Foszfor

A foszfor (nyelvújításkori magyar nevén vilany) egy nemfémes, szilárd kémiai elem. A rendszáma 15, vegyjele P. Neve görög eredetű, jelentése „fényhozó”. Az ún. biogén elemek közé tartozik, részt vesz fontos szerves molekulák, például a DNS, RNS felépítésében.

15 szilícium ← foszfor → kén N ↑ P ↓ As 15 P Periódusos rendszer
Általános
Név, vegyjel, rendszám	foszfor, P, 15
Latin megnevezés	phosphorus
Elemi sorozat	nemfémek
Csoport, periódus, mező	15, 3, p
Megjelenés	színtelen/vörös/ezüstfehér
Atomtömeg	30,973761998(5) g/mol[1]
Elektronszerkezet	[Ne] 3s² 3p³
Elektronok héjanként	2, 8, 5
Fizikai tulajdonságok
Halmazállapot	szilárd
Sűrűség (szobahőm.)	(fehér) 1,823 g/cm³
Sűrűség (szobahőm.)	(vörös) 2,34 g/cm³
Sűrűség (szobahőm.)	(fekete) 2,69 g/cm³
Olvadáspont	(fehér) 317,3 K (44,2 °C, 111,6 °F)
Olvadáspont	(vörös) ~860 K (~590 °C, ~1090 °F)
Forráspont	550 K (277 °C, 531 °F)
Olvadáshő${\displaystyle \Delta _{fus}{H}^{\ominus }}$	(fehér) 0,66 kJ/mol
Párolgáshő ${\displaystyle \Delta _{vap}{H}^{\ominus }}$	12,4 kJ/mol
Moláris hőkapacitás	(25 °C) (fehér) 23,824 J/(mol·K)
Gőznyomás (fehér) P/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k T/K 279 307 342 388 453 549
Gőznyomás (vörös) P/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k T/K 455 489 529 576 635 704
Atomi tulajdonságok
Kristályszerkezet	monoklin
Oxidációs szám	±3, 5, 4 (enyhén savas oxid)
Elektronegativitás	2,19 (Pauling-skála)
Ionizációs energia	1.: 1011,8 kJ/mol
	2.: 1907 kJ/mol
	3.: 2914,1 kJ/mol
Atomsugár	100 pm
Atomsugár (számított)	98 pm
Kovalens sugár	106 pm
Van der Waals-sugár	180 pm
Egyebek
Mágnesség	diamágneses[2]
Hővezetési tényező	(300 K) (fehér) 0,236 W/(m·K)
Kompressziós modulus	11 GPa
CAS-szám	7723-14-0
Fontosabb izotópok
Fő cikk: A foszfor izotópjai izotóp természetes előfordulás felezési idő bomlás mód energia (MeV) termék 31P 100% P stabil 16 neutronnal 32P mest. 14,28 d β- 1,709 32S 33P mest. 25,3 d β- 0,249 33S
Hivatkozások

Felfedezése

Az elemet először Hennig Brand alkimista állította elő 1669-ben úgy, hogy először napokig vizeletet rothasztott, főzéssel besűrítette, majd a lombikban maradt anyagot vörösizzásig hevítve ledesztillálta, és a keletkező gőzöket víz alatt kondenzáltatta. A keletkező viaszszerű anyag levegőre kerülve sötétben is világított, láng nélkül. A világító anyagot „hideg tűz”-nek nevezte el. A foszfor szó a görög φως (phos = fény) és φορος (phoros = hordozó) szóból származik. A foszfor egyedülálló az elemek között azzal, hogy először fedezték fel állati/emberi testnedvben, majd utána a növény- és az ásványvilágban, valamint az első elem, melynek ismerjük felfedezőjét.

Allotrop módosulatai

A foszfor módosulatai

• fehérfoszfor (sárgafoszfor): viasz keménységű, késsel vágható, erősen mérgező anyag, szobahőmérsékleten is hevesen oxidálódik, öngyúlékony. Víz alatt kell tartani, oxigéntől elzárva. Zsírokban, olajokban jól oldódik, ezért nem tanácsos szabad kézzel hozzányúlni, mivel a bőrön zsír található. Lenyelve már 0,05 g^[3] is halálos belőle. Tetraéderes P₄ molekulákból épül fel, amelyek köbös (α-foszfor) vagy hexagonális (β-foszfor) molekularácsot alkotnak. Át tud alakulni vörösfoszforrá.
• vörösfoszfor: sötétvörös színű amorf por, nem oldódik semmiben, így nem is mérgező. Levegőn eltartható, csak magasabb hőmérsékleten gyullad meg.
• feketefoszfor: sötétszürke, fémesen csillogó, a hőt és a villamosságot jól vezeti, több módosulata van (három kristályos és egy amorf). A foszfor termodinamikailag legstabilabb módosulata.

Gyulladási hőmérsékletek

• fehérfoszfor 60 °C
• vörösfoszfor 350 °C
• feketefoszfor ismeretlen.

Kémiai tulajdonságai

A három foszfor kémiailag azonos módon viselkedik. A foszfor égésekor foszfor-pentoxid keletkezik, amely kiváló vízmegkötő anyag, bőrre kerülve égési sebet okoz.

${\displaystyle \mathrm {4\ P+5\ O_{2}\rightarrow 2\ P_{2}O_{5}} }$

A foszfor-pentoxid vízzel való reakciójának egyenlete:

${\displaystyle \mathrm {P_{2}O_{5}+3\ H_{2}O\rightarrow 2\ H_{3}PO_{4}} }$

Ekkor foszforsav keletkezik. A foszforsav nem mérgező, üdítően savanyú ízű anyag, ezért ízesítésre használják (pl.: kóla). A foszforsav sói a foszfátok, savmaradékionja a foszfátion.

Előfordulása

• A természetben a foszfor legnagyobb része apatitokban és amorf foszfátkőzet-telepeken található. Bár a kitermelés igen nagy (évi 151 millió tonna foszforkőzet,^[4] ami 20 millió tonna tiszta foszfornak felel meg), a becslések szerint a jelenlegi felhasználás mellett a telepeken található foszfor több évszázadra elegendő.
• Az emberi szervezetben nagy mennyiségben található (700-800 g/felnőtt). Szükséges a csontok, fogak felépüléséhez, az idegrendszer működéséhez, a fehérje-, szénhidrát-, zsíranyagcseréhez, a fehérjeszintézishez és az enzimek működéséhez.

Előállítása

A foszfort kalcium-foszfátból (Ca₃(PO₄)₂) állítják elő. A kalcium-foszfátot kvarchomokkal és szénnel keverik össze, majd a levegőt kizárva hevítik.^[5]

${\displaystyle \mathrm {Ca_{3}(PO_{4})_{2}+3\ SiO_{2}\rightarrow 3\ CaSiO_{3}+P_{2}O_{5}} }$

${\displaystyle \mathrm {2\ P_{2}O_{5}+10\ C\rightarrow P_{4}+10\ CO} }$

Felhasználása

A foszfor minden növény és állat számára létfontosságú. A legtöbb bányászott foszfort műtrágyázásra használják, mert a műveletlen termőföldben kis mennyiségben, oldhatatlan sók formájában van jelen, és ez a növények számára feldolgozhatatlan. Növényvédő szerekben is felhasználják.

Az élelmiszeripar nagyon sok foszfort használ fel, főleg savanyítóanyagként, foszforsav formájában.

Irinyi János a fehérfoszfort a mai biztonsági gyufa elődjéhez használta. A mai biztonsági gyufa dobozának dörzsfelületéhez már a jóval biztonságosabb vörösfoszfort alkalmazzák.

Ezen kívül mosószerekbe is kerülnek foszfátok.

Vegyületei

A foszfor az antimon, bizmut és a nemesgázok kivételével minden elemmel képez biner (két különböző atomból álló) vegyületet. A bizmut, higany és ólom kivételével a többi fémmel közvetlenül is egyesül. Fémmel alkotott biner vegyületei a foszfidok, hidrogénnel alkotott binerje a foszfin (PH₃).

A tetrafoszfor-dekaoxid („foszfor-pentoxid”) molekulájának modellje

Oxidok

A tetrafoszfor-dekaoxid, (melyet gyakran foszfor-pentoxidnak neveznek, bár P₂O₅ összegképletű vegyület nem létezik) az égetett foszfor:

${\displaystyle \mathrm {4\ P+5\ O_{2}\rightarrow P_{4}O_{10}} }$

A tetrafoszfor-dekaoxid oldásával kapjuk a foszforsavat, amely nem mérgező, savanyú ízű anyag, üdítőket ízesítenek vele. E 338-as adalékanyag.

${\displaystyle {\frac {1}{2}}\ \mathrm {P_{4}O_{10}+3\ H_{2}O\rightarrow 2\ H_{3}PO_{4}} }$

A foszfor másik fontos oxidja a tetrafoszfor-hexaoxid („foszfor-trioxid”, P₄O₆) a foszforossav anhidridje.

Keveset tudunk a foszfor-monoxidról (PO), mely a nitrogén-monoxid analógja, pedig a csillagközi gázfelhőkben ez a legelterjedtebb foszformolekula.

További foszfor-oxidok: P₄O₇, P₄O₈, P₄O₉. Ezek gyűrűje a tetrafoszfor-dekaoxidéval azonos, csak kevesebb oxigénatom kapcsolódik a gyűrűhöz.

Bővebben: A foszfor oxidjai és oxosavai

Oxosavak

Az oxosavakról bővebben: foszforsav.

A foszfornak számos oxosava ismert, ezek közül messze a legfontosabb az ortofoszforsav (H₃PO₄), a pirofoszforsav (difoszforsav; H₄P₂O₇) és a trifoszforsav (H₅P₃O₁₀).

A foszforsav különböző sóit és savanyú sóit az élelmiszer- és mosószeriparban, valamint fogkrémekben használják. Megtalálható a csontokban, fogakban kalcium-foszfát alakjában.

Az élőlények örökítőanyaga, a DNS nukleinsavak foszforsavval alkotott észtere. A foszforsav a „ragasztóanyag” szerepét játssza a hosszú nukleinsav-láncban.

A trifoszforsav adenozinnal alkotott észtere, az ATP a szervezet sejtjeinek energiahordozója. Energialeadáskor a difoszforsav adenozin-észterére, ADP-re bomlik le.

Szulfidok

A foszfor a kénnel is sokféle vegyületet alkot. Ezek közül iparilag két fontos van:

• a tetrafoszfor-triszulfidot (P₄S₃) a „mindenen meggyulladó” gyufafejek gyártásában használják
• a tetrafoszfor-dekaszulfid (P₄S₁₀) sok P−S-kötést tartalmazó vegyület gyártásának kiinduló anyaga. A tetrafoszfor-dekaoxid analógja.

Halogénvegyületek

Bővebben: A foszfor halogenidjei

A foszfor biner halogénvegyületeinek három típusa van:

• PX₃
• P₂X₄
• PX₅

ahol X = F, Cl, Br vagy I. Mind a 12 vegyület ismert, közülük gyakorlati szempontból legfontosabb a foszfor-triklorid (PCl₃). További példák: foszfor-pentabromid, foszfor-pentaklorid, foszfor-trijodid. Ismertek vegyes foszfor-halogenidek is, melyekben kétféle halogénatom is van.

Más vegyületek

A foszfornak oxigénnel vagy kénnel és halogénnel sokféle vegyülete ismert, pl. POCl₃, POF₂Cl, PSF₃.

Az egyszeres P−N-kötést tartalmazó vegyületek a foszfazánok és ciklofoszfazánok, a P=N kettős kötést tartalmazók a foszfazének. Ezek molekulaszerkezetének sok részlete máig ismeretlen és intenzív kutatás tárgya.

A C−P-kötés tartalmazó foszfororganikus vegyületek száma és jelentősége óriási. Két példa: foszkarnet, perzinfotel.