1818 Dæmigerðir málmar, hálfmálmar og málmleysingjar

18.8 Tilvist, framleiðsla og eiginleikar fosfórs

Námsmarkmið

Að loknum þessum kafla munt þú geta:

lýsa eiginleikum, framleiðslu og notkun fosfórs

Fosfór er framleiddur í iðnaði með því að hita kalsíumfosfat, sem unnið er úr fosfatbergi, með sandi og kóki:

2Ca₃(PO₄)₂(s) + 6SiO₂(s) + 10C(s) ⟶ 6CaSiO₃(l) + 10CO(g) + P₄(g)    Δ

Fosfórinn gufar upp úr ofninum og er þéttur í fast efni eða brenndur og myndar P₄O₁₀. Framleiðsla margra annarra fosfórsambanda hefst á P₄O₁₀. Sýrurnar og fosfötin nýtast vel sem áburður og í efnaiðnaði. Önnur not eru við framleiðslu sérstakra málmblanda, svo sem járnfosfórs og fosfórbrons. Fosfór er mikilvægur við gerð skordýraeiturs, eldspýtna og sumra plastefna. Fosfór er hvarfgjarn málmleysingi. Í efnasamböndum hefur fosfór yfirleitt oxunarstigin₃−, 3+ og 5+. Fosfór sýnir oxunartölur sem eru óvenjulegar fyrir frumefni í flokki 15 í efnasamböndum sem innihalda fosfór-fosfórtengi; dæmi eru dífosfórtetrahýdríð, H₂P-PH₂, og fosfórtrísúlfíð, P₄S₃, sem sýnd eru á mynd 18.39.

Kúlu-og-stafalíkan er sýnt. Þrjár appelsínugular frumeindir merktar „P“ eru tengdar saman með eintengjum í þríhyrning. Hvert „P“ er eintengt við gular frumeindir merktar „S“, sem hver um sig er eintengd við eina aðra appelsínugula frumeind merkta „P“. — **Mynd 18.39.** P₄S₃ er hluti af hausum eldspýtna sem kvikna við núning við margs konar yfirborð.

Súrefnissambönd fosfórs

Fosfór myndar tvö algeng oxíð, fosfór(III)oxíð (eða tetrafosfórhexaoxíð), P₄O₆, og fosfór(V)oxíð (eða tetrafosfórdekaoxíð), P₄O₁₀, sem bæði eru sýnd á mynd 18.40. Fosfór(III)oxíð er hvítt, kristallað fast efni með hvítlaukslykt. Gufa þess er mjög eitruð. Það oxast hægt í lofti og kviknar þegar það er hitað í 70 °C; þá myndast P₄O₁₀. Fosfór(III)oxíð leysist hægt upp í köldu vatni og myndar fosfórsýrling, H₃PO₃.

Sýnd eru tvö kúlu-og-strik-líkön. Í vinstra líkaninu tengjast þrjár appelsínugular frumeindir, merktar „P“, með eintengi við rauðar frumeindir, merktar „O“, í sexhyrndri hringbyggingu þar sem frumeindirnar skiptast á. Hver appelsínugula frumeindin tengist einnig með eintengi við aðra rauða frumeind, sem aftur tengist með eintengi við eina appelsínugula frumeind. Hægra líkanið sýnir þrjár appelsínugular frumeindir, merktar „P“, sem tengjast með eintengi við rauðar frumeindir, merktar „O“, í sexhyrndri hringbyggingu þar sem frumeindirnar skiptast á. Hver appelsínugula frumeindin tengist einnig með eintengi við tvær aðrar rauðar frumeindir, eina sem vísar upp og aðra sem vísar út úr sameindinni. Rauðu frumeindirnar sem vísa upp tengjast með eintengi við eina appelsínugula frumeind sem tengist með eintengi við síðustu rauðu frumeindina. — **Mynd 18.40.** Þessi mynd sýnir sameindabyggingu P₄O₆ (til vinstri) og P₄O₁₀ (til hægri).

Fosfór(V)oxíð, P₄O₁₀, er hvítt duft sem er framleitt með því að brenna fosfór í umframmagni af súrefni. Myndunarvarmi þess er mjög hár (−2984 kJ), það er nokkuð stöðugt og mjög lélegt oxunarefni. Þegar P₄O₁₀ er látið falla í vatn heyrist hvæs, hiti myndast og ortófosfórsýra verður til:

P₄O₁₀(s) + 6H₂O(l) ⟶ 4H₃PO₄(aq)

Vegna mikillar vatnssækni er fosfór(V)oxíð afbragðs þurrkefni fyrir lofttegundir og leysiefni og til að fjarlægja vatn úr mörgum efnasamböndum.

Halógenefnasambönd fosfórs

Fosfór hvarfast beint við halógena og myndar þríhalíð, PX₃, og fimmhalíð, PX₅. Þríhalíðin eru mun stöðugri en samsvarandi þríhalíð köfnunarefnis. Fimmhalíð köfnunarefnis myndast ekki vegna þess að köfnunarefni getur ekki myndað fleiri en fjögur tengi.

Klóríðin PCl₃ og PCl₅, sem bæði eru sýnd á mynd 18.41, eru mikilvægustu halíð fosfórs. Fosfórtríklóríð er litlaus vökvi sem er framleiddur með því að leiða klór yfir bráðinn fosfór. Fosfórpentaklóríð er beinhvítt fast efni sem er framleitt með því að oxa tríklóríðið með umframmagni af klór. Pentaklóríðið þurrgufar við hitun og myndar jafnvægi við tríklóríðið og klór.

Sýnd eru tvö kúlu-og-strik-líkön. Í vinstra líkaninu tengist appelsínugul frumeind, merkt „P“, með eintengi við þrjár grænar frumeindir, merktar „Cl“. Hægra líkanið sýnir appelsínugula frumeind, merkta „P“, sem tengist með eintengi við fimm grænar frumeindir, merktar „Cl“. — **Mynd 18.41.** Þessi mynd sýnir sameindabyggingu PCl₃ (til vinstri) og PCl₅ (til hægri) í gasfasa.

Líkt og flest önnur halíð málmleysingja hvarfast bæði fosfórklóríðin við umframmagn af vatni og mynda vetnisklóríð og súrefnissýru: PCl₃ myndar fosfórsýrling, H₃PO₃, og PCl₅ myndar fosfórsýru, H₃PO₄.

Fimmhalíð fosfórs eru Lewis-sýrur vegna tómra d-gildissvigrúma fosfórs. Þessi efnasambönd hvarfast auðveldlega við halíðjónir (Lewis-basa) og mynda anjónina PX₆⁻. Þótt fosfórpentaflúoríð sé sameindaefni í öllum fösum sýna röntgenrannsóknir að fast fosfórpentaklóríð er jónaefni, [PCl₄⁺][PCl₆⁻], líkt og fosfórpentabrómíð, [PBr₄⁺][Br⁻], og fosfórpentajoðíð, [PI₄⁺][I⁻].