FOSFOR: SEJARAH, SIFAT, STRUKTUR, MEMPEROLEH, PENGGUNAAN - KIMIA - 2026

The phosphor adalah unsur bukan logam yang diwakili oleh simbol P kimia dan mempunyai nombor atom 15. Ia mempunyai tiga bentuk alotrop utama: putih, fosforus merah dan hitam. Fosfor putih berwarna fosforus, terbakar secara spontan apabila terkena udara, dan juga sangat beracun.

Fosfor putih pada suhu 250 ºC menjadi fosfor merah; bentuk polimer yang tidak larut dan tidak terbakar di udara. Pada suhu dan tekanan tinggi, dan juga dengan adanya atau tidak pemangkin, fosfor hitam diperoleh, yang serupa dengan grafit dan merupakan pengalir elektrik yang baik.

Fosforus putih disimpan dalam botol dengan air. Sumber: W. Oelen

Fosfor diasingkan untuk pertama kalinya oleh H. Brand pada tahun 1669. Untuk ini dia menggunakan air kencing sebagai sumber unsur ini. Pada tahun 1770, W. Scheele mendapati bahawa dia juga dapat mengasingkan fosfor dari tulang.

Kemudian, kerana penciptaan tungku elektrik oleh J. Burgess Readman (1800), batuan fosfat menjadi sumber utama pengeluaran fosfor dari fluoroapatit mineral, yang terdapat di dalamnya.

Fosfor adalah unsur kedua belas yang paling banyak terdapat di kerak bumi, menyumbang 0.1% dari beratnya. Tambahan pula, ia adalah unsur keenam yang banyak terdapat dalam tubuh manusia; terutamanya tertumpu pada tulang dalam bentuk hidroksilapatit.

Oleh itu, ia adalah elemen penting bagi makhluk hidup, menjadi salah satu daripada tiga nutrien utama tumbuhan. Fosfor adalah bahagian struktur kimia asid nukleik; sebatian simpanan tenaga (ATP), koenzim; dan secara amnya, sebatian metabolisme.

Sejarah

- Penemuan

Dalam air kencing

Lukisan oleh Joseph Wright dari Derby yang menggambarkan penemuan fosforus. Sumber: Joseph Wright dari Derby

Fosfor diasingkan oleh Henning Brand pada tahun 1669, menjadi manusia pertama yang mengasingkan unsur. Brand adalah seorang alkemis Jerman dari Hamburg dan berjaya mendapatkan sebatian fosforus dari air kencing. Untuk melakukan ini, dia mengumpulkan air kencing dari 50 baldi dan membiarkannya terurai.

Brand kemudian menguap air kencing dan memperoleh residu kehitaman, yang disimpannya selama beberapa bulan. Untuk ini dia menambahkan pasir dan memanaskannya, berjaya menghilangkan gas dan minyak. Akhirnya, dia memperoleh pepejal putih yang bersinar hijau dalam gelap, yang disebutnya "api sejuk."

Istilah 'fosfor', secara kebetulan berasal dari kata Yunani "Phosphoros" yang bermaksud pembawa cahaya.

Brand tidak menerbitkan hasil percubaannya dan menjualnya kepada pelbagai ahli alkimia, termasuk: Johann Kraft, Kunckel Lowenstern, dan Wilhelm Leibniz. Mungkin ada di antara mereka yang melaporkan karya Brand ke Paris Academy of Sciences, sehingga menyebarkan penyelidikan mereka.

Walau bagaimanapun, Brand sebenarnya tidak mengasingkan fosfor, tetapi ammonia sodium fosfat. Pada tahun 1680, Robert Boyle memperbaiki prosedur Brand, di mana ia dapat memperoleh bentuk fosfor alotropik (P ₄ ).

Di tulang

Johan Gottlieb Gahn dan Carl Wihelm Scheele menetapkan pada tahun 1769 bahawa sebatian fosforus, kalsium fosfat, terdapat dalam tulang. Tulang yang mengalami kekalahan mengalami proses pencernaan dengan asid kuat, seperti asid sulfurik.

Kemudian produk pencernaan dipanaskan dalam bekas keluli dengan arang batu dan arang batu, sehingga memperoleh fosforus putih dengan penyulingan di retort. Tulang-tulang itu adalah sumber utama fosfor hingga tahun 1840, ketika diganti untuk tujuan ini oleh guano.

Di guano

Guano adalah campuran produk kotoran burung dan produk penguraian burung. Ia digunakan sebagai sumber fosforus dan baja pada abad ke-19.

- Pembangunan industri

Batu fosfat mula digunakan pada tahun 1850 sebagai sumber fosforus. Ini, bersama-sama dengan penemuan tungku elektrik untuk pengapuran batu oleh James Burgess Readman (1888), menjadikan PR sebagai bahan mentah utama untuk pengeluaran fosforus dan baja.

Pada tahun 1819, kilang mancis didirikan, memulakan pengembangan industri penggunaan fosforus.

Sifat fizikal dan kimia

Penampilan

Bergantung pada bentuk alotropik, warnanya tidak berwarna, berwarna putih, kuning, merah, merah, ungu, atau hitam.

Berat atom

30,973 u

Nombor atom (Z)

lima belas

Takat lebur

Fosforus putih: 44.15 ºC

Fosforus merah: ~ 590 ºC

Takat didih

Fosforus putih: 280.5 ºC

Ketumpatan (suhu bilik)

Putih: 1,823 g / cm ³

Merah: 2.2-2.34 g / cm ³

Violet: 2.36 g / cm ³

Hitam: 2,69 g / cm ³

Panas pelakuran

Fosforus putih: 0,66 kJ / mol

Haba pengewapan

Fosforus putih: 51.9 kJ / mol

Kapasiti kalori molar

Fosforus putih: 23.824 J / (mol.K)

Keadaan pengoksidaan

-3, -2, -1, +1, +2, +3 , +4 dan +5

Bergantung pada elektronegativiti unsur-unsur yang digabungkan, fosforus dapat menunjukkan keadaan pengoksidaan +3 atau -3. Fosfor, tidak seperti nitrogen, cenderung bertindak balas dengan keadaan pengoksidaan +5; seperti kes fosforus pentoksida (P ₂ O ₅ atau P ₂ ⁵⁺ O ₅ ²⁺ ).

Elektronegativiti

2.19 pada skala Pauling

Tenaga pengionan

-Pertama: 1,101 kJ / mol

-Kedua: 2,190,7 kJ / mol

-Ketiga: 2,914 kJ / mol

Kekonduksian terma

Fosforus putih: 0,236 W / (mK)

Fosfor hitam: 12.1 W / (mK)

Ini ditunjukkan bagaimana fosforus hitam melakukan haba hampir enam kali lebih banyak daripada fosfor putih.

Susunan magnet

Fosfor putih, merah, ungu dan hitam adalah diamagnetik.

Isotop

Fosfor mempunyai 20 isotop, yang utama adalah: ³¹ P, satu-satunya isotop stabil dengan kelimpahan 100%; Pemancar isotop ³² P β ^- dan dengan jangka hayat 14.28 hari; dan ³³ P, isotop pemancar β ^- dan dengan jangka hayat 25.3 hari.

Fosforensi

Fosfor putih adalah fosforen dan memancarkan cahaya hijau dalam gelap.

Perubahan allotropik

Fosfor putih tidak stabil dan berubah pada suhu mendekati 250ºC kepada bentuk polimerik yang dikenali sebagai fosfor merah, yang boleh berubah dari warna oren hingga ungu. Ia adalah bahan amorf, tetapi boleh menjadi kristal; ia tidak bersinar dalam gelap atau terbakar di udara.

Fosfor putih pada suhu dan tekanan tinggi, atau dengan adanya pemangkin, berubah menjadi bentuk polimerik selain fosfor merah: fosfor hitam. Ini adalah bahan kristal berwarna hitam, lengai, serupa dengan grafit, dan mempunyai kemampuan untuk mengalirkan elektrik.

Keterlarutan

Fosfor putih dalam bentuk tulen tidak larut dalam air, walaupun dapat larut dalam karbon sulfida. Sementara itu, fosfor merah dan hitam tidak larut dalam air dan kurang mudah menguap daripada fosfor putih.

Kereaktifan

Fosfor terbakar secara spontan di udara untuk membentuk P ₂ O _5, yang pada gilirannya dapat bertindak balas dengan tiga molekul air untuk membentuk asid ortofosforik atau fosforik (H ₃ PO ₄ ).

Melalui tindakan air panas, fosfin (PH ₃ ) dan fosforus oksida berasal .

Asid fosforik bertindak pada batuan fosfat menyebabkan kalsium fosfat dihidrogen atau superfosfat.

Ia boleh bertindak balas dengan halogen untuk membentuk halida PX ₃ , dengan X mewakili F, Cl, Br atau I; atau halida dengan formula PX ₅ , di mana X ialah F, Cl atau Br.

Begitu juga, fosforus bertindak balas dengan logam dan logam untuk membentuk fosfida, dan dengan sulfur untuk membentuk pelbagai sulfida. Sebaliknya, ia mengikat oksigen untuk menghasilkan ester. Dengan cara yang sama, ia bergabung dengan karbon untuk membentuk sebatian fosforus organik.

Struktur dan konfigurasi elektronik

- Unit pautan dan tetrahedral

Atom fosfor mempunyai konfigurasi elektronik berikut:

3s ² 3p ³

Oleh itu, ia mempunyai lima elektron valensi, seperti nitrogen dan unsur-unsur lain dari kumpulan 15. Oleh kerana ia adalah unsur bukan logam, atomnya perlu membentuk ikatan kovalen sehingga oktet valensi selesai. Nitrogen mencapainya dengan menetapkan dirinya sebagai molekul diatomik N ₂ , dengan ikatan tiga, N≡N.

Perkara yang sama berlaku dengan fosforus: dua atom Pnya terikat dengan ikatan tiga untuk membentuk molekul P ₂ , P≡P; iaitu allotrope difosforus. Walau bagaimanapun, fosforus mempunyai jisim atom yang lebih tinggi daripada nitrogen, dan orbitnya 3p, lebih meresap daripada 2p nitrogen, bertindih kurang berkesan; oleh itu, P ₂ hanya wujud dalam keadaan gas.

Sebaliknya, pada suhu bilik atom P lebih suka menyusun kovalen dengan cara lain: dalam molekul tetrahedral P ₄ :

Unit molekul P4 dalam kristal fosforus putih. Sumber: Benjah-bmm27 melalui Wikipedia.

Perhatikan bahawa dalam gambar di atas semua atom P mempunyai tiga ikatan tunggal dan bukannya satu ikatan tiga. Oleh itu, fosfor dalam P ₄ melengkapkan oktet valensinya. Walau bagaimanapun, dalam P ₄ terdapat ketegangan pada ikatan PP, kerana sudut mereka jauh dari 109.5º hingga mata kasar.

- Allotrop

Fosforus putih

Imej yang sama dari unit P ₄ dan ketidakstabilannya menjelaskan mengapa fosforus putih adalah allotrope unsur yang paling tidak stabil.

Unit P ₄ disusun dalam ruang untuk menentukan kristal bcc (fasa α) dalam keadaan normal. Apabila suhu turun ke -77.95 ºC, kristal bcc berubah menjadi hcp (mungkin), lebih padat (fasa β). Iaitu, unit P ₄ disusun dalam dua lapisan bergantian, A dan B, untuk membentuk urutan ABAB ….

Fosforus merah

Struktur seperti rantai untuk fosforus merah. Sumber: Gabriel Bolívar.

Dalam gambar di atas, hanya sebilangan kecil struktur fosforus merah yang ditunjukkan. Oleh kerana ketiga-tiga unit tersebut diselaraskan "simetris", dapat dikatakan bahawa ia adalah struktur kristal, yang diperoleh dengan memanaskan fosfor ini di atas 250 ºC.

Walau bagaimanapun, fosforus merah terdiri daripada pepejal amorfus, sehingga strukturnya tidak kemas. Kemudian, rantai polimer P _{4 akan} disusun tanpa corak yang jelas, beberapa di atas dan yang lain di bawah satah sewenang-wenangnya.

Perhatikan bahawa ini adalah perbezaan struktur utama antara fosfor putih dan merah: pada yang pertama, P _4s dijumpai secara individu, dan yang kedua, membentuk rantai. Ini mungkin berlaku kerana salah satu ikatan PP di dalam tetrahedron terputus untuk mengikat tetrahedron yang berdekatan. Oleh itu, ketegangan cincin dikurangkan dan fosfor merah memperoleh kestabilan yang lebih besar.

Apabila terdapat campuran kedua-dua alotrop, ia ditawarkan kepada mata sebagai fosfor kuning; campuran rantai fosforus tetrahedra dan amorf. Sebenarnya, fosforus putih menjadi kekuningan ketika terkena sinar matahari, kerana sinarannya menyukai pemutusan ikatan PP yang telah disebutkan.

Fosfor Violet atau Hittorf

Struktur molekul fosforus ungu. Sumber: Kadmium di Wikipedia Inggeris

Fosfor violet adalah evolusi terakhir fosforus merah. Seperti yang dapat dilihat pada gambar di atas, ia masih terdiri daripada rantai polimer; tetapi sekarang strukturnya lebih rumit. Nampaknya unit struktur tidak lagi P ₄ tetapi P ₂ , disusun sedemikian rupa sehingga mereka membentuk cincin pentagonal yang tidak teratur.

Walaupun strukturnya tidak simetri, rantai polimer ini berjaya mengatur diri dengan cukup baik dan secara berkala untuk fosfor violet membentuk kristal monoklinik.

Fosforus hitam

Struktur fosfor hitam dilihat dari pelbagai sudut. Sumber: Benjah-bmm27.

Dan akhirnya kita mempunyai allotrope fosforus yang paling stabil: yang hitam. Ia disediakan dengan memanaskan fosforus putih di bawah tekanan 12,000 atm.

Pada gambar atas (di bawah), dapat dilihat bahawa strukturnya, dari satah yang lebih tinggi, mempunyai kemiripan tertentu dengan struktur grafit; ia adalah rangkaian cincin heksagon semata-mata (walaupun kelihatan seperti kotak).

Di sudut kiri atas gambar, apa yang baru sahaja dikomentari dapat lebih dihargai. Lingkungan molekul atom P adalah piramid trigonal. Perhatikan bahawa struktur yang dilihat dari sisi (sudut kanan atas), disusun dalam lapisan yang sesuai satu sama lain.

Struktur fosfor hitam cukup simetris dan teratur, yang selaras dengan kemampuannya untuk menjadikan dirinya sebagai kristal ortorhombik. Penumpukan lapisan polimerinya menjadikan atom P tidak dapat digunakan untuk banyak tindak balas kimia; dan itulah sebabnya ia sangat stabil dan tidak terlalu reaktif.

Walaupun perlu disebutkan, kekuatan penyebaran London dan massa molar pepejal fosforus inilah yang mengatur beberapa sifat fizikal mereka; sementara struktur dan ikatan PPnya, menentukan sifat kimia dan sifat lain.

Di mana mencari dan mendapatkan

Apatit dan fosforit

Ini adalah unsur kedua belas kerak bumi dan mewakili 0.1% dari beratnya. Terdapat kira-kira 550 mineral yang mengandungi fosforus, apatite menjadi mineral terpenting untuk mendapatkan fosforus.

Apatite adalah mineral fosfor dan kalsium yang dapat mengandungi sejumlah besar fluor, klorida dan hidroksida, yang rumusnya adalah sebagai berikut:. Selain apatite, terdapat mineral fosfor lain yang penting komersial; seperti kes wavelite dan vivianita.

Batu fosfat atau fosforit adalah sumber utama fosforus. Ini adalah batuan sedimen non-detrital yang mempunyai kandungan fosfor 15-20%. Fosfor biasanya terdapat dalam Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ F ₂ (fluoroapatite). Ia juga hadir sebagai hidroksiapatit, walaupun pada tahap yang lebih rendah.

Selain itu, fluoroapatite dapat dijumpai sebagai bahagian batuan igneus dan metamorf, serta batu kapur dan skist.

Pengurangan elektroterma fluoroapatit

Batu fosfat yang dipilih dipindahkan ke loji rawatan untuk diproses. Pada mulanya, mereka dihancurkan untuk mendapatkan serpihan batu yang kemudian digiling di pabrik bola pada 70 putaran seminit.

Kemudian, produk pengisaran serpihan batu diayak sehingga dapat memisahkannya. Pecahan-pecahan tersebut dengan kandungan fosfor 34% dipilih sebagai pentoksida fosforus (P ₂ O ₅ ).

Fosfor putih (P ₄ ) diperoleh secara industri dengan pengurangan elektroterma fluoroapatit dengan karbon pada suhu 1,500 ºC dengan adanya silikon oksida:

2Ca ₃ (PO ₄ ) ₂ (6) SiO ₂ (10) => P ₄ (g) + CaSiO ₃ (l) + CO (g)

P ₄ dalam keadaan gas, setelah pemeluwapan, dikumpulkan dan disimpan sebagai pepejal putih yang terendam di dalam air untuk mencegahnya bereaksi dengan udara luaran.

Aloi

Tembaga

Penutup fosfor dihasilkan dengan peratusan tembaga dan fosforus yang berbeza: Cu 94% - P 6%; Cu 92% - P 8%; Cu 85% - P 15%, dll. Aloi ini digunakan sebagai penyahtoksid, agen pembasah untuk industri tembaga dan juga sebagai nukleat dalam industri aluminium.

Gangsa

Mereka adalah tembaga, fosforus dan aloi timah yang mengandungi 0,5 - 11% fosforus dan 0,01 - 0,35% timah. Timah meningkatkan daya tahan terhadap kakisan, sementara fosforus meningkatkan daya tahan aloi dan memberikan ketegaran.

Ia digunakan dalam pembuatan mata air, baut dan, secara umum, dalam artikel yang memerlukan ketahanan terhadap keletihan, keausan dan kakisan kimia. Penggunaannya disarankan pada baling-baling kapal.

Berlapis nikel

Aloi yang paling terkenal ialah NiP ₂₀ , dengan nikel fosfor digunakan dalam aloi tembaga untuk meningkatkan ketahanannya terhadap hakisan kimia, pengoksidaan dan suhu tinggi.

Aloi ini digunakan dalam komponen turbin gas dan mesin jet, penyaduran elektrik, dan dalam pengeluaran elektrod kimpalan.

Risiko

Fosfor putih menyebabkan luka bakar kulit yang teruk dan merupakan racun kuat yang boleh membawa maut pada dos 50 mg. Fosfor menghalang oksidasi sel, mengganggu pengurusan oksigen selular, yang boleh menyebabkan degenerasi lemak dan kematian sel.

Keracunan fosforus akut menghasilkan sakit perut, terbakar, nafas berbau bawang putih, muntah fosforen, berpeluh, kekejangan otot, dan juga keadaan kejutan dalam empat hari pertama pengambilan.

Kemudian, penyakit kuning, petechiae, pendarahan, penglibatan miokard dengan aritmia, perubahan sistem saraf pusat dan kematian pada hari kesepuluh setelah pengingesan ditunjukkan.

Manifestasi keracunan fosforus kronik yang paling jelas adalah kerosakan pada struktur tulang rahang.

Peningkatan kepekatan fosforus plasma (hiperfosfatemia), biasanya terjadi pada pesakit dengan gagal ginjal. Ini menyebabkan deposit fosfat yang tidak normal dalam tisu lembut, yang boleh menyebabkan disfungsi vaskular dan penyakit kardiovaskular.

Permohonan

Fosfor adalah elemen penting untuk tumbuh-tumbuhan dan haiwan. Ini adalah salah satu daripada tiga nutrien utama tumbuhan, yang diperlukan untuk keperluan pertumbuhan dan tenaga mereka. Di samping itu, ia adalah sebahagian daripada asid nukleik, fosfolipid, produk perantaraan proses metabolik, dll.

Pada vertebrata, fosforus terdapat pada tulang dan gigi dalam bentuk hidroksilapatit.

- Fosforus unsur

Kotak mancis atau "padanan". Sumber: Pxhere.

Dengan fosforus, enamel kimia dibuat yang digunakan untuk menerangi tanda-tanda yang diletakkan pada aluminium dan aloi-aloinya; serta dalam tembaga fosfor dan gangsa.

Itu juga digunakan untuk membuat bom pembakar, bom tangan, bom asap, dan peluru pelacak. Fosfor merah digunakan dalam membuat pertandingan atau pertandingan keselamatan.

Fosforus putih digunakan untuk membuat organofosfat. Di samping itu, ia digunakan dalam penghasilan asid fosforik.

Sebilangan besar fosforus yang dihasilkan dibakar untuk pengeluaran fosforus tetraoksida (P ₄ O ₁₀ ), yang diperoleh sebagai serbuk atau pepejal.

- Sebatian

Fosfin

Ini adalah bahan mentah untuk menguraikan pelbagai sebatian fosforus. Ia bertindak sebagai agen doping untuk komponen elektronik.

Asid fosforik

Ia digunakan dalam penghasilan minuman ringan kerana ciri khas yang diberikan kepada mereka. Ia bertindak pada batuan fosfat untuk membentuk kalsium fosfat dihidrogen, juga dikenal sebagai superfosfat, yang digunakan sebagai baja.

Asid fosforik adalah elemen pelindung enamel gigi untuk memudahkan lekatan bahan pemulihan anda. Ia juga digunakan, dicampur dengan minyak, urea, tar, bitumen dan pasir, untuk membentuk aspal; bahan yang digunakan dalam pembaikan laluan komunikasi darat.

Organofosfat

Sebatian organofosfat mempunyai banyak aplikasi; seperti: tahan api, racun perosak, agen pengekstrakan, agen tindakan saraf dan untuk rawatan air.

Dihidrogen kalsium fosfat dihidrat

Ini digunakan sebagai baja, serbuk penaik, aditif makanan ternak, dan dalam pembuatan pasta gigi.

Fosforus pentoksida

Ia digunakan dalam analisis kimia sebagai agen penyahhidratan dan dalam sintesis organik sebagai agen pemeluwapan. Sebatian ini terutamanya bertujuan untuk pengeluaran asid ortofosfat.

Natrium tripolifosfat

Ia digunakan dalam deterjen dan sebagai pelembut air, yang meningkatkan tindakan pencuci dan membantu mencegah kakisan paip.

Trisodium fosfat

Ia digunakan sebagai agen pembersih dan pelembut air.

Natrium fosfat

Dibasic sodium phosphate (Na ₂ HPO ₄ ) dan monobasic sodium phosphate (NaH ₂ PO ₄ ) adalah komponen sistem penimbunan pH, yang bahkan bertindak pada makhluk hidup; termasuk manusia.

Rujukan

1. Reid Danielle. (2019). Allotropes of Phosphorus: Bentuk, Kegunaan & Contohnya. Kaji. Dipulihkan dari: study.com
2. Prof Robert J. Lancashire. (2014). Kuliah 5c. Struktur unsur, sambung P, S dan I. Dipulihkan dari: chem.uwimona.edu.jm
3. BYJU. (2019). Fosforus Merah. Dipulihkan dari: byjus.com
4. Bing Li, Ceng-Ceng Ren, Shu-Feng Zhang, et al. (2019). Sifat Elektronik dan Sifat Optik Fosfor Biru Multilayer: Kajian Prinsip Pertama. Jurnal Nanomaterials, vol. 2019, ID Artikel 4020762, 8 halaman. doi.org/10.1155/2019/4020762
5. Dough Stewar Dr. (2019). Fakta Unsur Fosforus. Chemicool. Dipulihkan dari: chemicool.com
6. Wikipedia. (2019). Fosforus. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (03 Julai 2019). Fakta Fosforus (Nombor Atom 15 atau Simbol Unsur P). Dipulihkan dari: thinkco.com
8. Institut Linus Pauling. (2019). Fosforus. Dipulihkan dari: lpi.oregonstate.edu
9. Bernardo Fajardo P. & Héctor Lozano V. (nd). Pemprosesan batu fosfat nasional untuk pengeluaran superfosfat. . Dipulihkan dari: bdigital.unal.edu.co
10. Pengarang Ensiklopedia Britannica. (16 November 2018). Unsur Kimia Fosforus. Encyclopædia Britannica. Dipulihkan dari: britannica.com
11. Reade International Corp. (2018). Aloi Tembaga Fosforus (CuP). Dipulihkan dari: reade.com
12. Gabungan KBM. (27 Disember 2018). Paduan Induk Nikel Fosfor (NiP). AZoM. Dipulihkan dari: azom.com
13. Lenntech BV (2019). Jadual berkala: fosforus. Dipulihkan dari: lenntech.com
14. Abhijit Naik. (21 Februari 2018). Fosforus menggunakan. Dipulihkan dari: sciencestruck.com