Phosphor (chemisches Symbol P) ist ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 15 aus der Stickstoffgruppe. Es ist ein Nichtmetall und tritt in mehreren Modifikationen auf.
Phosphor ist eines der Grundelemente der Organischen Chemie und als Mineralstoff Baustein jedes lebenden Organismus, es ist also für Lebewesen essentiell.
Der Name Phosphor kommt aus dem griechischen: phos-phóros = lichttragend und weist auf die Eigenschaft des weißen Phsphors hin, an der Luft ein hellgrünes Licht zu erzeugen.
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| Allgemein | |||||||||||||
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| Name, Symbol, Ordnungszahl | Phosphor, P, 15 | ||||||||||||
| Serie | Nichtmetalle | ||||||||||||
| Gruppe, Periode, Block | 15 (VA), 3 , p | ||||||||||||
| Dichte, Mohshärte | weißer P.:1823 kg/m3, __ | ||||||||||||
| Dichte, Mohshärte | roter (violetter) P.:2340 kg/m3, __ | ||||||||||||
| Dichte, Mohshärte | schwarzer P.:2670 kg/m3, __ | ||||||||||||
| Aussehen | farblos/rot/silbrig weiß | ||||||||||||
| Atomar | |||||||||||||
| Atomgewicht | 30.973761 amu | ||||||||||||
| Atomradius (berechnet) | 100 (98) pm | ||||||||||||
| Kovalenter Radius | 106 pm | ||||||||||||
| van der Waals-Radius | 180 pm | ||||||||||||
| Elektronenkonfiguration | [Ne]3s2 3p3 | ||||||||||||
| e- 's pro Energieniveau | 2, 8, 5 | ||||||||||||
| Oxidationszustände (Oxid) | ±3, 5, 4 (leicht sauer) | ||||||||||||
| Kristallstruktur | monoklin | ||||||||||||
| Physikalisch | |||||||||||||
| Aggregatzustand (Magnetismus) | fest | ||||||||||||
| Schmelzpunkt | 317.3 K (44.2°C) | ||||||||||||
| Siedepunkt | 550 K (277°C) | ||||||||||||
| Molares Volumen | 17.02 ×10-3 m3/mol | ||||||||||||
| Verdampfungswärme | 12.129 kJ/mol | ||||||||||||
| Schmelzwärme | 0.657 kJ/mol | ||||||||||||
| Dampfdruck | 20.8 Pa bei 294 K | ||||||||||||
| Schallgeschwindigkeit | k.A. | ||||||||||||
| Verschiedenes | |||||||||||||
| Elektronegativität | 2.19 (Pauling-Skala) | ||||||||||||
| Spezifische Wärmekapazität | 769 J/(kg*K) | ||||||||||||
| Elektrische Leitfähigkeit | 1.0 10-9/m Ohm | ||||||||||||
| Wärmeleitfähigkeit | 0.235 W/(m*K) | ||||||||||||
| 1. Ionisierungsenergie | 1011.8 kJ/mol | ||||||||||||
| 2. Ionisierungsenergie | 1907 kJ/mol | ||||||||||||
| 3. Ionisierungsenergie | 2914.1 kJ/mol | ||||||||||||
| 4. Ionisierungsenergie | 4963.6 kJ/mol | ||||||||||||
| 5. Ionisierungsenergie | 6273.9 kJ/mol | ||||||||||||
| Stabilste Isotope | |||||||||||||
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| SI-Einheiten und Standardbedingungen werden benutzt, sofern nicht anders angegeben. |
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Das Phosphoratom
Modifikationen
Phosphor tritt in vier allotropen Modifikationen auf. (weißer Phosphor, roter P., schwarzer P. und violetter P.). Jeder dieser vier Grundtypen bildet verschiedene Kristallstrukturen und hat damit unterschiedliche Reaktivität und Dichte.
Weißer Phosphor
Bei -77°C geht die kubische Form (α-Form) in eine hexagonale Form (β-Form) über. In jeder Form (α. β, in Lösung) bildet der weiße Phosphor P4-Tetraeder mit einem Bindungswinkel von 60°. Verunreinigt wird der weiße Phosphor auch als gelber Phosphor bezeichnet
Eigenschaften
Weißer Phosphor ist die flüchtigste, und reaktivste Modifiaktion des Phosphors. Er besitzt eine Dichte von 1,82 g/cm³, eine Schmelzpunkt von 44,1°C, eine Siedepunkt von 280°C und ist durchscheinend und wachsartig. . Der kubische weiße Phosphor ist in Phosphortrichlorid und Kohlendisulfid CS2 sehr leicht löslich. 100g Kohlendisulfid lösen mehr als 1kg Phosphor. In Kohlenstofftetrachlorid, Benzol oder Ether ist Phosphor schwach löslich.
In fein verteiltem Zustand entzündet sich weißer Phosphor von selbst, ab etwa 50°C entzünden sich auch kompakte Stücke und verbrennen in der Luft zu Phosphor(V)-oxid.
An Luft kann weißer Phosphor ein hellgrünes Leuchten erzeugen. Dieses entsteht durch den im weißen Phosphor vorhandenen hohen Dampfdruck und somit in der Umgebung vorhandenes gasförmiges P4, das wiederum durch Gasphasenoxidation über P4O6 zu P4O10 entsteht (Chemolumineszenz). Meist in heftiger, exothermer Reaktion verbindet sich Phosphor mit Halogenen, Metallen oder Schwefel. Die hieraus entstehenden Verbindungen sind Phosphorsulfide, Phosphor(III)- oder Phosphor(V)-Verbindungen sowie Phosphiden. Unter Einwirkung von starken Laugen in heisser Umgebung disproportioniert Phosphor zu Phosphin und Hypophosphid. Allgemein wirkt weißer Phosphor stark reduzierend.
Schwarzer Phosphor
Schwarzer Phosphor ist bei Zimmertemparatur stabilste Modifikation des Phosphors und existiert in einer amorphen und drei kristallinen Form. Das dem schwarzen Phosphor zugrundeliegende Kristallgitter besteht aus gewellten Doppelschichten, in dem die Phosphor Atome pyramidal mit drei weiteren in der Nachbarschaft befindlichen Phosphoratomen in einem Bindungswinkel von 100° verbunden sind.
Schwarzer Phosphor entsteht durch unter hohem Druck stehenden weißen oder roten Phosphors.
Eigenschaften
Schwarzer Phosphor ist aufgrund seiner polymeren Form unlöslich, fast unbrennbar, sehr reaktionsträge und besitzt eine Dichte von 2,69 g/cm³. In dieser Konfiguration besitzt Phosphor Halbleitereigenschaften. In feuchter Luft oxidiert schwarzer Phosphor etwas schneller als roter Phosphor, überzieht sich dabei aber mit einer farblosen, viskosen Flüssigkeitshaut aus Phosphorsäuren, so daß der weitere Sauerstoffzutritt verhindert, und eine Entzündung erschwert wird
Roter Phosphor
Eine Reihe amorpher und kristalliner Formen, mit Dichtevariationen zwischen 2,0 und 2,4 und Schmelzpunkten zwischen 585°C und 610°C werden unter der Bezeichnung roter Phosphor zusammengefasst. Gemeinhin ist roter Phosphor amorph, läßt sich aber durch Rekristallisation aus geschmolzenem Blei in den monoklinen Hittorfschen (violetten) Phosphor überführen, welcher eine dreidimensional vernetzte polymere Form bildet. Durch Kochen von weißem Phosphor in Phosphortribromid erhält man den scharlach roten Schneckschen Phosphor. Gewonnen wird roter Phosphor durch mehrstündiges Erhitzen von weißem Phosophor auf ca. 360°C.
Die Unterschiede zwischen den kristallinen Anteilen im roten Phosphor bedingen die verschiedenen Formen desselben. Einfluß haben hier die Korngröße, die Art des Gitters, Verunreinigungen und die verschiedenen Absättigungen der Randgruppen mit Halogenen, Sauerstoff und Hydroxylgruppen.
Eigenschaften
In üblichen Lösungsmitteln ist der rote Phosophor unlöslich. Seine Reaktivität liegt zwischen dem weißen und dem schwarzen Phosphor.
Roter Phosphor ist nicht selbstentzündend, neigt jedoch in Gegenwart starker Oxidationsmittel zu explosiven Reaktionen. Bezogen auf die Reaktivität gleicht der violette Phosphor eher dem schwarzen Phosphor, während sich der Schnecksche Phosphor sehr viel reaktionsfreudiger zeigt als "normaler" roter Phosphor.
Roter Phosphor kommt in Dichtevariationen zwischen 2,0 und 2,4 und Schmelzpunkten zwischen 585°C und 610°C vor.
Violetter/Hittorfscher Phosphor
Entsteht bei Erhitzung von Weißen Phosphor über 1-2 Wochen bei einer Temperatur von 550°C. Es handelt sich um ein Nichtleiterpolymer welches unlöslich in CS2 ist.
Geschichte
Phosphor wurde 1669 von Hennig Brand, einem deutschen Apotheker und Alchemisten, entdeckt, als dieser Urin destillierte und der Rückstand glühte. Obwohl Phosphor zu dieser Zeit noch keine Verwendung, außer als Nachtlampe, fand wurde es mit Gold aufgewogen. Henning Brand wurde durch diesen Verkauf nicht reich und verkaufte das Herstellungsrezeptan einen Alchemisten, der hiermit ein Vermögen erwarb.
Gasförmige Modifikation
Wird Phosphor zum sieden gebracht, entseht Phosphorgas, dieses kommt nur molekular(immer zwei Phosphoratome zusammen) vor, um einen energieärmeren Zustand zu erreichen, nach der Lewisschreibweise hat Phosphorgas die gleiche Valenzelektronenverteilng wie Stickstoff.
Isotope
Phosphor hat nur ein stabiles Isotop : 31P, dies ist das einzige in der Natur vorkommende Isotop des Phosphor. Phosphor hat mehrere weitere Isotope, die allerding alle radioaktiv sind. Das Phosporisotop 33P hat mit 25,3 Tagen den längsten Halbwertszeit.Das Phosphrisotop 32P, welches auch radioaktiv ist, wird in Medizin und Forschung als Tracer benutzt, um Stoffwechselprozesse zu beobachten.
| Isotop | Halbwertzeit | Atomgewicht | Radioaktiver Zerfall |
| 28P | 270.3ms | 27.992 | ε |
| 29P | 4.14s | 28.981 | ε |
| 30P | 2.49m | 29.978 | ε |
| 31P | stabil | 30.973 | / |
| 32P | 14.26d | 31.973 | β- |
| 33P | 25.34d | 32.971 | β- |
| 34P | 12.43s | 33.973 | β- |
| 35P | 47.3s | 34.973 | β- |
| 36P | 5.6s | 35.978 | β- |
Vorkommen
In der Natur kommt Phosphor ausschießlich in gebundener Form, meist als Phosphate zu etwa 0,11% in der Erdkruste vor. Typisch vorkommende Mineralien sind etwa die Apatite Ca5(PO4)3(F,Cl,OH). Besonders der Fluorapatit und der mit CaCO3 durchsetzte Phosphorit stellen ökonomisch die wichtigsten Phosphate dar. Darüberhinaus finden sich weitere phosphorhaltige Mineralien, wie z.B.: Wavellit Al3(PO4)(F,OH) · 5H2O, der Vivianit Fe3(PO4)2 · 8H2O und der Türkis CuAl6[(PO4)(OH2)]4 · 4H2O.
Von den weltweit per anno geförderten ca. 100 Mio.t an Rohphosphat werden etwa 90% zu Herstellung von Phosphordüngemitteln verwendet.
Gewinnung
In Elektroöfen werden Apatit oder Phosphorit bei ca. 1450 °C in Gegenwart von Kohle und Siliciumdioxid zu weißem Phosphor reduziert. Der entweichende, gasförmige Phosphor wird kondensiert und unter Wasser gesammelt.
Verwendung
Der größte Teil des hergestellten weißen Phosphors (80%) werden zu Phosphor(V)-Oxid verbrannt, welches als Ausgangsmaterial für die Phosphorsäure herstellung sowie für die Darstellung verschiedener Phosphate verwendet wird. Ein weiterer Teil wird zu Phosphortriclorid PCl3 und Phosphor(V)-sulfid P4S10 verarbeitet, die wiederum als Grundstoffe für die Herstellung von Flammschutzmitteln, Additiven, Weichmachern, und Pflanzenschutzmitteln dienen. Roter Phosphor findet Verwendung bei der Herstellung von Zündhölzern.
Biologische Bedeutung
Phosphroverbindungen sind für die Lebensfunktionen von allen Lebewesen essentiell. Anorganische Phosphorverbindungen sind Bestandteil der DNA- und RNA-Moleküle. Die Körperzellen benutzen anorganische Phosphorverbindungen um Zellenenergie über ATP zu transportieren.Hydroxyapatit(Ca5(PO4)3OH), welches einer der Hauptbestandteile der Gerüstsubstanz ist, die in Knochen und Zähnen vorkommt, ist eine weiter Phosphorverwendung.Phosphor ist ebenfalls ein wichtiger Baustein für das Protoplasma.
Reaktionen
Analytik
Der quantitative und qualitative Bestimmung von Phosphor erfolgt über das Orthophosphat, welches durch die Reaktion mit Ammoniummolybdat nachgewiesen wird. Gebundenes Phosphat wird hierzu ggf. durch oxidierenden Aufschluß in das Orthophosphat überführt. Die nachfolgend dargestellte Reaktion eignet sich auch für die gravimetrische Bestimmung des Phosphors.
Alternativ kann man Phosphor auch mit Magnesiumionen in ammoniakalischer Lösung als Magnesiumammoniumphosphat, oder im stark sauren Millieu mit Zirconylchlorid als Zirconiumphosphat qualitativ nachweisen. Volumetrische Phosphatbestimmungen werden durch Fällung mit La3+ oder mit Bi3+-Maßlösungen und anschließender Rücktitration mit EDTA durchgeführt.
Historisch ist die Mitscherlich Probe zum Nachweis von weißem Phosphor interessant, die allem voran bei vermuteten Phosphorvergiftungen eingesetzt wurde. Hierbei wird der Mageninhalt mit Wasser erhitzt, wobei der weiße Phosphor, der mit dem Wasserdampf flüchtig ist anschließend kondensiert und bei Berührung mit Luftsauerstoff durch ein Leuchten (Chemolumineszenz) in Erscheinung tritt.
Bei Strukturuntersuchungen von Verbindungen in denen Phosphor enthalten ist eignet sich die 31P-Kernresonanzspektroskopie.
Gefahren
Verbindungen
Allgemein:
- Phosphortrioxid, Phosphortetraoxid, Phosphorpentoxid
- Phosphinsäure, Phosohonsäure, Phosphorsäure, Peroxophosphorsäure
- Hydodiphosphonsäure, Diphosphonsäure, Hypodiphosphonsäure, Diphosphonsäure, Peroxodiphosphonsäure
- Phosphate, Phosphonate, Phosphinate
- Phosphorchloride
- Phosphorsulfide
- Phosphornitride
- Phosphane
- Hydroxyapatit,Fluorapatit,
In der organischen Chemie:
Siehe auch
Weblinks