Oppimistavoite

• Tarkista fosforin ominaisuudet.

avainkohdat

• fosfori on alkuaine, jonka tunnus on P ja järjestysluku 15. Typpiryhmän monimetalli fosfori mineraalina esiintyy lähes aina maksimaalisesti hapettuneessa olomuodossaan epäorgaanisena fosfaattina.
• fosfori on elämälle välttämätöntä. Fosfaattiryhmän osana se on DNA: n, RNA: n, ATP: n (Adenosiinitrifosfaatti) ja fosfolipidien osa, jotka muodostavat kaikki solukalvot.
• fosforia on useita muotoja (allotrooppeja), joilla on silmiinpistävän erilaisia ominaisuuksia. Kaksi yleisintä allotrooppia ovat valkoinen fosfori ja punainen fosfori.

termit

• puhtaan alkuaineen allotrooppinen muoto, jolla on selvästi erilainen molekyylirakenne kuin saman alkuaineen toisella muodolla.
• fosforihapon fosfaattisuola tai esteri
• adenosiinitrifosfaattinukleotidi, jota esiintyy biologisissa organismeissa ja jota käytetään energianlähteenä solujen reaktioissa ja prosesseissa.

fosfori on alkuaine, jonka tunnus on P ja järjestysluku 15. Typpiryhmän monimetalli fosfori mineraalina esiintyy lähes aina maksimaalisesti hapettuneessa olomuodossaan epäorgaanisina fosfaattikivinä. Alkuainefosforia on kahta päämuotoa-valkoista fosforia ja punaista fosforia — mutta suuren reaktiivisuutensa vuoksi fosforia ei koskaan esiinny vapaana alkuaineena maapallolla.

vaikka termi ”fosforesenssi” on peräisin valkoisen fosforin kyvystä hehkua heikosti altistuessaan hapelle, nykyisen kemiallisen käsityksen mukaan ilmiö on itse asiassa kemiluminesenssi, fosforesenssista erillinen valosäteilyn mekanismi.

fosforin merkitys

fosfori on elämälle välttämätön. Todisteena fosforin ja maanpäällisen elämän välisestä yhteydestä alkuainefosfori eristettiin historiallisesti ensin ihmisen virtsasta, ja luutuhka oli tärkeä varhainen fosfaattilähde. Fosfaattina se on osa DNA: ta, RNA: ta, ATP: tä (adenosiinitrifosfaattia) ja fosfolipidejä, jotka muodostavat kaikki solukalvot. Alhainen fosfaattipitoisuus on tärkeä kasvun raja joissakin vesistöissä, ja fosforiyhdisteiden pääasiallinen kaupallinen käyttö lannoitteiden valmistuksessa johtuu tarpeesta korvata kasvien maaperästä poistama fosfori.

fosforia on useita muotoja (allotrooppeja), joilla on silmiinpistävän erilaisia ominaisuuksia.

• kaksi yleisintä allotrooppia ovat valkoinen fosfori ja punainen fosfori.
• toinen muoto, tulipunainen fosfori, saadaan antamalla hiilidisulfidin sisältämän valkoisen fosforin liuoksen haihtua auringonvalossa.
• mustaa fosforia saadaan kuumentamalla valkoista fosforia korkeassa paineessa (noin 12 000 standardikammiota eli 1,2 gigapascalia). Ulkomuodoltaan, ominaisuuksiltaan ja rakenteeltaan musta fosfori muistuttaa grafiittia — se on mustaa ja hilseilevää, sähkön johtajaa, ja siinä on toisiinsa liittyneistä atomeista koostuvia pölyisiä arkkeja.
• toinen allotrooppi on difosforihappo; se sisältää fosforidimeerin rakenneyksikkönä ja on hyvin reaktiivinen.

valkoinen fosfori ja siihen liittyvät Molekyylimuodot

käyttökohteiden kannalta fosforin tärkein alkuainemuoto on valkoinen fosfori. Se koostuu tetraedrisistä P4molekuleista, joissa jokainen atomi on sitoutunut kolmeen muuhun atomiin yhdellä sidoksella. Tätä P4-tetraedriä esiintyy myös nestemäisessä ja kaasumaisessa fosforissa aina 800 °C: n lämpötilaan saakka, jolloin se alkaa hajota P2-molekyyleiksi. Kiinteää valkoista fosforia on kahdessa muodossa; matalissa lämpötiloissa β-muoto on stabiili ja korkeissa lämpötiloissa α-muoto on vallitseva. Nämä muodot eroavat toisistaan muodostuvan P4-tetraedrin suhteellisten orientaatioiden suhteen.

valkoinen fosfori on allotrooppeista vähiten stabiili, reaktiivisin, haihtuvin, vähiten tiheä ja myrkyllisin. Se muuttuu vähitellen punaiseksi fosforiksi, valon ja lämmön kiihdyttämäksi muunnokseksi. Valkoisen fosforin näytteet sisältävät lähes aina jonkin verran punaista fosforia, joten ne näyttävät keltaisilta. Tästä syystä sitä kutsutaan myös keltaiseksi fosforiksi. Se hohtaa pimeässä (altistuessaan hapelle) hyvin heikolla vihreän ja sinisen sävyllä, ja se on erittäin helposti syttyvää ja pyroforista (itsestään syttyvää) joutuessaan kosketuksiin ilman kanssa. Se on myös myrkyllistä, aiheuttaen vakavia maksavaurioita nieltäessä. Pyroforisuutensa vuoksi valkoista fosforia käytetään lisäaineena napalmissa. Tämän muodon palamisen hajulla on tyypillinen valkosipulin haju, ja näytteet on yleensä päällystetty valkoisella ”(di)fosforipentoksidilla”, joka koostuu P4O10-tetraedristä, johon on lisätty happea fosforiatomien väliin ja niiden kärkipisteisiin. Valkoinen fosfori ei liukene veteen, mutta liukenee hiilidisulfidiin.

punainen fosfori

punainen fosfori on rakenteeltaan polymeeristä. Sitä voidaan pitää P4: n derivaattana — yksi p-P-sidoksista katkeaa ja viereisten tetraedrien välille muodostuu yksi lisäsidos, jolloin syntyy ketjumainen rakenne. Punaista fosforia voidaan muodostaa kuumentamalla valkoista fosforia 250 °C: seen (482 °F) tai altistamalla se auringonvalolle. Fosfori on tämän käsittelyn jälkeen amorfista. Edelleen kuumennettaessa tämä materiaali kiteytyy. Tässä mielessä punainen fosfori ei ole allotrooppi, vaan valkoisen ja violetin fosforin välivaihe, ja useimmilla sen ominaisuuksilla on vaihteluväli. Esimerkiksi juuri valmistettu, kirkkaanpunainen fosfori on hyvin reaktiivista ja syttyy noin 300 °C: ssa, joskin se on vielä stabiilimpi kuin valkoinen fosfori, joka syttyy noin 30 °C: ssa. Pitkäaikaisen kuumentamisen tai varastoinnin jälkeen väri tummuu; tuloksena oleva tuote on vakaampi eikä syty itsestään ilmassa.

Fosforintuotanto

noin 1 000 000 lyhyttä tonnia (910 000 t) alkuainefosforia tuotetaan vuosittain. Pääasiassa Floridassa ja Pohjois-Afrikassa louhittu kalsiumfosfaatti (fosfaattikivi) voidaan kuumentaa 1 200-1 500 °C: n lämpötilaan hiekalla, joka on enimmäkseen SiO2: ta, ja koksilla (epäpuhdas hiili) höyrystyneen P4: n tuottamiseksi. Tämän jälkeen tuote tiivistetään valkoiseksi jauheeksi veden alla hapettumisen estämiseksi ilmassa.