Udbredelse i naturen. Massefraktionen af fosfor i jordskorpen er 0,08 %. De vigtigste phosphormineraler, der findes i naturen, er fluorapatit Ca5(PO4)3F og phosphorit Ca3(PO4)2.
Egenskaber. Fosfor danner flere allotrope modifikationer, som adskiller sig markant i egenskaber. Hvidt fosfor er et blødt krystallinsk stof. Består af P4 molekyler. Smelter ved en temperatur på 44,1°C. Meget opløselig i kulstofdisulfid CS2. Ekstremt giftig og let antændelig.
Når hvidt fosfor opvarmes, dannes rødt fosfor. Det er en blanding af flere modifikationer, der har forskellige molekyllængder. Farven på rødt fosfor, afhængigt af metoden og produktionsbetingelserne, kan variere fra lys rød til lilla og mørkebrun. Dens smeltepunkt er 585-600°.
Sort fosfor er den mest stabile modifikation. I udseende ligner det grafit. I modsætning til hvidt fosfor opløses rødt og sort fosfor ikke i kulstofdisulfid, de er ikke giftige eller brandfarlige.
Fosfor er kemisk mere aktivt end nitrogen. Fosfors kemiske aktivitet afhænger af den allotrope modifikation, hvori den findes. Hvidt fosfor er således det mest aktive, og sort fosfor er det mindst aktive.
I ligninger af kemiske reaktioner skrives hvidt fosfor normalt med formlen P4, som svarer til sammensætningen af dets molekyler. De røde og sorte modifikationer af fosfor skrives normalt med formlen P. Det samme symbol bruges, hvis modifikationen er ukendt eller kan være en hvilken som helst.
1. Interaktion med simple stoffer - ikke-metaller. Fosfor kan reagere med mange ikke-metaller: ilt, svovl, halogener, fosfor reagerer ikke med brint. Afhængigt af om der er fosfor i overskud eller mangel, dannes der fosforforbindelser (III) og (V), f.eks.
2P + 3Br2 = 2PBr3 eller 2P + 5Br2 = 2PBr5
2. Interaktion med metaller. Når fosfor opvarmes med metaller, dannes fosphider:
3Mg + 2P = Mg3P2
Phosphider af nogle metaller kan nedbrydes med vand og danne phosphingas PH3:
Mg3P2 + 6H2O = 3Mg(OH)2 + 2PH3
Fosfin PH3 har kemiske egenskaber svarende til ammoniak NH3.
3. Interaktion med alkalier. Når hvidt fosfor opvarmes i en alkalisk opløsning, er det uforholdsmæssigt:
P4 + 3NaOH + 3H2O = PH3 + 3NaH2PO2
Modtagelse. Fosfor opnås industrielt fra calciumphosphat Ca3(PO4)2, som er isoleret fra fosforitter og fluorapatitter. Produktionsmetoden er baseret på reduktionsreaktionen af Ca3(PO4)2 til fosfor.
Koks (kul) bruges som reduktionsmiddel for fosforforbindelser. For at binde calciumforbindelser tilsættes kvartssand SiO2 til reaktionssystemet. Processen udføres i elektriske ovne (produktion er klassificeret som elektrotermisk). Reaktionen forløber efter ligningen:
2Ca3(PO4)2 + 6SiO2 + 10C = 6CaSiO3 + P4 + 10CO
Reaktionsproduktet er hvidt fosfor. På grund af tilstedeværelsen af urenheder har teknisk fosfor en gul farve, så i industrien kaldes det gult fosfor.
Fosforgødning. Fosfor er ligesom nitrogen et vigtigt element for at sikre planters vækst og vitale aktivitet. Planter udvinder fosfor fra jorden, så dens reserver skal genopfyldes ved periodisk tilsætning af fosforgødning. Fosforgødning fremstilles af calciumfosfat, som er en del af naturlige fosforitter og fluorapatitter.
Den enkleste fosforgødning - fosfatsten er formalet fosfatsten Ca3(PO4)2. Denne gødning er tungt opløselig, den kan kun optages af planter på sur jord.
Virkningen af svovlsyre på calciumphosphat producerer simpelt superphosphat, hvis hovedbestanddel er calciumdihydrogenphosphat Ca(H2PO4)2. Det er et opløseligt stof og absorberes let af planter. Metoden til fremstilling af simpelt superfosfat er baseret på reaktionen
Ca3(PO4)2 + 2H2SO4 = Ca(H2PO4)2 + 2CaSO4
Ud over hovedkomponenten indeholder superfosfat op til 50 % calciumsulfat, som er ballast. For at øge fosforindholdet i gødningen behandles phosphorit med phosphorsyre:
Ca3(P04)2 + 4H3P04 = 3Ca(H2P04)2
Den resulterende gødning kaldes dobbelt superfosfat. En anden fosfatgødning med et højt fosforindhold er CaHPO4·2H2O bundfald.
Højkoncentreret phosphorgødning fremstilles på basis af superphosphorsyre - en blanding af polyphosphorsyrer H4P2O7, H5P3O10, H6P4O13 osv. Disse syrer dannes ved opvarmning af fosforsyre H3PO4 i vakuum.
Når polyphosphorsyrer interagerer med ammoniak, dannes ammoniumpolyphosphater, som bruges som komplekse nitrogen-fosforgødninger.
Sammen med nitrogen indgår fosfor i nogle andre komplekse gødninger, for eksempel ammophos NH4H2PO4 og diammophos (NH4)2HPO4.
Tilfreds
Fans af den kulsyreholdige drik Coca-Cola vil næppe se på dens sammensætning, som indeholder tilsætningsstoffet E338. Dette stof er orthophosphorsyre, som ikke kun bruges i fødevareindustrien, men også i tekstil, landbrug og endda håndterer rust på overfladen af dele. Hvad er egenskaberne af den kemiske forbindelse, hvad er anvendelsesområderne, hvad du behøver at vide om sikkerhedsforanstaltninger - det er værd at overveje mere detaljeret.
Hvad er fosforsyre
Ved stuetemperatur er disse hygroskopiske, farveløse, diamantformede krystaller, der er meget opløselige i vand. En orthophosphorforbindelse betragtes som en uorganisk syre med middel styrke. En af dens former er en gullig eller farveløs sirupsagtig væske, lugtfri, en vandig opløsning med en koncentration på 85%. Dens andet navn er hvid fosforsyre.
Den kemiske orthophosphorforbindelse har følgende egenskaber:
- opløselig i ethanol, vand, opløsningsmidler;
- danner 3 rækker af salte - fosfater;
- forårsager forbrændinger ved kontakt med huden;
- når det interagerer med metaller, danner det brændbart, eksplosivt brint;
- kogepunktet afhænger af koncentrationen - fra 103 til 380 grader;
- den flydende form er tilbøjelig til hypotermi;
- uforenelig med brændbare materialer, rene metaller, brændt kalk, alkohol, calciumcarbid, chlorater;
- ved en temperatur på 42,35 grader smelter det, men nedbrydes ikke.
Formel
Fosforsyre er en uorganisk forbindelse, der beskrives med formlen H3PO4. Dens molære masse er 98 g/mol. En mikropartikel af et stof er bygget i rummet på en sådan måde, at den forbinder brint- og iltatomer med hinanden. Formlen viser, at det kemiske stof har følgende sammensætning:
Fremstilling af phosphorsyre
En kemisk forbindelse har flere produktionsmetoder. Den velkendte industrielle metode til fremstilling af fosforsyre er termisk, hvilket giver et rent produkt af høj kvalitet. Følgende proces sker:
- oxidation under forbrænding med overskydende luft af phosphor til phosphoranhydrid med formlen P4O10;
- hydrering, absorption af det resulterende stof;
- kondensering af fosforsyre;
- opfangning af tåge fra gasfraktionen.
Der er yderligere to metoder til fremstilling af orthophosphorforbindelser:
- En økonomisk udvindingsmetode. Dens grundlag er nedbrydning af naturlige fosfatmineraler med saltsyre.
- Under laboratorieforhold opnås stoffet ved at reagere hvidt fosfor, som er giftigt, med fortyndet salpetersyre. Processen kræver nøje overholdelse af sikkerhedsforanstaltninger.
Kemiske egenskaber
Den uorganiske forbindelse anses for tribasisk og af middel styrke. Følgende kemiske egenskaber ved orthophosphorsyre er karakteristiske:
- reagerer på indikatorer ved at skifte farve til rød;
- når den opvarmes, omdannes den til pyrophosphorsyre;
- i vandige opløsninger gennemgår tre-trins dissociation;
- når det reagerer med stærke syrer, danner det phosphoryler - komplekse salte;
- danner et gult bundfald, når det interagerer med sølvnitrat;
- nedbrydes termisk til diphosphorsyre;
- ved kontakt med baser, amorfe hydroxider, danner det vand og salt.
Anvendelse
Fosforsyre bruges på mange områder, lige fra industri til tandbehandling. Produktet bruges af håndværkere som flusmiddel ved lodning, for at rense metaloverfladen for rust. Der bruges væske:
- til videnskabelig forskning i molekylærbiologi;
- som en katalysator for organiske synteseprocesser;
- til fremstilling af anti-korrosionsbelægninger på metaller;
- i produktion af brandsikre imprægneringer til træ.
Stoffet bruges:
- i olieindustrien;
- ved fremstilling af tændstikker;
- til filmproduktion;
- med henblik på beskyttelse mod korrosion;
- for at klare saccharose;
- i fremstillingen af lægemidler;
- i køleenheder som bindemiddel i freon;
- under mekanisk bearbejdning til polering og rensning af metaller;
- i tekstilindustrien i produktionen af stoffer med brandhæmmende imprægnering;
- som en komponent i produktionen af kemiske reagenser;
- i veterinærmedicin til behandling af urolithiasis hos mink;
- som komponent til metalprimer.
I fødevareindustrien
Anvendelsen af fosforsyre i fødevareproduktionen er blevet udbredt. Det er registreret i registret over fødevaretilsætningsstoffer under kode E338. Når det indtages i acceptable mængder, anses stoffet for sikkert. Følgende egenskaber ved lægemidlet er nyttige:
- forebyggelse af harskning;
- regulering af surhedsgrad;
- forlængelse af holdbarheden;
- bevarelse af smagsegenskaber;
- forstærker effekten af antioxidanter.
Fosforsyre som syrningsmiddel, hævemiddel og antioxidant bruges i bager-, kød- og mejeriindustrien. Anvendes til fremstilling af konfekture og sukker. Stoffet giver produkterne en sur, bitter smag. Additiv E338 er inkluderet i:
- forarbejdede oste;
- muffins;
- kulsyreholdige drikke - Pepsi-Cola, Sprite;
- pølser;
- boller;
- mælk;
- babymad;
- marmelade;
- kager
Forskning har vist, at overforbrug af produkter, der indeholder fosforforbindelser, især kulsyreholdige drikkevarer, kan føre til sundhedsproblemer. Det er muligt:
- udvaskning af calcium fra kroppen, som kan udløse dannelsen af osteoporose;
- krænkelse af syre-basebalancen - tilsætningsstoffet kan øge dets surhedsgrad;
- udseendet af gastrointestinale sygdomme;
- forværring af gastritis;
- ødelæggelse af tandemalje;
- udvikling af caries;
- udseendet af opkastning.
I non-food industrien
Anvendelsen af fosforsyre kan observeres i mange produktionsområder. Dette skyldes ofte produktets kemiske egenskaber. Lægemidlet bruges til fremstilling af:
- kombineret, phosphor mineralsk gødning;
- aktivt kul;
- phosphorsalte af natrium, ammonium, mangan;
- brandhæmmende maling;
- glas, keramik;
- syntetiske rengøringsmidler;
- brandsikkert bindende komponenter;
- ikke-brændbart fosfatskum;
- hydrauliske væsker til luftfartsindustrien.
I medicin
Tandlæger bruger orthophosphor sammensætning til at behandle den indre overflade af kronen. Dette hjælper med at forbedre dens vedhæftning til tanden under proteser. Stoffet bruges af farmaceuter til fremstilling af medicin og dental cement. I medicin er brugen af orthophosphorforbindelser forbundet med evnen til at ætse tandemalje. Dette er nødvendigt, når der bruges klæbende materialer af anden eller tredje generation til påfyldning. Vigtige punkter - efter ætsning af overfladen er det nødvendigt at:
- skylle;
- tørre.
Anti-rust applikation
En rustkonverter baseret på fosforsyre skaber et beskyttende lag på overfladen, der beskytter mod korrosion ved videre brug. Det særlige ved at bruge forbindelsen er, at den er sikker for metal, når den påføres. Der er flere måder at fjerne rust med fosforsyre, afhængigt af størrelsen af skaden:
- ætsning med nedsænkning i et bad eller anden beholder;
- gentagen påføring af sammensætningen på metallet med en sprøjtepistol eller rulle;
- at dække overfladen med forbehandlet mekanisk rensning.
Ortophosphorforbindelsen omdanner rust til jernfosfater. Sammensætningen kan bruges til vask og rengøring:
- valsede metalprodukter;
- brønde;
- rørledningsoverflader;
- dampgeneratorer;
- vandforsyning, varmesystemer;
- spoler;
- kedler;
- vandvarmere;
- varmevekslere;
- kedler;
- maskindele og mekanismer.
Interaktion af fosforsyre
Et uorganisk stofs egenskaber bestemmer dets interaktion med andre stoffer og forbindelser. I dette tilfælde opstår der kemiske reaktioner. Ortophosphorsammensætningen interagerer med:
- salte af svage syrer;
- hydroxider, der indgår i en neutraliseringsreaktion;
- metaller til venstre for brint i aktivitetsrækken med dannelse af salt og frigivelse af brint;
- basiske oxider, der deltager i udvekslingsreaktionen;
- ammoniumhydroxid, hvilket skaber ammoniumhydrogenphosphat;
- ammoniak til fremstilling af sure salte.
Sikkerhedsforanstaltninger ved arbejde med syre
Orthophosphorforbindelser tilhører klassen af farlige stoffer og kræver forsigtighed. Arbejdet med sammensætningen skal udføres i et særligt rum udstyret med forsynings- og udsugningsventilation, væk fra brandkilder. Manglen på personlige værnemidler er uacceptabel.
Datoen for opdagelsen af fosfor anses normalt for at være 1669, men noget tyder på, at det var kendt tidligere. Gepher rapporterer for eksempel, at et alkymistisk manuskript fra en samling opbevaret i Paris Bibliotek siger, at omkring det 12. århundrede. en vis Alchid Bekhil opnåede ved at destillere urin med ler og kalk et stof, han kaldte "escarbucle". Måske var dette fosfor, som var alkymisternes store hemmelighed. Under alle omstændigheder er det kendt, at alkymister i deres søgen efter de vises sten udsatte alle slags materialer for destillation og andre operationer, herunder urin, ekskrementer, knogler osv.
Siden oldtiden har fosfor været navnet på stoffer, der kan lyse i mørke. I det 17. århundrede Bolognesisk fosfor var kendt - en sten fundet i bjergene nær Bologna; Efter at have fyret på kul, fik stenen evnen til at gløde. "Baldwins fosfor" er også beskrevet, fremstillet af volost-værkføreren Alduin ud fra en brændt blanding af kridt og salpetersyre. Gløden af sådanne stoffer forårsagede ekstrem overraskelse og blev betragtet som et mirakel.
I 1669 forarbejdede Hamborg-amatøralkymisten Brand, en konkursramt købmand, der drømte om at forbedre sine anliggender ved hjælp af alkymi, en lang række produkter. Teoretiseringen af, at fysiologiske produkter kunne indeholde det "urstof", der menes at være grundlaget for de vises sten, blev Brand interesseret i menneskelig urin.
Åh, hvor var han passioneret omkring ideen, hvilken indsats han gjorde for at implementere den! I troen på, at menneskets affaldsprodukter, "naturens konge", kan indeholde den såkaldte primærenergi, begyndte den utrættelige eksperimentator at destillere menneskelig urin, kan man sige, i industriel målestok: i soldaternes kaserne samlede han i alt. et ton af det! Og han inddampede det til en sirupsagtig tilstand (ikke på én gang, selvfølgelig!), og efter destillation destillerede han igen den resulterende "urinolie" og kalcinerede den i lang tid. Som et resultat dukkede hvidt støv op i retorten, som lagde sig til bunds og glødede, hvorfor Brand kaldte det "kold ild" (kaltes Feuer). Brands samtidige kaldte dette stof for fosfor på grund af dets evne til at gløde i mørke (oldgræsk: jwsjoroV).
I 1682 offentliggjorde Brand resultaterne af sin forskning, og anses nu med rette for opdageren af grundstof nr. 15. Fosfor var det første grundstof, hvis opdagelse blev dokumenteret, og dets opdager er kendt.
Interessen for det nye stof var enorm, og Brand benyttede sig af det - han demonstrerede kun fosfor for penge eller byttede små mængder af det til guld. Trods talrige anstrengelser var købmanden fra Hamburg ikke i stand til at realisere sin elskede drøm - at få guld fra bly ved hjælp af "kold ild", og derfor solgte han snart opskriften på at få et nyt stof til en vis Kraft fra Dresden for to hundrede thaler. Den nye ejer formåede at samle en meget større formue på fosfor - med "kold ild" rejste han rundt i Europa og demonstrerede det for videnskabsmænd, højtstående mennesker og endda kongelige, for eksempel Robert Boyle, Gottfried Leibniz, Charles II. Selvom metoden til fremstilling af fosfor blev holdt i den strengeste fortrolighed, lykkedes det i 1682 Robert Boyle at opnå det, men han rapporterede også kun sin metode på et lukket møde i Royal Society of London. Boyles metode blev offentliggjort efter hans død i 1692.
I foråret 1676 organiserede Kraft en session med eksperimenter med fosfor ved kurfyrst Frederik Vilhelm af Brandenburgs hof. Klokken 21.00 den 24. april var alle stearinlys i rummet slukket, og Kraft viste de tilstedeværende eksperimenter med den "evige flamme", uden dog at afsløre metoden, hvormed dette magiske stof blev fremstillet.
I foråret det følgende år ankom Kraft til hertug Johann Friedrichs hof i Hannover3, hvor den tyske filosof og matematiker G. W. Leibniz (1646-1716) på det tidspunkt tjente som bibliotekar. Også her iscenesatte Kraft en session med eksperimenter med fosfor, der især viste to flasker, der glødede som ildfluer. Leibniz var ligesom Kunkel ekstremt interesseret i det nye stof. Ved den første session spurgte han Kraft, om et stort stykke af dette stof ville være i stand til at oplyse et helt rum. Kraft var enig i, at dette var meget muligt, men det ville være upraktisk, fordi processen med at fremstille stoffet er meget kompliceret.
Hvem havde dette? Jeg havde det.
Leibniz' forsøg på at overtale Kraft til at sælge hemmeligheden til hertugen mislykkedes. Så tog Leibniz til Hamborg for at se Brand selv. Her lykkedes det ham at indgå en kontrakt mellem hertug Johann Friedrich og Brand, ifølge hvilken førstnævnte var forpligtet til at betale Brand 60 thaler for at afsløre hemmeligheden. Fra dette tidspunkt indgik Leibniz regelmæssig korrespondance med Brand.
Omtrent på samme tid ankom I.I Becher (1635-1682) til Hamborg med det formål at lokke Brand til hertugen af Mecklenburg. Branda blev dog igen opsnappet af Leibniz og ført til Hannover til hertug Johann Friedrich. Leibniz var fuldstændig overbevist om, at Brand var meget tæt på at opdage "de vises sten", og rådede derfor hertugen til ikke at lade ham gå, før han havde fuldført denne opgave. Brand blev dog i Hannover i fem uger, tilberedte friske forsyninger af fosfor uden for byen, viste ifølge aftalen hemmeligheden bag produktionen og gik.
Samtidig forberedte Brand en betydelig mængde fosfor til fysikeren Christiaan Huygens, som studerede lysets natur, og sendte en forsyning af fosfor til Paris.
Brand var dog meget utilfreds med den pris, som Leibniz og hertug Johann Friedrich gav ham for at afsløre hemmeligheden bag fosforproduktion. Han sendte Leibniz et vredt brev, hvori han klagede over, at det modtagne beløb ikke engang var nok til at forsørge hans familie i Hamborg og betale rejseudgifter. Lignende breve blev sendt til Leibniz og Brands kone, Margarita.
Brand var også utilfreds med Kraft, som han udtrykte harme over for i breve og bebrejdede ham, at han videresolgte hemmeligheden for 1000 thalere til England. Kraft videresendte dette brev til Leibniz, som rådede hertug Johann Friedrich til ikke at irritere Brand, men at betale ham for at afsløre hemmeligheden mere generøst, idet han frygtede, at forfatteren til opdagelsen som en hævnakt ville fortælle opskriften på fremstillingen af fosfor til en anden. Leibniz sendte et beroligende brev til Brand selv.
Tilsyneladende fik Brand en belønning, pga. i 1679 kom han atter til Hannover og arbejdede der i 2 måneder og fik en ugentlig løn på 10 thaler med tillæg for kost- og rejseudgifter. Leibniz' korrespondance med Brand, at dømme efter breve opbevaret i Hannover Bibliotek, fortsatte indtil 1684.
Lad os nu vende tilbage til Kunkel. Hvis du tror på Leibniz, så lærte Kunkel gennem Kraft en opskrift på fremstilling af fosfor og gik i gang. Men hans første eksperimenter var mislykkede. Han sendte Brand brev efter brev, hvori han klagede over, at han havde fået tilsendt en opskrift, som var meget uforståelig for en anden. I et brev skrevet i 1676 fra Wittenberg, hvor Kunkel boede på det tidspunkt, spurgte han Brand om detaljerne i processen.
I sidste ende opnåede Kunkel succes i sine eksperimenter, idet han ændrede en smule på Brands metode. Ved at tilføje lidt sand til tør urin før destillering, opnåede han fosfor og... gjorde krav på uafhængig opdagelse. Samme år, i juli, fortalte Kunkel sin ven, professor ved universitetet i Wittenberg Caspar Kirchmeyer, om sine succeser, som udgav et værk om dette nummer med titlen "En permanent natlampe, nogle gange funklende, som man har søgt længe efter. , nu fundet." I denne artikel taler Kirchmeyer om fosfor som en længe kendt lysende sten, men bruger ikke selve udtrykket "fosfor", som åbenbart endnu ikke var blevet vedtaget på det tidspunkt.
I England, uafhængigt af Brand, Kunkel og Kirchmeyer, opnåedes fosfor i 1680 af R. Boyle (1627-1691). Boyle kendte til fosfor fra den samme Kraft. Allerede i maj 1677 blev fosfor demonstreret ved Royal Society of London. I sommeren samme år kom Kraft selv til England med fosfor. Boyle, ifølge hans egen historie, besøgte Craft og så fosfor i sin besiddelse i fast og flydende form. Som tak for den varme velkomst antydede Kraft, da han tog afsked med Boyle, ham, at hovedstoffet i hans fosfor var noget, der var iboende i menneskekroppen. Tilsyneladende var dette tip nok til at sætte gang i Boyles arbejde. Efter Kraft rejste, begyndte han at teste blod, knogler, hår, urin, og i 1680 blev hans bestræbelser på at opnå det lysende element kronet med succes.
Boyle begyndte at udnytte sin opdagelse i selskab med en assistent, den tyske Gaukwitz. Efter Boyles død i 1691 udviklede Gaukwitz fosforproduktion og forbedrede den i kommerciel skala. Ved at sælge fosfor til tre pund sterling per ounce og levere det til videnskabelige institutioner og individuelle videnskabsmænd i Europa, tjente Gaukwitz en enorm formue. For at etablere kommercielle forbindelser rejste han gennem Holland, Frankrig, Italien og Tyskland. I selve London grundlagde Gaukwitz et medicinalfirma, der blev berømt i hans levetid. Det er mærkeligt, at på trods af alle hans eksperimenter med fosfor, nogle gange meget farlige, blev Gaukwitz 80 år gammel og overlevede sine tre sønner og alle de mennesker, der deltog i arbejde relateret til fosfors tidlige historie.
Siden opdagelsen af fosfor af Kunkel og Boyle, begyndte det hurtigt at falde i pris som følge af konkurrence mellem opfindere. Til sidst begyndte opfindernes arvinger at introducere hemmeligheden bag sin produktion for alle for 10 thalers, hele tiden sænke prisen. I 1743 fandt A.S Marggraff en endnu bedre metode til at fremstille fosfor af urin og udgav den straks, fordi fiskeri er ophørt med at være rentabelt.
I øjeblikket produceres fosfor ikke nogen steder efter Brand-Kunkel-Boyle-metoden, da det er fuldstændig urentabelt. Af hensyn til historisk interesse vil vi alligevel give en beskrivelse af deres metode.
Den rådnende urin fordampes til en sirupsagtig tilstand. Bland den resulterende tykke masse med tre gange mængden af hvidt sand, anbring den i en retort udstyret med en modtager, og opvarm i 8 timer ved jævn varme, indtil flygtige stoffer er fjernet, hvorefter opvarmningen øges. Modtageren er fyldt med hvide dampe, som derefter bliver til blåligt fast og lysende fosfor.
Fosfor har fået sit navn på grund af dets evne til at lyse i mørke (fra græsk - lysende). Blandt nogle russiske kemikere var der et ønske om at give elementet et rent russisk navn: "perle", "lettere", men disse navne fangede ikke.
Lavoisier, som et resultat af en detaljeret undersøgelse af forbrændingen af fosfor, var den første til at anerkende det som et kemisk grundstof.
Tilstedeværelsen af fosfor i urin gav kemikere en grund til at lede efter det i andre dele af dyrets krop. I 1715 blev der fundet fosfor i hjernen. Den betydelige tilstedeværelse af fosfor i det tjente som grundlag for udsagnet om, at "uden fosfor er der ingen tanke." I 1769 fandt Yu.G Gan fosfor i knogler, og to år senere beviste K.V. Scheele, at knogler hovedsageligt består af calciumfosfat, og foreslog en metode til at opnå fosfor fra asken, der var tilbage efter brændende knogler. Endelig, i 1788, viste M. G. Klaproth og J. L. Proust, at calciumphosphat er et ekstremt udbredt mineral i naturen.
En allotrop modifikation af fosfor - rødt fosfor - blev opdaget i 1847 af A. Schrötter. I et værk med titlen "A New Allotropic State of Phosphorus" skriver Schrötter, at sollys ændrer hvidt fosfor til rødt, og faktorer som fugt og atmosfærisk luft har ingen effekt. Schrötter separerede rødt fosfor ved at behandle det med kulstofdisulfid. Han fremstillede også rødt fosfor ved at opvarme hvidt fosfor til en temperatur på omkring 250 ° C i en inert gas. Samtidig blev det konstateret, at en yderligere temperaturstigning igen fører til dannelsen af en hvid modifikation.
Det er meget interessant, at Schrötter var den første til at forudsige brugen af rødt fosfor i tændstikindustrien. På verdensudstillingen i Paris i 1855 blev rødt fosfor, der allerede var produceret på en fabrik, demonstreret.
Den russiske videnskabsmand A.A. Musin-Pushkin modtog i 1797 en ny modifikation af fosfor - violet fosfor. Denne opdagelse tilskrives fejlagtigt I.V. Hittorf, som, efter at have gentaget næsten fuldstændig Musin-Pushkin-metoden, først opnåede violet fosfor i 1853.
I 1934 gjorde professor P. W. Bridgeman, der udsatte hvidt fosfor for tryk på op til 1100 atm, det til sort og opnåede dermed en ny allotrop modifikation af grundstoffet. Sammen med farven har fosforens fysiske og kemiske egenskaber ændret sig: hvidt fosfor antændes for eksempel spontant i luften, men sort fosfor har ligesom rødt ikke denne egenskab.
kilder
Fosforsyre eller mere præcist orthophosphorsyre har den kemiske formel H3PO4. Det er farveløse krystaller, meget hygroskopiske, meget opløselige i vand. Når den opvarmes til over 200 grader, begynder processen med dehydrering af orthophosphorsyre med dannelsen af pyrophosphorsyre ifølge følgende mekanisme: 2H3PO4 = H4P2O7 + H2O. Hvordan kan du få orthophosphorsyre? syre?
Instruktioner
Der er to hovedmetoder i industrien: termisk og ekstraktion. Ved brug af termisk oxideres fosfor af oxygen (under forbrænding) til fosforanhydrid på denne måde:
4P + 5O2 = P4O10
Det resulterende fosforsyreanhydrid undergår derefter hydrering, hvilket resulterer i orthophosphorsyre:
P4O10 + 6H2O = 4H3PO4 Ved hjælp af denne metode opnås den reneste phosphorsyre.
Ekstraktionsmetoden består i at isolere (ekstrahere) orthophosphorsyre fra formaling af naturlige fosfatmineraler med koncentreret svovlsyre. I en meget forenklet form kan denne reaktion, for det tilfælde, hvor mineralet for det meste bestod af calciumphosphat, skrives som følger:
Ca3(PO4)2 + 3H2SO4 = 2H3PO4 + 3CaSO4
Svovlsyre, der er meget stærkere, fortrænger let svag orthophosphorsyre fra dens salte. Det resulterende calciumsulfat, som er et let opløseligt stof, fraskilles ved filtrering. Fosforsyre renses fra urenheder.
I laboratoriet kan dette stof opnås ved at reagere hvidt fosfor med fortyndet salpetersyre. Reaktionen forløber som følger: 3P + 5HNO3 + 2H2O = 3H3PO4 + 5NO Faren ved denne metode er, at det er nødvendigt at bruge hvidt fosfor, et ekstremt giftigt stof. Derfor skal du, når du udfører det, huske at tage forholdsregler.
Nyttige råd
Fosforsyre bruges som råmateriale til fremstilling af mineralsk gødning, såsom simpel (en blanding af Ca(H2PO4)2 og unødvendige urenheder CaSO4) og dobbelt (Ca(H2PO4)2) superfosfat. Det bruges også i fødevareindustrien, det bruges til at fjerne rust fra metaller, det bruges i produktionen af porcelæn, i nogle typer syntese, som tørreelement og som katalysator, i dentalteknologi mv.
Råvarer til fremstilling af fosforsyre
Mere end 120 mineraler er kendt i naturen. De mest almindelige og industrielt vigtige mineraler i apatitgruppen er fluorapatit Ca 10 F 2 (PO 4) 6, hydroxydapatit Ca 10 (PO 4) 6 (OH) 2, chlorapatit.
Fosfater af apatitgruppen omfatter mineraler med den almene formel Ca10R2(PO4)6, hvor R er F, Cl, OH.
Noget af Ca i apatitter er erstattet af Sr, Ba, Mg, Mn, Fe og trivalente sjældne jordarters grundstoffer i kombination med alkalimetaller.
Tykkelsen af sømmene når 200 m. Mineralerne, der indgår i malmen, er forskellige i fysisk-kemiske og flotationsegenskaber, hvilket gør det muligt under flotation at berige det resulterende koncentrat med et målproduktindhold på 92-93%.
Ren calciumfluorapatit indeholder: 42,22% P 2 O 5; 55,6 % CaO, 3,76 % - F.
Fosfater er af magmatisk og sedimentær oprindelse. Magmatiske eller egentlige apatitbjergarter blev dannet enten under den direkte størkning af smeltet magma eller i individuelle vener under krystallisationen af den magmatiske smelte (hæmatitvener) eller under isolering fra varme vandige opløsninger (hydrotermiske formationer) eller under interaktionen af magma med kalksten (kontakt).
Apatitbjergarter har en granulær, grovkrystallinsk struktur og er karakteriseret ved mangel på polydispersitet og mikroporøsitet.
Sedimentære fosfater - fosforitter. De blev dannet som følge af forvitring af klipper, interaktion med andre bjergarter - og deres aflejring både i spredt tilstand og med dannelse af store ansamlinger.
Fosforitmalme adskiller sig fra apatitmalme ved den høje spredning af fosfatmineralerne, de indeholder, og deres tætte sammenvækst med tilhørende mineraler (urenheder) Fosforitter opløses hurtigere i syrer end apatitter.
Det bedste råmateriale til fremstilling af ekstraktionsphosphorsyre er apatitkoncentrat indeholdende 2% R2O3 eller 5% af det samlede P2O5-indhold. Den indeholder næsten ingen karbonater. Som følge heraf forbruges den mindste mængde svovlsyre (sammenlignet med andre typer råvarer) til dens nedbrydning.
Når man udvinder fosforsyre fra Karatau-fosforitter, som indeholder en betydelig mængde karbonater, jernholdige og lerholdige stoffer, øges ikke kun forbruget af svovlsyre på grund af behovet for at nedbryde karbonater, men fosforsyren er også af dårligere kvalitet. Den indeholder sulfater og fosfater af magnesium, jern og aluminium, som neutraliserer en betydelig del (op til halvdelen) af fosforsyre. Derudover kan P 2 O 5 ekstraheres fra sådanne råmaterialer med 3-6 % mindre end fra apatitkoncentrat. Dette forklares hovedsageligt af forringelsen af betingelserne for filtrering og vask af phosphogips, som frigives fra opløsningen i form af små krystaller, gennemsyret af urenheder af fine lerpartikler.
Andre typer fosforitter - sandet (Aktobe, Shchigrovsky), lerholdigt glauconit (Vyatka, Ryazan-Egoryevsky), selv efter berigelse opnået ved moderne metoder, bruges i øjeblikket ikke til fremstilling af fosforsyre. De kan bruges i blanding med apatitkoncentrat. Mængden af tilsat apatit bør give et sådant forhold mellem R2O3:P2O5, som gør det muligt at udføre processen med minimale tab.
Termisk metode til fremstilling af orthophosphorsyre
Den termiske metode består af højtemperaturreduktion af fosfater og sublimering af elementært fosfor i elektriske ovne i nærvær af kulstof og silica
Ca 3 (PO 4) 2 + 5C + 2SiO 2 = P 2 + 5CO + Ca 3 Si 2 O 7 - 1460 kJ/mol.
Det resulterende phosphor oxideres til phosphoranhydrid, og derefter hydreres sidstnævnte med vand; som følge heraf dannes orthophosphorsyre
2Р2 + 5О2 = 2Р2О5; P2O5 + 3H2O = 2H3P04.
Ud fra princippet om gaskøling kan processerne til fremstilling af fosfater baseret på elementært fosfor klassificeres i systemer med ændring i kølemidlets samlede tilstand og systemer uden ændring i kølemidlets aggregerede tilstand. Kølemidlerne er under alle omstændigheder vand eller fosforsyre.
Den største fordel ved den termiske metode sammenlignet med ekstraktionsmetoden er evnen til at behandle enhver form for råmateriale, herunder phosphoritter af lav kvalitet, og opnå høj ren syre.
Ekstraktionsmetode til fremstilling af fosforsyre
Syremetoden er baseret på fortrængning af fosforsyre fra fosfater med stærke syrer. Den mest udbredte metode i praksis er svovlsyreekstraktion.
Processen forløber i henhold til følgende opsummerende ligning:
Ca5F(PO4)3 + 5H2SO4 = 5CaSO4 (fast) + 3H3P04 + HF.
Afhængigt af procestemperaturen og koncentrationen af P2O5 i opløsningen frigives calciumsulfat (phosphogips) i form af CaSO4 2H2O (dehydrattilstand), CaSO4 0,5H2O (hemihydrattilstand) og CaSO4 (anhydridtilstand). De to første tilstande fandt industriel distribution.
Det resulterende hydrogenfluorid reagerer med H2SiO3
4HF + H2SiO3 = SiF4 + 3H2O.
I dette tilfælde frigives SiF4 delvist til gasfasen og forbliver delvist i EPA-opløsningen i form af H2SiF6.
Typisk er den resulterende ekstraktionssyre forurenet med urenheder af råmaterialet og har en lav koncentration (25-32% P 2 O 5), så den skal fordampes til en højere koncentration.
De vigtigste fordele ved ekstraktionsprocessen er dens enkelhed og evnen til at producere billigere H 3 PO 4. Ulempe - den resulterende EPA er forurenet med en blanding af sesquioxider (Al2O3, Fe2O3), fluorforbindelser og CaSO4.
Fremstilling af phosphorsyre ved dihydrat- og hemihydratmetoder
Der er forskellige metoder til fremstilling af phosphorsyre i varierende koncentrationer med frigivelse af calciumsulfatdihydrat. Den mest bekvemme klassificering og evaluering af forskellige metoder afhængigt af koncentrationen af den resulterende syre, da det er denne, der er hovedindikatoren for produktkvalitet og en af de vigtigste teknologiske parametre, der bestemmer alle andre - temperatur, varighed af interaktion mellem reagenser, form og filtreringsegenskaber af frigivne calciumsulfatkrystaller osv. .p.
I øjeblikket fremstilles H 3 PO 4 ved hjælp af dihydratmetoden med et indhold på 20-25% P 2 O 5 (normalt fra lavkvalitets råvarer - dårlige fosforitter) og 30-32% P 2 O 5 (fra høj kvalitet råvarer - apatitkoncentrat)
Ved fremstilling af en syre indeholdende 30-32 % P 2 O 5 ved hemihydrat-dehydratmetoden udføres processen i to trin. Det første trin - nedbrydningen af fosfat - udføres under sådanne forhold, når calciumsulfat frigives i form af et relativt stabilt hemihydrat, der ikke hydreres under ekstraktionsprocessen til gips. I det andet trin omkrystalliseres det frigivne hemihydrat, der ikke er adskilt fra den flydende fase, i reaktionsopslæmningen til et dihydrat i nærværelse af gipsfrøkrystaller, hvilket frigiver store, velformede og hurtigt filtrerende krystaller.
Fordelene ved denne metode er den maksimale (op til 98,5%) ekstraktion af phosphorsyre fra råmaterialet til opløsning med minimalt forbrug af svovlsyre og produktion af højkvalitetsgips, der ikke indeholder mere end 0,3% af total P 2 O 5 ( i stedet for de sædvanlige 0,5-1,5 %) og 0,02-0,08 % vandopløselige P 2 O 5. Dette forklares ved at forhindre substitution med sulfationer i bundfaldets krystalgitter og frigivelsen af HPO4-ioner, som blev tilbageholdt (adsorberet på overfladen af de oprindeligt frigivne partikler i den faste fase, da hemihydratet tidligere var passeret ind i væskefasen.
I modsætning til den for tiden anvendte dihydratmetode kan hemihydratmetoden anvendes til at fremstille en syre indeholdende 45-50% P2O5. Dette gør det muligt at øge kapaciteten af eksisterende værksteder med 1,5 - 1,8 gange og en smule reducere mængden af affald - sulfatrester.
Til fremstilling af koncentreret fosfor og kompleksgødning kræves fosforsyre indeholdende 37-55% P2O5 eller mere, og til fremstilling af ammoniumpolyphosphater og koncentreret flydende gødning kræves syre indeholdende 72-83% P2O5. Derfor opkoncentreres ekstraktionsphosphorsyre i mange tilfælde ved fordampning.
Produktionen af fosforsyre indeholdende op til 55 % P 2 O 5 ved anhydritmetoden (uden fordampning) er på pilotudviklingsstadiet. Den nemmeste måde at opnå en syre, der indeholder 53-55% P 2 O 5, da processen kun reduceres til fordampning af vand og ikke ledsages af dehydrering af phosphorsyre og dannelse af phosphorsyreanhydrit ikke i ortho-form. Denne proces er imidlertid kompliceret af alvorlig korrosion af udstyret og frigivelse af urenheder indeholdt i syren.
Varm fosforsyre har en stærk ætsende effekt på de fleste kendte metaller, legeringer og silikat-keramiske materialer. Bundfald, der frigives under fordampningsprocessen, kan tilstoppe udstyret, hvilket resulterer i en kraftig reduktion i dets produktivitet. Dette gør det vanskeligt at anvende standard og udbredte inddampningsanlæg til fordampning af fosforsyre. Syre indeholdende 53 - 55% P2O5 kan opnås fra relativt let forurenede fosfater - apatitkoncentrat eller berigede højkvalitetsfosforitter
Fremstilling af fosforsyre ved andre metoder
Af interesse i industrien er metoden til fremstilling af H3PO4, baseret på oxidation af fosfor med vanddamp på en kobber-zirconium katalysator, optimale procesbetingelser: t = 973°C, forholdet mellem vanddamp og fosfor er 20:1
P4 + 16H2O = 4H3P04 + 10H2 + 1306,28 kJ.
Under laboratorieforhold opnås H3PO4
3P + 5HNO3 + 2H2O = 3H3PO4 + 5NO
Ekstraktion af fosforsyre fra fosfater med svovlsyre har betydelige ulemper: højt forbrug af svovlsyre (2,5 - 3,1 tons monohydrat pr. 1 ton P2O5) og behovet for at behandle eller opbevare en betydelig mængde affald - phosphogips (4,5 -6,0 tons) 1 t P2O5 udtrykt i tørstof), hvis forarbejdning til svovlsyre er forbundet med samtidig produktion af betydelige mængder cement eller kalk, som ikke finder tilstrækkeligt salg overalt. Derfor søges der løbende efter mulighederne for at udvinde fosforsyre med andre uorganiske syrer - salpetersyre, saltsyre, flussyre og hydrofluorkiselsyre.
De største vanskeligheder ved nedbrydningen af fosfat med salpeter- eller saltsyre er adskillelsen af fosforsyre fra det meget opløselige nitrat og calciumchlorid. Ved anvendelse af fluorkiselsyre eller flussyre frigives et bundfald, der let adskilles ved filtrering. Men i dette tilfælde kræver syreregenerering brug af høje temperaturer, men processen kan udføres uden yderligere reagenser - syrer ved hjælp af fluor indeholdt i råmaterialet.
Fremstilling af fosfater
Indholdet af forskellige anioniske former i opløsningen afhænger af opløsningens pH. Alle alkalimetal- og ammoniumphosphater er meget opløselige i vand. For andre metaller er kun dihydrogenphosphater opløselige. Opløsninger af medium alkalimetalphosphater har en stærkt alkalisk reaktion på grund af hydrolyse. (0,1 M Na3PO4-opløsning har en pH-værdi på 12,7). Under disse forhold, i nærvær af gennemsnitlige fosfater af alkalimetaller som reagens, er det ikke muligt at opnå gennemsnitlige fosfater af andre metaller - enten basiske salte eller hydroxider og oxider udfælder fra opløsninger:
4Na 3 PO 4 + 5CaCl 2 + H 2 O = Ca 5 (PO 4) 3 OH + 10 NaCl + Na 2 HPO 4
2AgNO 3 + 2Na 3 PO 4 + H 2 O = Ag 2 O + 2 Na 2 HPO 4 + 2 NaNO 3
For at opnå mellemstore salte af fosforsyre er det derfor nødvendigt at reducere pH. Dette opnås ved at bruge en opløsning af natriumhydrogenphosphat i nærværelse af ammoniak:
2Na 2 HPO 4 + CaCl 2 + 2 NH 3 = Ca 3 (PO 4) 2 + 2 NH 4 Cl + 4 NaCl
Du kan også få fosfater (både medium og sure) gennem udvekslingsreaktioner, hvor der er mange forskellige variationer af reagenser:
1. Direkte interaktion mellem metal og fosforsyre:
2H3P04+3Ca= Ca3(P04)2+ 3H2
2. Reaktion mellem basisk oxid og phosphorsyre:
2H 3 PO 4 + 3CaO = Ca 3 (PO 4) 2 + 3H 2 O
3. Udvekslingsreaktion mellem salte, hvoraf det ene nødvendigvis indeholder en phosphat- eller dihydrogenphosphatanion:
2Na 3 PO 4 + 3CaCl 2 = Ca 3 (PO 4) 2 + 6 NaCl.
4. Udvekslingsreaktion mellem phosphorsyre og hydroxid:
2H 3 PO 4 + 3Ca(OH) 2 = CaHPO 4 2H 2 O
2H3PO4 + 3NaOH = Na3PO4 + 3H2O
5. Fosfat- og hydroxidudvekslingsreaktion:
2Na 3 PO 4 + 3Ca(OH) 2 = Ca 3 (PO 4) 2 + 3 NaOH
6. Interaktion mellem dihydrogenphosphater eller hydrogenphosphater med alkali:
Det er muligt at få fosfat direkte fra det simple stof fosfor. Hvidt fosfor opløses i en alkalisk opløsning af hydrogenperoxid:
P4 + 10H2O2 + 12NaOH = 4Na3PO4 + 16H2O
Hovedmetoden til at overvåge renheden af det resulterende vanduopløselige fosfat er dets rigelige vask med vand ved filtrering af bundfaldet. Hvad angår vandopløselige ammonium- og alkalimetalphosphater, er omhyggelig og gentagen krystallisering nødvendig for at kontrollere renheden såvel som foreløbig filtrering af opløsningen fra mulige uopløselige urenheder.
Alle de ovennævnte metoder til syntese af fosfater er anvendelige både i laboratorieforhold og i industrien.