorus, possibly with the aid of his assistant, Ambrose Godfrey-Hanckwitz. Godfrey later made a business of the manufacture of phosphorus.

Boyle states that Krafft gave him no information as to the preparation of phosphorus other than that it was derived from «somewhat that belonged to the body of man». This gave Boyle a valuable clue, so that he, too, managed to make phosphorus, and published the method of its manufacture.^[19] Later he improved Brand’s process by using sand in the reaction (still using urine as base material),

4 NaPO
₃ + 2 SiO
₂ + 10 C → 2 Na
₂SiO
₃ + 10 CO + P
₄

Robert Boyle was the first to use phosphorus to ignite sulfur-tipped wooden splints, forerunners of our modern matches, in 1680.^[51]

Phosphorus was the 13th element to be discovered. Because of its tendency to spontaneously combust when left alone in air, it is sometimes referred to as «the Devil’s element».^[52]

Bone ash and guano[edit]

Antoine Lavoisier recognized phosphorus as an element in 1777 after Johan Gottlieb Gahn and Carl Wilhelm Scheele, in 1769, showed that calcium phosphate (Ca
₃(PO
₄)
₂) is found in bones by obtaining elemental phosphorus from bone ash.^[53]

Bone ash was the major source of phosphorus until the 1840s. The method started by roasting bones, then employed the use of fire clay retorts encased in a very hot brick furnace to distill out the highly toxic elemental phosphorus product.^[54] Alternately, precipitated phosphates could be made from ground-up bones that had been de-greased and treated with strong acids. White phosphorus could then be made by heating the precipitated phosphates, mixed with ground coal or charcoal in an iron pot, and distilling off phosphorus vapour in a retort.^[55] Carbon monoxide and other flammable gases produced during the reduction process were burnt off in a flare stack.

In the 1840s, world phosphate production turned to the mining of tropical island deposits formed from bird and bat guano (see also Guano Islands Act). These became an important source of phosphates for fertiliser in the latter half of the 19th century.^[56]

Phosphate rock[edit]

Phosphate rock, which usually contains calcium phosphate, was first used in 1850 to make phosphorus, and following the introduction of the electric arc furnace by James Burgess Readman in 1888^[57] (patented 1889),^[58] elemental phosphorus production switched from the bone-ash heating, to electric arc production from phosphate rock. After the depletion of world guano sources about the same time, mineral phosphates became the major source of phosphate fertiliser production. Phosphate rock production greatly increased after World War II, and remains the primary global source of phosphorus and phosphorus chemicals today. See the article on peak phosphorus for more information on the history and present state of phosphate mining. Phosphate rock remains a feedstock in the fertiliser industry, where it is treated with sulfuric acid to produce various «superphosphate» fertiliser products.

Incendiaries[edit]

White phosphorus was first made commercially in the 19th century for the match industry. This used bone ash for a phosphate source, as described above. The bone-ash process became obsolete when the submerged-arc furnace for phosphorus production was introduced to reduce phosphate rock.^[59][60] The electric furnace method allowed production to increase to the point where phosphorus could be used in weapons of war.^[29][61] In World War I, it was used in incendiaries, smoke screens and tracer bullets.^[61] A special incendiary bullet was developed to shoot at hydrogen-filled Zeppelins over Britain (hydrogen being highly flammable).^[61] During World War II, Molotov cocktails made of phosphorus dissolved in petrol were distributed in Britain to specially selected civilians within the British resistance operation, for defence; and phosphorus incendiary bombs were used in war on a large scale. Burning phosphorus is difficult to extinguish and if it splashes onto human skin it has horrific effects.^[15]

Early matches used white phosphorus in their composition, which was dangerous due to its toxicity. Murders, suicides and accidental poisonings resulted from its use. (An apocryphal tale tells of a woman attempting to murder her husband with white phosphorus in his food, which was detected by the stew’s giving off luminous steam).^[29] In addition, exposure to the vapours gave match workers a severe necrosis of the bones of the jaw, known as «phossy jaw». When a safe process for manufacturing red phosphorus was discovered, with its far lower flammability and toxicity, laws were enacted, under the Berne Convention (1906), requiring its adoption as a safer alternative for match manufacture.^[62] The toxicity of white phosphorus led to discontinuation of its use in matches.^[63] The Allies used phosphorus incendiary bombs in World War II to destroy Hamburg, the place where the «miraculous bearer of light» was first discovered.^[49]

Production[edit]

In 2017, the USGS estimated 68 billion tons of world reserves, where reserve figures refer to the amount assumed recoverable at current market prices; 0.261 billion tons were mined in 2016.^[64] Critical to contemporary agriculture, its annual demand is rising nearly twice as fast as the growth of the human population.^[39] The production of phosphorus may have peaked before 2011 and some scientists predict reserves will be depleted in before the end of the 21st Century.»^[65][39][66] Phosphorus comprises about 0.1% by mass of the average rock, and consequently, the Earth’s supply is vast, though dilute.^[15]

Wet process[edit]

Most phosphorus-bearing material is for agriculture fertilisers. In this case where the standards of purity are modest, phosphorus is obtained from phosphate rock by what is called the «wet process.» The minerals are treated with sulfuric acid to give phosphoric acid. Phosphoric acid is then neutralized to give various phosphate salts, which comprise fertilizers. In the wet process, phosphorus does not undergo redox.^[67] About five tons of phosphogypsum waste are generated per ton of phosphoric acid production. Annually, the estimated generation of phosphogypsum worldwide is 100 to 280 Mt.^[68]

Thermal process[edit]

For the use of phosphorus in drugs, detergents, and foodstuff, the standards of purity are high, which led to the development of the thermal process. In this process, phosphate minerals are converted to white phosphorus, which can be purified by distillation. The white phosphorus is then oxidised to phosphoric acid and subsequently neutralised with a base to give phosphate salts. The thermal process is energy intensive.^[67] Presently, about 1,000,000 short tons (910,000 t) of elemental phosphorus is produced annually. Calcium phosphate (phosphate rock), mostly mined in Florida and North Africa, can be heated to 1,200–1,500 °C with sand, which is mostly SiO
₂, and coke to produce P
₄. The P
₄ product, being volatile, is readily isolated:^[69]

4 Ca₅(PO₄)₃F + 18 SiO₂ + 30 C → 3 P₄ + 30 CO + 18 CaSiO₃ + 2 CaF₂

2 Ca₃(PO₄)₂ + 6 SiO₂ + 10 C → 6 CaSiO₃ + 10 CO + P₄

Side products from the thermal process include ferrophosphorus, a crude form of Fe₂P, resulting from iron impurities in the mineral precursors. The silicate slag is a useful construction material. The fluoride is sometimes recovered for use in water fluoridation. More problematic is a «mud» containing significant amounts of white phosphorus. Production of white phosphorus is conducted in large facilities in part because it is energy intensive. The white phosphorus is transported in molten form. Some major accidents have occurred during transportation.^[70]

Historical routes[edit]

Historically, before the development of mineral-based extractions, white phosphorus was isolated on an industrial scale from bone ash.^[71] In this process, the tricalcium phosphate in bone ash is converted to monocalcium phosphate with sulfuric acid:

Ca₃(PO₄)₂ + 2 H₂SO₄ → Ca(H₂PO₄)₂ + 2 CaSO₄

Monocalcium phosphate is then dehydrated to the corresponding metaphosphate:

Ca(H₂PO₄)₂ → Ca(PO₃)₂ + 2 H₂O

When ignited to a white heat (~1300C) with charcoal, calcium metaphosphate yields two-thirds of its weight of white phosphorus while one-third of the phosphorus remains in the residue as calcium orthophosphate:

3 Ca(PO₃)₂ + 10 C → Ca₃(PO₄)₂ + 10 CO + P₄

Applications[edit]

Food additive[edit]

Phosphorus is an essential mineral for humans listed in the Dietary Reference Intake (DRI).

Food-grade phosphoric acid (additive E338^[72]) is used to acidify foods and beverages such as various colas and jams, providing a tangy or sour taste. The phosphoric acid also serves as a preservative.^[73] Soft drinks containing phosphoric acid, which would include Coca-Cola, are sometimes called phosphate sodas or phosphates. Phosphoric acid in soft drinks has the potential to cause dental erosion.^[74] Phosphoric acid also has the potential to contribute to the formation of kidney stones, especially in those who have had kidney stones previously.^[75]

Fertiliser[edit]

Phosphorus is an essential plant nutrient (the most often limiting nutrient, after nitrogen),^[76] and the bulk of all phosphorus production is in concentrated phosphoric acids for agriculture fertilisers, containing as much as 70% to 75% P₂O₅. That led to large increase in phosphate (PO₄³⁻) production in the second half of the 20th century.^[39] Artificial phosphate fertilisation is necessary because phosphorus is essential to all living organisms; it is involved in energy transfers, strength of root and stems, photosynthesis, the expansion of plant roots, formation of seeds and flowers, and other important factors effecting overall plant health and genetics.^[76]

Natural phosphorus-bearing compounds are mostly inaccessible to plants because of the low solubility and mobility in soil.^[77] Most phosphorus is very stable in the soil minerals or organic matter of the soil. Even when phosphorus is added in manure or fertilizer it can become fixed in the soil. Therefore, the natural cycle of phosphorus is very slow. Some of the fixed phosphorus is released again over time, sustaining wild plant growth, however, more is needed to sustain intensive cultivation of crops.^[78] Fertiliser is often in the form of superphosphate of lime, a mixture of calcium dihydrogen phosphate (Ca(H₂PO₄)₂), and calcium sulfate dihydrate (CaSO₄·2H₂O) produced reacting sulfuric acid and water with calcium phosphate.

Processing phosphate minerals with sulfuric acid for obtaining fertiliser is so important to the global economy that this is the primary industrial market for sulfuric acid and the greatest industrial use of elemental sulfur.^[79]

Widely used compounds	Use
Ca(H2PO4)2·H2O	Baking powder and fertilisers
CaHPO4·2H2O	Animal food additive, toothpowder
H3PO4	Manufacture of phosphate fertilisers
PCl3	Manufacture of POCl3 and pesticides
POCl3	Manufacture of plasticiser
P4S10	Manufacturing of additives and pesticides
Na5P3O10	Detergents

Organophosphorus[edit]

White phosphorus is widely used to make organophosphorus compounds through intermediate phosphorus chlorides and two phosphorus sulfides, phosphorus pentasulfide and phosphorus sesquisulfide.^[80] Organophosphorus compounds have many applications, including in plasticisers, flame retardants, pesticides, extraction agents, nerve agents and water treatment.^[15][81]

Metallurgical aspects[edit]

Phosphorus is also an important component in steel production, in the making of phosphor bronze, and in many other related products.^[82][83] Phosphorus is added to metallic copper during its smelting process to react with oxygen present as an impurity in copper and to produce phosphorus-containing copper (CuOFP) alloys with a higher hydrogen embrittlement resistance than normal copper.^[84]

Matches[edit]

The first striking match with a phosphorus head was invented by Charles Sauria in 1830. These matches (and subsequent modifications) were made with heads of white phosphorus, an oxygen-releasing compound (potassium chlorate, lead dioxide, or sometimes nitrate), and a binder. They were poisonous to the workers in manufacture,^[85] sensitive to storage conditions, toxic if ingested, and hazardous when accidentally ignited on a rough surface.^[86][87] Production in several countries was banned between 1872 and 1925.^[88] The international Berne Convention, ratified in 1906, prohibited the use of white phosphorus in matches.

In consequence, phosphorous matches were gradually replaced by safer alternatives. Around 1900 French chemists Henri Sévène and Emile David Cahen invented the modern strike-anywhere match, wherein the white phosphorus was replaced by phosphorus sesquisulfide (P₄S₃), a non-toxic and non-pyrophoric compound that ignites under friction. For a time these safer strike-anywhere matches were quite popular but in the long run they were superseded by the modern safety match.

Safety matches are very difficult to ignite on any surface other than a special striker strip. The strip contains non-toxic red phosphorus and the match head potassium chlorate, an oxygen-releasing compound. When struck, small amounts of abrasion from match head and striker strip are mixed intimately to make a small quantity of Armstrong’s mixture, a very touch sensitive composition. The fine powder ignites immediately and provides the initial spark to set off the match head. Safety matches separate the two components of the ignition mixture until the match is struck. This is the key safety advantage as it prevents accidental ignition. Nonetheless, safety matches, invented in 1844 by Gustaf Erik Pasch and market ready by the 1860s, didn’t gain consumer acceptance until the prohibition of white phosphorus. Using a dedicated striker strip was considered clumsy.^[20][80][89]

Water softening[edit]

Sodium tripolyphosphate made from phosphoric acid is used in laundry detergents in some countries, but banned for this use in others.^[22] This compound softens the water to enhance the performance of the detergents and to prevent pipe/boiler tube corrosion.^[90]

Miscellaneous[edit]

• Phosphates are used to make special glasses for sodium lamps.^[22]
• Bone-ash, calcium phosphate, is used in the production of fine china.^[22]
• Phosphoric acid made from elemental phosphorus is used in food applications such as soft drinks, and as a starting point for food grade phosphates.^[80] These include mono-calcium phosphate for baking powder and sodium tripolyphosphate.^[80] Phosphates are used to improve the characteristics of processed meat and cheese, and in toothpaste.^[80]
• White phosphorus, called «WP» (slang term «Willie Peter») is used in military applications as incendiary bombs, for smoke-screening as smoke pots and smoke bombs, and in tracer ammunition. It is also a part of an obsolete M34 White Phosphorus US hand grenade. This multipurpose grenade was mostly used for signaling, smoke screens, and inflammation; it could also cause severe burns and had a psychological impact on the enemy.^[91][92] Military uses of white phosphorus are constrained by international law.
• ³²P and ³³P are used as radioactive tracers in biochemical laboratories.^[93]

Biological role[edit]

Inorganic phosphorus in the form of the phosphate PO³⁻
₄ is required for all known forms of life.^[94] Phosphorus plays a major role in the structural framework of DNA and RNA. Living cells use phosphate to transport cellular energy with adenosine triphosphate (ATP), necessary for every cellular process that uses energy. ATP is also important for phosphorylation, a key regulatory event in cells. Phospholipids are the main structural components of all cellular membranes. Calcium phosphate salts assist in stiffening bones.^[15] Biochemists commonly use the abbreviation «Pi» to refer to inorganic phosphate.^[95]

Every living cell is encased in a membrane that separates it from its surroundings. Cellular membranes are composed of a phospholipid matrix and proteins, typically in the form of a bilayer. Phospholipids are derived from glycerol with two of the glycerol hydroxyl (OH) protons replaced by fatty acids as an ester, and the third hydroxyl proton has been replaced with phosphate bonded to another alcohol.^[96]

An average adult human contains about 0.7 kg of phosphorus, about 85–90% in bones and teeth in the form of apatite, and the remainder in soft tissues and extracellular fluids (~1%). The phosphorus content increases from about 0.5% by mass in infancy to 0.65–1.1% by mass in adults. Average phosphorus concentration in the blood is about 0.4 g/L, about 70% of that is organic and 30% inorganic phosphates.^[97] An adult with healthy diet consumes and excretes about 1–3 grams of phosphorus per day, with consumption in the form of inorganic phosphate and phosphorus-containing biomolecules such as nucleic acids and phospholipids; and excretion almost exclusively in the form of phosphate ions such as H
₂PO⁻
₄ and HPO²⁻
₄. Only about 0.1% of body phosphate circulates in the blood, paralleling the amount of phosphate available to soft tissue cells.

Bone and teeth enamel[edit]

The main component of bone is hydroxyapatite as well as amorphous forms of calcium phosphate, possibly including carbonate. Hydroxyapatite is the main component of tooth enamel. Water fluoridation enhances the resistance of teeth to decay by the partial conversion of this mineral to the still harder material called fluoroapatite:^[15]

Ca
₅(PO
₄)
₃OH + F⁻
→ Ca
₅(PO
₄)
₃F + OH⁻

Phosphorus deficiency[edit]

In medicine, phosphate deficiency syndrome may be caused by malnutrition, by failure to absorb phosphate, and by metabolic syndromes that draw phosphate from the blood (such as in refeeding syndrome after malnutrition^[98]) or passing too much of it into the urine. All are characterised by hypophosphatemia, which is a condition of low levels of soluble phosphate levels in the blood serum and inside the cells. Symptoms of hypophosphatemia include neurological dysfunction and disruption of muscle and blood cells due to lack of ATP. Too much phosphate can lead to diarrhoea and calcification (hardening) of organs and soft tissue, and can interfere with the body’s ability to use iron, calcium, magnesium, and zinc.^[99]

Phosphorus is an essential macromineral for plants, which is studied extensively in edaphology to understand plant uptake from soil systems. Phosphorus is a limiting factor in many ecosystems; that is, the scarcity of phosphorus limits the rate of organism growth. An excess of phosphorus can also be problematic, especially in aquatic systems where eutrophication sometimes leads to algal blooms.^[39]

Nutrition[edit]

Dietary recommendations[edit]

The U.S. Institute of Medicine (IOM) updated Estimated Average Requirements (EARs) and Recommended Dietary Allowances (RDAs) for phosphorus in 1997. If there is not sufficient information to establish EARs and RDAs, an estimate designated Adequate Intake (AI) is used instead. The current EAR for phosphorus for people ages 19 and up is 580 mg/day. The RDA is 700 mg/day. RDAs are higher than EARs so as to identify amounts that will cover people with higher than average requirements. RDA for pregnancy and lactation are also 700 mg/day. For people ages 1–18 years the RDA increases with age from 460 to 1250 mg/day. As for safety, the IOM sets Tolerable upper intake levels (ULs) for vitamins and minerals when evidence is sufficient. In the case of phosphorus the UL is 4000 mg/day. Collectively the EARs, RDAs, AIs and ULs are referred to as Dietary Reference Intakes (DRIs).^[100]

The European Food Safety Authority (EFSA) refers to the collective set of information as Dietary Reference Values, with Population Reference Intake (PRI) instead of RDA, and Average Requirement instead of EAR. AI and UL defined the same as in United States. For people ages 15 and older, including pregnancy and lactation, the AI is set at 550 mg/day. For children ages 4–10 the AI is 440 mg/day, and for ages 11–17 it is 640 mg/day. These AIs are lower than the U.S RDAs. In both systems, teenagers need more than adults.^[101] The European Food Safety Authority reviewed the same safety question and decided that there was not sufficient information to set a UL.^[102]

For U.S. food and dietary supplement labeling purposes the amount in a serving is expressed as a percent of Daily Value (%DV). For phosphorus labeling purposes 100% of the Daily Value was 1000 mg, but as of May 27, 2016 it was revised to 1250 mg to bring it into agreement with the RDA.^[103][104] A table of the old and new adult daily values is provided at Reference Daily Intake.

Food sources[edit]

The main food sources for phosphorus are the same as those containing protein, although proteins do not contain phosphorus. For example, milk, meat, and soya typically also have phosphorus. As a rule, if a diet has sufficient protein and calcium, the amount of phosphorus is probably sufficient.^[105]

Precautions[edit]

Organic compounds of phosphorus form a wide class of materials; many are required for life, but some are extremely toxic. Fluorophosphate esters are among the most potent neurotoxins known. A wide range of organophosphorus compounds are used for their toxicity as pesticides (herbicides, insecticides, fungicides, etc.) and weaponised as nerve agents against enemy humans. Most inorganic phosphates are relatively nontoxic and essential nutrients.^[15]

The white phosphorus allotrope presents a significant hazard because it ignites in air and produces phosphoric acid residue. Chronic white phosphorus poisoning leads to necrosis of the jaw called «phossy jaw». White phosphorus is toxic, causing severe liver damage on ingestion and may cause a condition known as «Smoking Stool Syndrome».^[106]

In the past, external exposure to elemental phosphorus was treated by washing the affected area with 2% copper sulfate solution to form harmless compounds that are then washed away. According to the recent US Navy’s Treatment of Chemical Agent Casualties and Conventional Military Chemical Injuries: FM8-285: Part 2 Conventional Military Chemical Injuries, «Cupric (copper(II)) sulfate has been used by U.S. personnel in the past and is still being used by some nations. However, copper sulfate is toxic and its use will be discontinued. Copper sulfate may produce kidney and cerebral toxicity as well as intravascular hemolysis.»^[107]

The manual suggests instead «a bicarbonate solution to neutralise phosphoric acid, which will then allow removal of visible white phosphorus. Particles often can be located by their emission of smoke when air strikes them, or by their phosphorescence in the dark. In dark surroundings, fragments are seen as luminescent spots. Promptly debride the burn if the patient’s condition will permit removal of bits of WP (white phosphorus) that might be absorbed later and possibly produce systemic poisoning. DO NOT apply oily-based ointments until it is certain that all WP has been removed. Following complete removal of the particles, treat the lesions as thermal burns.»^{[note 1][citation needed]} As white phosphorus readily mixes with oils, any oily substances or ointments are not recommended until the area is thoroughly cleaned and all white phosphorus removed.

People can be exposed to phosphorus in the workplace by inhalation, ingestion, skin contact, and eye contact. The Occupational Safety and Health Administration (OSHA) has set the phosphorus exposure limit (Permissible exposure limit) in the workplace at 0.1 mg/m³ over an 8-hour workday. The National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) has set a Recommended exposure limit (REL) of 0.1 mg/m³ over an 8-hour workday. At levels of 5 mg/m³, phosphorus is immediately dangerous to life and health.^[108]

US DEA List I status[edit]

Phosphorus can reduce elemental iodine to hydroiodic acid, which is a reagent effective for reducing ephedrine or pseudoephedrine to methamphetamine.^[109] For this reason, red and white phosphorus were designated by the United States Drug Enforcement Administration as List I precursor chemicals under 21 CFR 1310.02 effective on November 17, 2001.^[110] In the United States, handlers of red or white phosphorus are subject to stringent regulatory controls.^{[110][111][112]}

See also[edit]

• Phosphorus cycle

Notes[edit]

References[edit]

Bibliography[edit]

Введение

С фосфором
знакомы все, кто хотя бы раз держал в руках коробку спичек. Более того, каждый
из нас носит в себе довольно много (4,5 кг) этого элемента, но, конечно, в виде
химических соединений. Фосфорсодержащие белки присутствуют в мышцах, мозговой
ткани и нервах. Но особенно много фосфора содержат кости и зубы: их химический
состав почти точно совпадает с формулой минерала фосфорита Ca₃(PO₄)₂.

Название элемента
фосфор (светоносец) происходит от латинского фосфорус (светящий) и связано с
его открытием – получением белого фосфора. Это было первое точно датированное
открытие нового химического элемента.

История
открытия элемента

Фосфор открыт
гамбургским алхимиком Хеннигом Брандом в 1669 году. Подобно другим алхимикам,
Бранд пытался отыскать философский камень, а получил светящееся вещество. Бранд
сфокусировался на опытах с человеческой мочой, так как полагал, что она,
обладая золотистым цветом, может содержать золото или нечто нужное для его
добычи (на рисунке изображён алхимик, открывающий фосфор (1771 год)»). Первоначально его способ заключался в том, что сначала моча
отстаивалась в течение нескольких дней, пока не исчезнет неприятный запах, а
затем кипятилась до клейкого состояния. Нагревая эту пасту до высоких
температур и доводя до появления пузырьков, он надеялся, что,
сконденсировавшись, они будут содержать золото. После нескольких часов
интенсивных кипячений получались крупицы белого воскоподобного вещества,
которое очень ярко горело и к тому же мерцало в темноте. Бранд назвал это
вещество phosphorus mirabilis (лат. «чудотворный
носитель света»). Открытие фосфора Брандом стало первым открытием нового
элемента со времён античности.

Картина Джозефа Райта «Алхимик, открывающий фосфор» (1771 год),
предположительно описывающая открытие фосфора Хеннигом Брандом.

Несколько позже
фосфор был получен другим немецким химиком – Иоганном Кункелем.

Независимо от
Бранда и Кункеля фосфор был получен Р. Бойлем, описавшим его в статье «Способ
приготовления фосфора из человеческой мочи», датированной 14 октября 1680 года
и опубликованной в 1693 году.

Усовершенствованный
способ получения фосфора был опубликован в 1743 году Андреасом Маргграфом.

Существуют
данные, что фосфор умели получать ещё арабские алхимики в XII в.

То, что фосфор –
простое вещество, доказал Лавуазье.

Характеристика
элемента

Фосфор-химический
элемент 15-й группы (по устаревшей классификации – главной подгруппы пятой
группы) третьего периода периодической системы Д. И. Менделеева; имеет атомный
номер 15. Элемент входит в группу пниктогенов. Фосфор – один из
распространённых элементов земной коры: его содержание составляет 0,08–0,09 % её
массы. Концентрация в морской воде 0,07 мг/л. В свободном состоянии не
встречается из-за высокой химической активности. Образует около 190 минералов,
важнейшими из которых являются апатит Ca₅(PO₄)₃(F,Cl,OH),
фосфорит и другие. Фосфор содержится во всех частях зелёных растений, ещё
больше его в плодах и семенах (см. фосфолипиды). Содержится в животных тканях,
входит в состав белков и других важнейших органических соединений (АТФ,ДНК),
является элементом жизни.

Физические
свойства

Элементарный
фосфор при нормальных условиях существует в виде нескольких устойчивых
аллотропических модификаций. Все возможные аллотропические модификации фосфора
пока (2014 г.) до конца не изучены. Традиционно различают четыре его
модификации: белый, красный, чёрный и металлический фосфор. Иногда их ещё
называют главными аллотропными
модификациями, подразумевая при этом, что все остальные описываемые модификации
являются смесью этих четырёх. При стандартных условиях устойчивы только три
аллотропических модификации фосфора (например, белый фосфор термодинамически
неустойчив (квазистационарное состояние) и переходит со временем при нормальных
условиях в красный фосфор). В условиях сверхвысоких давлений термодинамически
устойчива металлическая форма элемента. Все модификации различаются по цвету,
плотности и другим физическим и химическим характеристикам, особо, по
химической активности. При переходе состояния вещества в более термодинамически
устойчивую модификацию снижается химическая активность, например, при
последовательном превращении белого фосфора в красный, потом красного в чёрный
(металлический).

Белый фосфор

Белый фосфор
представляет собой белое вещество (из-за примесей может иметь желтоватый
оттенок). По внешнему виду он очень похож на очищенный воск или парафин, легко
режется ножом и деформируется от небольших усилий.

Белый фосфор
имеет молекулярную кристаллическую решётку, формула молекулы белого фосфора –P₄,
причём атомы расположены в вершинах тетраэдра. Отливаемый в инертной атмосфере
в виде палочек (слитков), он сохраняется в отсутствии воздуха под слоем
очищенной воды или в специальных инертных средах.

Плохо
растворяется в воде, но 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 (иногда ошибочно фосфоресценцией). При взаимодействии с
кислородом белый фосфор горит даже под водой.

Белый фосфор не
только активен химически, но и весьма ядовит: летальная доза белого фосфора для
взрослого человека составляет 0,05–0,15 г, а при хроническом отравлении поражает
кости, например, вызывает омертвение челюстей. При контакте с кожей легко
самовоспламеняется, вызывая серьёзные ожоги.

Под действием
света, при нагревании до не очень высоких температур в безвоздушной среде, а
также под действием ионизирующего излучения белый фосфор превращается в красный
фосфор.

Жёлтый фосфор

Неочищенный белый
фосфор обычно называют «жёлтый фосфор». Сильно ядовитое (ПДК в атмосферном
воздухе 0,0005 мг/м³), огнеопасное кристаллическое вещество от светло-жёлтого
до тёмно-бурого цвета. Удельный вес 1,83 г/см³, плавится при +43,1 °C, кипит
при +280 °C. 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.

Так как фосфор
реагирует с водой лишь при температуре свыше 500 градусов по цельсию, то 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 жёлтый фосфор хранится и перевозится под слоем
воды (раствора хлорида кальция).

Красный
фосфор

Красный фосфор –
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 Р_n и представляет собой полимер со сложной структурой.
В зависимости от способа получения и степени дробления, красный фосфор имеет
оттенки от пурпурно-красного до фиолетового, а в литом состоянии –
тёмно-фиолетовый с медным оттенком, имеет 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 хемилюминесценции. 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). Плотность красного фосфора также выше, и достигает 2400
кг/м³ в литом виде. 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. При «отмокании» – промывают водой от остатков фосфорных
кислот, высушивают и используют по назначению.

Чёрный фосфор

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 (2690 кг/м³) плотность. Для проведения синтеза
чёрного фосфора Бриджмен применил давление в 2·10⁹ Па (20 тысяч
атмосфер) и температуру около 200 °С. Начало быстрого перехода лежит в области
13 000 атмосфер и температуре около 230 °С.

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.

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.

Химические
свойства

Химическая
активность фосфора значительно выше, чем у азота. Химические свойства фосфора
во многом определяются его аллотропной модификацией. Белый фосфор очень
активен, в процессе перехода к красному и чёрному фосфору химическая активность
снижается. Белый фосфор в воздухе при окислении кислородом воздуха при
комнатной температуре излучает видимый свет, свечение обусловлено
фотоэмиссионной реакцией окисления фосфора.

В жидком и
растворенном состоянии, а также в парах до 800 °С фосфор состоит из молекул Р₄.
При нагревании выше 800 °С молекулы диссоциируют: Р₄ = 2Р₂.
При температуре выше 2000 °С молекулы распадаются на атомы.

Взаимодействие с простыми веществами

Фосфор легко
окисляется кислородом:

(с избытком кислорода)

(при медленном окислении или при
недостатке кислорода)

Взаимодействует
со многими простыми веществами – галогенами, серой, некоторыми металлами,
проявляя окислительные и восстановительные свойства:

с металлами –
окислитель, образует фосфиды:

фосфиды
разлагаются водой и кислотами с образованием фосфина

с неметаллами –
восстановитель:

С водородом
фосфор практически не соединяется. Однако разложением некоторых фосфидов водой
по реакции, например:

может быть
получен аналогичный аммиаку фосфористый водород (фосфин) – РH₃

Взаимодействие
с водой

Взаимодействует с
водяным паром при температуре выше 500 °С, протекает реакция
диспропорционирования с образованием фосфина и фосфорной кислоты:

Взаимодействие со щелочами

В холодных
концентрированных растворах щелочей также медленно протекает реакция
диспропорционирования:

Восстановительные свойства

Сильные
окислители превращают фосфор в фосфорную кислоту:

Реакция окисления
фосфора происходит при поджигании спичек, в качестве окислителя выступает
бертолетова соль:

Простое
вещество

Фосфор–неметалл 5
группы и 3 периода, имеющий 5 валентных электронов на внешнем энергетическом
уровне. Ему соответствует высший оксид кислотного характера Р2О5 и летучее
водородное соединение фосфин РН3. Высшая и низшая степени окисления +5 и -3
соответственно, следовательно, проявляет как окислительные, так и
восстановительные свойства. Самая устойчивая степень окисления в соединениях
+5.

Получение

Фосфор получают
восстановлением фосфоритов или апатита коксом в присутствии SiO₂ в
электропечах при 1300-1500 ⁰C по реакции:

4Ca₅(PO₄)₃F + 21SiO₂
+ 30C 3P₄
+ 20CaSiO₃ + SiF₄ + З0СО

Образующиеся пары
фосфора конденсируются на охлаждаемой поверхности в виде белого (желтого)
фосфора и собираются под слоем нагретой воды (60 ⁰C). В случае
присутствия в шихте оксидов железа в качестве побочного продукта получается
феррофосфор — сплав фосфидов Fe₂P и Fe₃P.

Красный фосфор
получают нагреванием белого без доступа воздуха в течение нескольких часов при
375-400 ⁰C.

Очищают белый
фосфор отстаиванием или фильтрованием расплава, переплавкой под слоем
разбавленной хромовой смеси, обработкой 10-20%-ным раствором KOH при 90-100 ⁰C,
50%-ной H₂SO₄ и деионизированной водой при 41-50 ⁰C,сублимацией
или перегонкой в вакууме либо перегонкой с водяным паром в атмосфере CO₂,
высокотемпературной обработкой паров (900-1200 ⁰C) на кварцевой
насадке, зонной плавкой. Кристаллы белого фосфора получают испарением растворителя
из его растворов в CS₂ или бензоле.

Красный фосфор
очищают обработкой 3-5%-ными водными растворами минеральных кислот при 70 ⁰C,
кипячением с 7%-ным раствором щелочи, а затем кипячением с деионизированной
водой. Фосфор высокой чистоты получают гидридным методом -термическим
разложением очищенного ректификацией фосфина.

Нахождение
в природе

Фосфор
присутствует в живых клетках в виде орто- и пирофосфорной кислот, входит в
состав нуклеотидов, нуклеиновых кислот, фосфопротеидов, фосфолипидов,
коферментов, ферментов. Кости человека состоят из гидроксилапатита 3Са₃(РО₄)₃·Ca(OH)₂.
В состав зубной эмали входит фторапатит. Основную роль в превращениях
соединений фосфора в организме человека и животных играет печень. Обмен
фосфорных соединений регулируется гормонами и витамином D. При недостатке
фосфора в организме развиваются различные заболевания костей.

Суточная
потребность в фосфоре составляет:

для взрослых 1,0–2,0
г

для беременных и
кормящих женщин 3–3,8 г

для детей и
подростков 1,5–2,5 г

При больших
физических нагрузках потребность в фосфоре возрастает в 1,5–2 раза.

Усвоение
происходит эффективнее при приеме фосфора вместе с кальцием в соотношении 3:2
(P:Ca).

Токсикология элементарного фосфора

-Красный фосфор
практически нетоксичен (токсичность ему придают примеси белого фосфора). Пыль
красного фосфора, попадая в легкие, вызывает пневмонию при хроническом
действии.

-Белый фосфор
очень ядовит, растворим в липидах. Смертельная доза белого фосфора – 50–150 мг.
Попадая на кожу, тлеющий белый фосфор даёт тяжелые ожоги.

Острые отравления
фосфором проявляются жжением во рту и желудке, головной болью, слабостью,
рвотой. Через 2–3 суток развивается желтуха. Для хронических форм характерны
нарушение кальциевого обмена, поражение сердечно-сосудистой и нервной систем.
Первая помощь при остром отравлении – промывание желудка, слабительное,
очистительные клизмы, внутривенно растворы глюкозы. При ожогах кожи обработать
пораженные участки растворами медного купороса или соды. ПДК паров фосфора в
воздухе производственных помещений – 0,03 мг/м³, временно допустимая
концентрация в атмосферном воздухе – 0,0005 мг/м³, ПДК в питьевой воде – 0,0001
мг/дм³.

Токсикология соединений фосфора

Некоторые
соединения фосфора (фосфин) очень токсичны. Боевые отравляющие вещества –
зарин, зоман, табун, V-газы являются соединениями фосфора.

Использование

Фосфор является
важнейшим биогенным элементом и в то же время находит очень широкое применение
в промышленности. Красный фосфор применяют в производстве спичек. Его вместе с
тонко измельчённым стеклом и клеем наносят на боковую поверхность коробки. При
трении спичечной головки, в состав которой входят хлорат калия и сера,
происходит воспламенение.

Элементарный фосфор

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

Наиболее активен
химически, токсичен и горюч белый («жёлтый») фосфор, потому он очень часто
применяется (в зажигательных бомбах и пр.).

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

Соединения
фосфора в сельском хозяйстве

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

Соединения фосфора в промышленности

Фосфаты широко
используются:

-в качестве
комплексообразователей (средства для умягчения воды),

-в составе
пассиваторов поверхности металлов (защита от коррозии, например, т. н. состав «мажеф»).

Фосфатные связующие

Способность
фосфатов формировать прочную трёхмерную полимерную сетку используется для
изготовления фосфатных и алюмофосфатных связок.

Заключение

Жизнь не может существовать
без фосфора, этот элемент необходим как субмикроскопическим частицам – вирусам,
так и высокоорганизованным живым системам – животным и человеку.

Фосфор – шестой
по содержанию элемент в организме человека после кислорода, водорода, углерода,
азота и кальция.

Список
литературы

1.     Фосфор // Википедия 

2.    Фосфор и его свойства // school-collection.edu.ru

3.    Фосфор // xumuk.ru

4.     Фосфор // school-collection.edu.ru

5.     Фосфор как элемент и вещество // festival.1september.ru

15 Кремний ← Фосфор → Сера 15P
Внешний вид простого вещества
Белый, красный, жёлтый, черный фосфор
Свойства атома
Имя, символ, номер	Фосфор/ Phosphorus (P), 15
Атомная масса (молярная масса)	30,973762 а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Ne] 3s2 3p3
Радиус атома	128 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	106 пм
Радиус иона	35 (+5e) 212 (-3e) пм
Электроотрицательность	2,19 [1] (шкала Полинга)
Электродный потенциал	0
Степени окисления	5, 3, 1, 0, −1, −3[2]
Энергия ионизации (первый электрон)	1011,2(10,48) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	(белый фосфор)1,82 г/см³
Температура плавления	317,3 K
Температура кипения	553 K
Теплота плавления	2,51 кДж/моль
Теплота испарения	49,8 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	21,6[3] (ромбич.) Дж/(K·моль)
Молярный объём	17,0 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	кубическая, объёмноцентрированная
Параметры решётки	18,800 Å
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) (0,236) Вт/(м·К)

Фо́сфор (от др.-греч. φῶς — свет и φέρω — несу; φωσφόρος — светоносный; лат. Phosphorus) — химический элемент 15-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы пятой группы) третьего периода периодической системы; имеет атомный номер 15. Один из распространённых элементов земной коры: его содержание составляет 0,08—0,09 % её массы. Концентрация в морской воде 0,07 мг/л^[4]. В свободном состоянии не встречается из-за высокой химической активности. Образует около 190 минералов, важнейшими из которых являются апатит Ca₅(PO₄)₃(F,Cl,OH), фосфорит и другие. Фосфор содержится во всех частях зелёных растений, ещё больше его в плодах и семенах (см. фосфолипиды). Содержится в животных тканях, входит в состав белков и других важнейших органических соединений (АТФ, ДНК), является элементом жизни.

История

Фосфор открыт гамбургским алхимиком Хеннигом Брандом в 1669 году. Подобно другим алхимикам, Бранд пытался отыскать философский камень, а получил светящееся вещество. Бранд сфокусировался на опытах с человеческой мочой, так как полагал, что она, обладая золотистым цветом, может содержать золото или нечто нужное для добычи. Первоначально его способ заключался в том, что сначала моча отстаивалась в течение нескольких дней, пока не исчезнет неприятный запах, а затем кипятилась до клейкого состояния. Нагревая эту пасту до высоких температур и доводя до появления пузырьков, он надеялся, что, сконденсировавшись, они будут содержать золото. После нескольких часов интенсивных кипячений получались крупицы белого воскоподобного вещества, которое очень ярко горело и к тому же мерцало в темноте. Бранд назвал это вещество phosphorus mirabilis (лат. «чудотворный носитель света»). Открытие фосфора Брандом стало первым открытием нового элемента со времён античности.

Несколько позже фосфор был получен другим немецким химиком — Иоганном Кункелем.

Независимо от Бранда и Кункеля фосфор был получен Р. Бойлем, описавшим его в статье «Способ приготовления фосфора из человеческой мочи», датированной 14 октября 1680 года и опубликованной в 1693 году.

Усовершенствованный способ получения фосфора был опубликован в 1743 году Андреасом Маргграфом.

Существуют данные, что фосфор умели получать ещё арабские алхимики в XII в.

То, что фосфор — простое вещество, доказал Лавуазье.

Происхождение названия

В 1669 году Хеннинг Бранд при нагревании смеси белого песка и выпаренной мочи получил светящееся в темноте вещество, названное сначала «холодным огнём». Вторичное название «фосфор» происходит от греческих слов «φῶς» — свет и «φέρω» — несу. В древнегреческой мифологии имя Фосфор (или Эосфор, др.-греч. Φωσφόρος) носил страж Утренней звезды.

Получение

Фосфор получают из апатитов или фосфоритов в результате взаимодействия с коксом и кремнезёмом при температуре 1600 °С:

Образующиеся пары белого фосфора конденсируются в приёмнике под водой. Вместо фосфоритов восстановлению можно подвергнуть и другие соединения, например, метафосфорную кислоту:

Физические свойства

Элементарный фосфор в обычных условиях представляет собой несколько устойчивых аллотропических модификаций; вопрос аллотропии фосфора сложен и до конца не решён. Обычно выделяют четыре модификации простого вещества — белый, красный, чёрный и металлический фосфор. Иногда их ещё называют главными аллотропными модификациями, подразумевая при этом, что все остальные являются разновидностью указанных четырёх. В обычных условиях существует только три аллотропических модификации фосфора, а в условиях сверхвысоких давлений — также металлическая форма. Все модификации различаются по цвету, плотности и другим физическим характеристикам; заметна тенденция к резкому убыванию химической активности при переходе от белого к металлическому фосфору и нарастанию металлических свойств.

Белый фосфор

Белый фосфор представляет собой белое вещество (из-за примесей может иметь желтоватый оттенок). 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. Отливаемый в инертной атмосфере в виде палочек (слитков), он сохраняется в отсутствие воздуха под слоем очищенной воды или в специальных инертных средах.

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 (иногда ошибочно фосфоресценцией).

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 (ПДК в атмосферном воздухе 0,0005 мг/м³), огнеопасное кристаллическое вещество от светло-жёлтого до тёмно-бурого цвета. Удельный вес 1,83 г/см³, плавится при +34 °C, кипит при +280 °C. 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^[5]. Несмотря на то, что в результате реакции между фосфором и водой 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 жёлтый фосфор хранится и перевозится под слоем воды (раствора хлорида кальция).

Красный фосфор

Красный фосфор — 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 Р_n и представляет собой полимер со сложной структурой. В зависимости от способа получения и степени дробления, красный фосфор имеет оттенки от пурпурно-красного до фиолетового, а в литом состоянии — тёмно-фиолетовый с медным оттенком, имеет 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 хемилюминесценции. 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). Плотность красного фосфора также выше, и достигает 2400 кг/м³ в литом виде. 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. При «отмокании» — промывают водой от остатков фосфорных кислот, высушивают и используют по назначению.

Чёрный фосфор

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 (2690 кг/м³) плотность. Для проведения синтеза чёрного фосфора Бриджмен применил давление в 2·10⁹ Па (20 тысяч атмосфер) и температуру около 200 °С. Начало быстрого перехода лежит в области 13 000 атмосфер и температуре около 230 °С.

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.

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.

Химические свойства

Химическая активность фосфора значительно выше, чем у азота. Химические свойства фосфора во многом определяются его аллотропной модификацией. Белый фосфор очень активен, в процессе перехода к красному и чёрному фосфору химическая активность резко снижается. Белый фосфор на воздухе светится в темноте, свечение обусловлено окислением паров фосфора до низших оксидов.

В жидком и растворенном состоянии, а также в парах до 800 °С фосфор состоит из молекул Р₄. При нагревании выше 800 °С молекулы диссоциируют: Р₄ = 2Р₂. При температуре выше 2000 °С молекулы распадаются на атомы.

Взаимодействие с простыми веществами

Фосфор легко окисляется кислородом:

(с избытком кислорода)

(при медленном окислении или при недостатке кислорода)

Взаимодействует со многими простыми веществами — галогенами, серой, некоторыми металлами, проявляя окислительные и восстановительные свойства:

с металлами — окислитель, образует фосфиды:

фосфиды разлагаются водой и кислотами с образованием фосфина

с неметаллами — восстановитель:

Не взаимодействует с водородом.

Взаимодействие с водой

Взаимодействует с водой, при этом протекает реакция диспропорционирования с образованием фосфина и фосфорной кислоты:

Взаимодействие со щелочами

В растворах щелочей также протекает реакция диспропорционирования:

Восстановительные свойства

Сильные окислители превращают фосфор в фосфорную кислоту:

Реакция окисления фосфора происходит при поджигании спичек, в качестве окислителя выступает бертолетова соль:

Применение

Фосфор является важнейшим биогенным элементом и в то же время находит очень широкое применение в промышленности. Красный фосфор применяют в производстве спичек. Его вместе с тонко измельчённым стеклом и клеем наносят на боковую поверхность коробки. При трении спичечной головки, в состав которой входят хлорат калия и сера, происходит воспламенение.

Элементарный фосфор

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

Наиболее активен химически, токсичен и горюч белый («жёлтый») фосфор, потому он очень часто применяется (в зажигательных бомбах и пр.).

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

Соединения фосфора в сельском хозяйстве

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

Соединения фосфора в промышленности

Фосфаты широко используются:

• в качестве комплексообразователей (средства для умягчения воды),
• в составе пассиваторов поверхности металлов (защита от коррозии, например, т. н. состав «мажеф»).

Фосфатные связующие

Способность фосфатов формировать прочную трёхмерную полимерную сетку используется для изготовления фосфатных и алюмофосфатных связок

Биологическая роль соединений фосфора

Фосфор присутствует в живых клетках в виде орто- и пирофосфорной кислот, входит в состав нуклеотидов, нуклеиновых кислот, фосфопротеидов, фосфолипидов, коферментов, ферментов. Кости человека состоят из гидроксилапатита 3Са₃(РО₄)₃·Ca(OH)₂. В состав зубной эмали входит фторапатит. Основную роль в превращениях соединений фосфора в организме человека и животных играет печень. Обмен фосфорных соединений регулируется гормонами и витамином D. Суточная потребность человека в фосфоре 800—1500 мг. При недостатке фосфора в организме развиваются различные заболевания костей.

Токсикология элементарного фосфора

• Красный фосфор практически нетоксичен (токсичность ему придают примеси белого фосфора). Пыль красного фосфора, попадая в легкие, вызывает пневмонию при хроническом действии.
• Белый фосфор очень ядовит, растворим в липидах. Смертельная доза белого фосфора — 50—150 мг. Попадая на кожу, тлеющий белый фосфор даёт тяжелые ожоги.

Острые отравления фосфором проявляются жжением во рту и желудке, головной болью, слабостью, рвотой. Через 2—3 суток развивается желтуха. Для хронических форм характерны нарушение кальциевого обмена, поражение сердечно-сосудистой и нервной систем. Первая помощь при остром отравлении — промывание желудка, слабительное, очистительные клизмы, внутривенно растворы глюкозы. При ожогах кожи обработать пораженные участки растворами медного купороса или соды. ПДК паров фосфора в воздухе производственных помещений — 0,03 мг/м³, временно допустимая концентрация в атмосферном воздухе — 0,0005 мг/м³, ПДК в питьевой воде — 0,0001 мг/дм³.^[6]

Токсикология соединений фосфора

Некоторые соединения фосфора (фосфин) очень токсичны. Боевые отравляющие вещества зарин, зоман, табун, V-газы являются соединениями фосфора.

Примечания

Ссылки

	фосфор в Викисловаре?
	фосфор на Викискладе?

• Фосфорная луна — Опыт с белым фосфором
• Фосфор на Webelements
• Фосфор в Популярной библиотеке химических элементов
• Российские ученые лишились радиоактивной метки, polit.ru, 5 мая 2008

Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева
	1	2															3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
1	H		He
2	Li	Be		B	C	N	O	F	Ne
3	Na	Mg		Al	Si	P	S	Cl	Ar
4	K	Ca		Sc	Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni	Cu	Zn	Ga	Ge	As	Se	Br	Kr
5	Rb	Sr		Y	Zr	Nb	Mo	Tc	Ru	Rh	Pd	Ag	Cd	In	Sn	Sb	Te	I	Xe
6	Cs	Ba	La	Ce	Pr	Nd	Pm	Sm	Eu	Gd	Tb	Dy	Ho	Er	Tm	Yb	Lu	Hf	Ta	W	Re	Os	Ir	Pt	Au	Hg	Tl	Pb	Bi	Po	At	Rn
7	Fr	Ra	Ac	Th	Pa	U	Np	Pu	Am	Cm	Bk	Cf	Es	Fm	Md	No	Lr	Rf	Db	Sg	Bh	Hs	Mt	Ds	Rg	Cn	Uut	Fl	Uup	Lv	Uus	Uuo
Щелочные металлы  Щёлочноземельные металлы  Лантаноиды Актиноиды Переходные металлы Другие металлы Металлоиды Другие неметаллы Галогены Инертные газы

Группа	15	Температура плавления	44,15 ° С, 111,47 ° F, 317,3 К
Период	3	Точка кипения	280,5 ° С, 536,9 ° F, 553,7 К
Блокировать	п	Плотность (г см -3 )	1,823 (белый)
Атомный номер	15	Относительная атомная масса	30 974
Состояние при 20 ° C	Твердый	Ключевые изотопы	31 P
Электронная конфигурация	[Ne] 3s 2 3p 3	Количество CAS	7723-14-0

Фосфор — пятнадцатый элемент периодической таблицы. Фосфор — элемент 15-й группы. Его символ — «P». Через свои валентные электроны фосфат образует связи. В этой статье подробно объясняются валентные электроны для фосфора (P). Существуют две основные формы элементарного фосфора: белая и красная. Однако он очень реакционноспособен, поэтому фосфор не может быть найден в свободном виде на Земле. Он содержится в земной коре на уровне примерно одного грамма на килограмм (сравните с медью, которая составляет около 0,06 грамма). Фосфор является наиболее распространенной формой фосфора в минералах.

Истории

Арабские алхимики XII века могли случайно выделить элементарный фосфор, но записи не ясны. Хенниг Бранд был немецким купцом, открывшим фосфор в 1669 году. Его хобби была алхимия. 50 ведер мочи оставили для брожения, пока Бранд, немецкий купец, не позволил им остаться. Затем он нагрел пасту с песком, чтобы извлечь элементарный фосфор. В письме Готфриду Вильфрид Лейбниц Бранд сообщил о своем открытии. Впоследствии общественный интерес вызвала демонстрация способности элемента светиться в темноте или «фосфоресцировать» и последующие письма. Фосфор был химической диковинкой в ​​течение столетия, пока не было обнаружено, что он входит в состав кости.

Использование

Белый фосфор можно использовать в сигнальных ракетах или зажигательных устройствах. Красный фосфор можно найти в спичечных коробках, приклеенных к бокам. Этот материал используется для зажигания безопасных спичек, чтобы они не зажглись. Удобрения являются наиболее распространенным применением соединений фосфора. Фосфатные руды являются основой фосфорнокислого аммония. Перед превращением в аммоний из руды производят фосфат.

Производство стали также зависит от фосфатов. Хотя фосфаты входят в состав моющих средств, в некоторых странах они постепенно выводятся из употребления. Они могут вызвать высокий уровень фосфатов в воде, что может привести к нежелательному росту. Также фосфаты используются при изготовлении тонкой фарфоровой посуды и специальных стекол.

Влияние фосфора на здоровье

Источником фосфора в окружающей среде чаще всего являются фосфаты. Поскольку фосфаты являются важной частью ДНК и распределения энергии, фосфоты являются важными веществами в организме человека. Кроме того, фосфаты распространены в растениях.

Природные запасы фосфатов резко изменились благодаря использованию человеком богатого фосфатами навоза и фосфатсодержащих моющих средств. Различные продукты питания, такие как сыр, колбасы и ветчина, также обрабатывались фосфатами.

Фосфаты должны быть частью вашего ежедневного рациона. Рекомендуемая доза составляет 800 мг в день. Нормальная диета обеспечивает от 1000 до 2000 мг в день в зависимости от того, сколько продуктов, богатых фосфатами, потребляется.

Положение фосфора в периодической таблице.

Аллотропы фосфора

Белый фосфор

Белый фосфор, самая опасная аллотропная форма этого элемента, — белый фосфор. Это полупрозрачное воскообразное вещество, которое светится в темноте. Белый фосфор может самовозгораться на воздухе. Контакт с кожей может вызвать сильные ожоги. Белый фосфор может гореть и образовывать пятиокись фосфора.

Белый фосфор может быть чрезвычайно опасным и причинить серьезный вред или даже смерть. Под воздействием тепла и света он медленно превращается в красный фосфор. Вот почему белый фосфор часто кажется желтым.

Четыре атома фосфора соединены друг с другом в замкнутые кольца ковалентными связями в молекулах белого фосфора. Эта конфигурация создает напряжение в молекуле и объясняет ее высокие реакционные свойства.

Фиолетовый фосфор

Фиолетовый фосфор является наиболее реакционноспособным из аллотропов. Медленно реагирует на галогены. Он выглядит почти полностью черным, но слегка пурпурным кристаллическим твердым веществом.

Нагревание красного фосфора или растворение белого фосфора расплавленным свинцом может создать фиолетовый фосфор. Ученые продолжают изучать его решетчатую структуру методами рентгеновской дифракции.

Черный фосфор

Красный фосфор имеет более высокий уровень реакционной способности, чем черный фосфор. Черный фосфор выглядит как черное блестящее кристаллическое твердое вещество. Эти молекулы состоят из кристаллических решеток, которые образуются за счет соединения существующих связей PP-P.

Черный фосфор бывает двух видов: а-черный и б-черный. Нагревание красного фосфора приводит к образованию более стабильной формы. Последний, более реакционноспособный, может быть синтезирован путем нагревания белого фосфора под высоким давлением.

Эта конфигурация придает черному фосфору большую степень стабильности из-за более высокого валентного угла. Черный фосфор является менее реакционноспособным аллотропом, чем сера, кислород и галогены.

Красный фосфор

Этот аллотроп более токсичен, чем его аналог. Выглядит как порошкообразная, красноватая, блестящая субстанция. Красный фосфор обладает большей устойчивостью и менее опасен, чем белый. Вы можете извлечь его из небольшого количества полосок на спичечных коробках.

Красный фосфор образуется, когда кольца белого фосфора полимеризуются через ковалентные связи с образованием прямых цепей. Эти цепи снижают внутримолекулярное напряжение и снижают реакционную способность.

атомный номер	15
атомный вес	30.9738
точка кипения (белый)	280 ° С (536 ° F)
температура плавления (белый)	44,1 ° С (111,4 ° F)
плотность (белый)	1,82 г/см 3  при 20 °C (68 °F)
степени окисления	−3, +3, +5
электронная конфигурация	1 с 2 2 с 2 2 т 6 3 с 2 3 т 3

Природное изобилие

Хотя фосфат часто встречается в природе в сложных смесях, его также часто можно найти в минеральных соединениях. Фосфор в больших количествах встречается и в США, в том числе в фосфатных породах. Возможно, пик фосфора мы увидим примерно в 2050 году.

В промышленной печи белый фосфор можно нагревать в фосфоритах с добавлением кремнезема и углерода. Это создает пары фосфора, которые затем собираются под водой. В отсутствие воздуха красный фосфор можно получить, осторожно нагревая белый фосфор до 250°C.

Биологическая роль

Все живые существа нуждаются в фосфатах. Это основа ДНК, сахаро-фосфатной структуры РНК. Он необходим для передачи энергии в клетках, как часть АТФ (аденозинтрифосфата). Его также можно найти во многих биологически важных молекулах. Поскольку наши кости и зубы в основном состоят из фосфата кальция, мы потребляем около 1 грамма в день. Мы также храним около 750 граммов его в нашем теле. Чрезмерное использование удобрений и моющих средств может привести к быстрому росту водорослей и загрязнению рек и озер. Водоросли блокируют свет, препятствуя дальнейшему фотосинтезу. Озеро вскоре умирает от избытка кислорода в воде.

P — второй элемент в группе 15. Общее количество электронов на последней орбите называется валентным электроном. Валентные электроны (P) – это общее количество электронов, оставшихся в оболочке после завершения электронной конфигурации. Свойства и образование связей контролируются валентными электронами. P — пятнадцатый элемент периодической таблицы.

Каким числом электронов, протонов и нейтронов обладает P (фосфор)?

Ядро можно найти в середине атома. Ядро является домом для протонов и нейтронов. 15. Число протонов в атоме фосфора называется атомным номером. Число протонов в фосфоре равно пятнадцати. Ядро содержит круглую оболочку, содержащую электроны, равные протонам. Атом фосфора состоит из 15 электронов.

Разница между числом атомных масс и числом атомов определяет число нейтронов в элементе. Это означает, что число нейтронов (n) = атомная масса (A) + атомный номер (Z).

Мы знаем, что атомное количество фосфора (n) равно 15, а его атомная масса равна 31 (30,97376200u). Нейтрон (n) = 31 – 15 = 16. Следовательно, число нейтронов в фосфоре (P) равно 16.

Валентность – это способность атома химического элемента образовывать определенное количество химических связей с другими атомами. Он принимает значения от 1 до 8 и не может быть равен 0. Он определяется количеством электронов атома, потраченных на образование химических связей с другим атомом. Валентность является реальной ценностью. Числовые значения валентности обозначены римскими цифрами (I,II,III,IV,V,VI,VII,VIII).

Как найти число валентных нейтронов в атоме фосфора (Р)?

Выполнив несколько шагов, вы сможете определить валентные электроны. Одной из них является электронная конфигурация. Без электронной конфигурации невозможно определить валентность электрона. Легко найти значение электронов для всех элементов, зная электронную конфигурацию. На этом сайте есть статья, в которой объясняется конфигурация электрона. Вы можете найти это здесь. Эта статья посвящена электронной конфигурации.

Однако можно идентифицировать валентные электроны, размещая электроны по принципу Бора. Теперь мы узнаем, как определить валентный электрон для фосфора (P).

Расчет количества электронов в фосфоре (P)

Во-первых , нам нужно знать общее количество электронов в атоме фосфора (P). Вам нужно знать, сколько протонов в фосфоре, чтобы определить число электронов. Чтобы узнать количество протонов, вы должны знать атомный номер элемента фосфора.

Периодическая таблица необходима для определения атомного номера. Периодическая таблица содержит атомные номера элементов фосфора (P). Число протонов называется атомным номером. Ядро также содержит электроны, равные протонам. Это означает, что количество электронов равно числу протонов в атоме фосфора. Атомный номер фосфора по периодической таблице равен 15. Это означает, что атом фосфора содержит пятнадцать электронов.

Термины « степень окисления » и « валентность » могут не совпадать, но численно они почти идентичны. Условный заряд атома атома называется степенью окисления. Он может быть как положительным, так и отрицательным. Валентность относится к способности атома образовывать связи. Он не может иметь отрицательное значение.

Вам нужно будет выполнить электронную конфигурацию фосфора (P)

Важный шаг 2. Этот шаг включает в себя расположение электронов для фосфора (P). Атом фосфора содержит пятнадцать электронов. Электронная конфигурация фосфора показывает, что в оболочке K есть два электрона, внутри оболочки L восемь и пять в оболочке M (орбита). Первая оболочка фосфора (P) имеет два электрона, тогда как вторая оболочка имеет восемь, а третья оболочка имеет пять электронов. В каждой оболочке фосфора 2,8 электрона. Электронная конфигурация фосфора на суборбите: 1s ²  2s ²  2p ⁶  3s ²  3p ³ . На этом сайте есть статья, в которой объясняется электронная конфигурация фосфора (P). Можете прочитать, если интересно.

Рассчитайте общее количество электронов и определите валентную оболочку

Третий шаг — определение орбиты валентной оболочки. Валентная оболочка является последней оболочкой после электронной конфигурации. Валентный электрон — это общее количество электронов, находящихся на валентной оболочке. Электронная конфигурация фосфора указывает на то, что последняя оболочка имеет пять электронов. Валентных электронов фосфора (P) пять.

1.  Валентность — числовая характеристика способности атомов данного элемента связываться с другими атомами.
2. Валентность водорода постоянна и равна единице.
3. Валентность кислорода также постоянна и равна двум.
4. Валентность большинства других элементов непостоянна. Его можно определить по формулам их бинарных соединений с водородом или кислородом.

Образование соединений фосфора (P)

Через свои валентные электроны фосфат(Р) участвует в образовании связей. Этот валентный электрон участвует в образовании связей с атомами других элементов. Делясь электронами с другими элементами, атомы фосфатов создают связи. Электронная конфигурация хлора указывает на то, что в хлоре имеется семь стоимостных электронов. Разделяя электроны, три атома хлора образуют соединения трихлорида фосфора (PCl ₃ ).

Таким образом, атом фосфора (P) завершает свою октаву и приобретает электронную конфигурацию аргона. Электронная конфигурация аргона также приобретается хлором.

Один элемент фосфора делит электроны с тремя атомами хлора, образуя сложный трихлорид фосфора (PCl ₃ ). Это делается путем образования ковалентной связи. Трихлорид фосфора (PCl ₃ ) имеет ковалентную связь.

Каким числом валентных электронов обладает ион фосфора (P ³ )?

При образовании связи элементы с 5, 6 или 7 электронами на последних оболочках получают электроны от содержащих их оболочек. Анионы – это элементы, которые имеют электроны и могут образовывать связи. Фосфор (P) является примером анионного элемента. Последняя оболочка фосфора принимает электроны при образовании связи и превращает их в фосфор (P ³ ).

ион(P ^3- ) электронная конфигурация 1s ²  2s ²  2p ⁶  3s ²  3p ⁶ .  Электронная конфигурация фосфора показывает, что ион имеет три оболочки, а третья оболочка содержит восемь электронов. Эта электронная конфигурация показывает, что фосфор имеет электронное расположение аргона. В данном случае валентность ионов фосфора (P ³ ) была равна -3. Валентные электроны фосфора (P ³ ) имеют восемь электронов, так как оболочка, содержащая последний изозон фосфора, имеет восемь.

Какова валентность фосфора (P)?

Валентность (или валентность) — это способность атома элемента присоединяться к другому атому при образовании молекулы. Валентность — это количество неспаренных электронов, находящихся на последней орбите элемента. Электронная конфигурация основного состояния фосфора: 1s ²  2s ²  2p ⁶  3s ¹  3p _x ¹  3p _y ¹  3p _z ¹  3d _xy ¹ .  Эта электронная конфигурация показывает, что на последней орбите фосфора присутствуют три неспаренных электрона. Таким образом, валентность атома фосфора равна 3.

Электронная конфигурация элемента в возбужденном состоянии определяет его ценность. В возбужденном состоянии электронная конфигурация фосфора (P*) будет иметь вид 1s ²  2s ²  2p ⁶  3s ¹  3p _x ¹  3p _y ¹  3p _z ¹  3d _xy ¹ .  Эта электронная конфигурация показывает нам, что последняя оболочка, содержащая атом фосфора, содержит пять неспаренных электронов. Образование связи определяет валентность фосфора.

Таким образом, валентность фосфора равна 5.

Факты о фосфоре:

• Седьмой наиболее часто встречающийся элемент – фосфор.
• Хенниг Бранд выделил фосфор из своей мочи. Вместо того, чтобы хранить свой секрет, он решил сделать процесс доступным для других алхимиков. Французская академия наук продала его процесс, сделав его более известным.
• Зеленое свечение возникает при окислении на воздухе белого фосфора. Хотя «фосфоресценция» используется для описания свечения элемента, на самом деле это относится только к его окислению. Хемилюминесценция – это свечение фосфора.
• Шестой по распространенности элемент в организме человека – фосфор.
• Фосфор, восемнадцатый по распространенности элемент в морской воде, также известен как фосфор.
• Метод Карла Вильгельма Шееле для извлечения фосфора из костей заменил метод Брэнда.
• Белый фосфор использовался в первых матчах. Когда рабочие подвергались чрезмерному воздействию, эта практика приводила к болезненной и изнурительной деформации челюстной кости, называемой «фосси».

Рекомендации:

• Мэри Эльвира Уикс, Открытие элементов. II. Элементы, известные алхимикам J. Chem. образования., 1932.
• Мэри Эльвира Уикс, Открытие элементов. XXI. Дополнительное примечание об открытии фосфора J. Chem. образования., 1933.
• Эгон Виберг; Нильс Виберг; Арнольд Фредерик Холлеман (2001). Неорганическая химия . Академическая пресса.
• Эллис, Бобби Д.; Макдональд, Чарльз Л.Б. (2006). «Йодид фосфора (I): универсальный реагент метатезиса для синтеза соединений фосфора с низкой степенью окисления». Неорганическая химия .
• Ван, Южун; Се, Яомин; Вэй, Пингронг; Кинг, Р. Брюс; Шефер, III; Шлейер, Пол против Р.; Робинсон, Грегори Х. (2008). «Карбен-стабилизированный дифосфор». Журнал Американского химического общества .