|
Phosphor
Vorkommen
Phosphor kommt in der Natur nicht elementar, sondern wegen seiner hohen Sauerstoffaffinität nur in gebundenem Zustand in Form von Phosphaten vor, z.B. in den Mineralien wie Apatit und Phosphorit. Phosphor kommt als Hydroxylapit in den Knochen und Zähnen der Wirbeltiere vor.
Eigenschaften
Wie Schwefel und Kohlenstoff tritt in verschiedenen Modifikationen auf, die ineinander umwandelbar sind:
a) Weißes Phosphor ist eine wachsweiche, milchig-durchscheinende Masse (Smp. 44°C) aus P4-Molekülen, die zu einem Tetraeder angeordnet sind. Er ist Ausgangsstoff für die Darstellung aller anderen Phosphormodifikationen. Er entzündet sich bei ca. 50°C an der Luft, wobei er im Dunklen bläulich leuchtet (Chemilumineszenz) und verbrennt zu Phosphorpentoxis P4O10 . Er muss deshalb unter Wasser aufbewahrt werden. Weißer Phosphor ist sehr giftig und die reaktivste Phosphormodifikation.
b) Roter Phosphor ist ein dunkelrotes, ungiftiges, amorphes Pulver, das sich nicht selbst entzündet und weniger reaktiv ist als weißer Phosphor. Er entsteht aus weißem Phosphor beim erhitzen auf ca. 300°C. Die Umwandlung wird durch Halogene beschleunigt.
c) Violetter Phosphor entsteht beim Erhitzen von schwarzem Phosphor auf über 550°C. Wie der rote Phosphor ist er ungiftig und aus einem komplizierten Schichtengitter aufgebaut.
d) Schwarzer Phosphor entsteht aus weißem Phosphor bei hohen Temperaturen und sehr hohem Druck (200°C, 12000 bar). Er ist ungiftig, ein Halbleiter und ist aus Schichten aufgebaut wie der Graphit.
Darstellung
Weißer Phosphor P4 wird als die technisch wichtigste Modifikation aus Calciumphosphat (in Form von Fluorapit 3 Ca3(PO4)2 * CaF2) durch Umsetzung mit Koks und Quarzsand bei 1400-1500°C im Lichtbogenofen hergestellt:
2 Ca3(PO4)2 + 10 C + 6 SiO2 -> CaSiO3 + 10 CO + P4
Es entsteht eine Calciumsilicatschlacke, Kohlenmonoxid und gasförmiger Phosphor.
Verwendung
Weißer Phosphor ist Ausgangsstoff für die Herstellung vieler Phosphorverbindungen, vor allem reiner Phosphorsäure H3PO4 und ihren Salzen, den Phosphaten, die in der Düngemittelfabrikation Verwendung finden. Roter Phosphor wird als Reibfläche für Zündholzschachteln verwendet.
Phosphorverbindungen
Phosphorpentoxid
Phosphorpentoxid P4O10 entsteht bei der Verbrennung von weißem Phosphor an der Luft:
P4 + 5 O2 -> P4O10
Es ist ein ganz weißes Pulver, das stark hygroskopisch (wasserentziehende) wirkt und deshalb als Trockenmittel verwendet wird. Phosphorpentoxid ist das Anhydrid der Phosphorsäure.
Phosphorsäure
Eigenschaften
Phosphorsäure H3PO4 bildet farblose Kristalle (Smp. 42°C). die sich gut im Wasser lösen und eine Dichte von 1,9 g/cm³ besitzen. In den Handeln kommt konzentrierte Phosphorsäure als sirupartige 85%ige Lösung. Phosphorsäure ist eine mittelstarke, dreibasige Säure, die in wässriger Lösung in drei Stufen dissoziiert:
1. H3PO4 + H2O -> H2PO4- + H3O+ (Dihydrogenphosphat)
2. H2PO4- + H2O -> HPO42- + H3O+ (Hydrogenphosphat)
3. HPO42- + H2O -> PO43- + H3O+ (Phosphat)
Phosphorsäure kann dementsprechend drei Reihen von Salzen bilden.
Darstellung und Verwendung
Phosphorsäure wird aus weißem Phosphor hergestellt, der mit Luft zu Phosphorpentoxid verbrannt wird.
P4 + 5 O2 -> P4O10
Das entstandene Gas wird in 75-85%iger Phosphorsäure eingeleitet und absorbiert.
P4O10 + 4 H2O -> 4 H3PO4
Die Konzentration der Säure wird durch Wasserzugabe ausgeglichen. Man erhält eine 85%ige konzentrierte Phosphorsäure. Der größte Teil der Phosphorsäure wird zu Düngemitteln und in der Waschmittelindustrie verwendet. Wegen ihrer milden sauren Wirkung wird Phosphorsäure, die ungiftig ist, als Säuerungsmittel, z. B. in Limonade, eingesetzt.
Phosphate
Als dreibasige Säure kann Phosphorsäure drei Arten von Salzen bilden: die Dihydrogenphosphate (primäre Phosphate) mit dem Anion H2PO4-, die Hydrogenphosphate (sekundäre Phosphate) mit dem Anion HPO42- und die Phosphate (tertiäre Phosphate) mit dem Anion PO4H3-.
Phosphathaltige Düngemittel
Neben den Nichtmetallen Stickstoff und Schwefel und den Metallen Kalium, Calcium, Magnesium und Eisen benötigen die Pflanzen auch Phosphor zum Wachsen und Gedeihen. Von diesen Stoffen müssen nach der Ernte hauptsächlich Stickstoff, Kalium und Phosphor in Form von Düngemitteln dem Boden zugefügt werden. Die übrigen Nährstoffe sind meist in genügender Menge im Boden enthalten.
Als Düngemittel werden die Salze der Phosphorsäure verwendet. Wichtige zur Düngung verwendete Phosphate sind Superphosphat, Doppelsupersulfat und Ammoniumhydrogenphosphat. Thomasphosphat ist gemahlene Schlacke, die bei der Verhüttung von phosphorhaltigen Eisenerzen anfällt.
|
