History of the Discovery of the Allotropic Modifications of Phosphorus История открытия аллотропных модификаций фосфора В.А. Красицкий

Фосфор в роли азота

Химики-органики получили огромное количество соединений, в состав которых входят водород и элементы второго периода Периодической системы - углерод, азот, кислород. Не отстают от них и специалисты в области химии элементоорганических соединений, которые, как правило, вводят в состав классического органического соединения заместители, содержащие элементы старших периодов, например кремний или фосфор. Элементоорганические заместители, бесспорно, придают соединениям широкий спектр практически полезных свойств, однако сегодня известно мало примеров, когда гетероатомы выступают в роли более тяжелых аналогов классических C, N, O в гетероциклических ароматических системах. Исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха пополнили этот список, синтезировав фосфорсодержащий аналог циануровой кислоты («Angewandte Chemie Int. Ed.», 2017, 56, 5, 1356-1360, doi: 10.1002/anie.201610156).

Шестичленный гетероцикл, циануровую кислоту - C 3 N 3 (OH) 3 и ее производные часто применяют в качестве агентов для сшивки полимеров, а также для получения гербицидов, красителей и других полезных химикатов. Исследователи из группы Хансйорга Грютцмахера уверены, что фосфорсодержащий аналог циануровой кислоты C 3 P 3 (OH) 3 (он же трифосфабензол или 2,4,6-три(гидрокси)-1,3,5-трифосфинин) сможет найти применение в тех же областях, став основой для синтеза фосфорсодержащих полимеров, а возможно, и лигандом для комплексов переходных металлов.

Циануровая кислота - одно из первых органических соединений, синтезированных в лаборатории. В 1829 году ее получил тримеризацией изоциановой кислоты HNCO Фридрих Вёлер. Это произошло всего лишь год спустя после того, как тот же Вёлер синтезировал мочевину из неорганических веществ. Сегодня промышленный способ получения циануровой кислоты основан на пиролизе мочевины, и он так прост, а ее роль настолько велика, что химиков давно интересовал ее более тяжелый аналог, в котором все атомы азота были бы замещены атомами фосфора. Однако до Грютцмахера с соавторами это никому не удавалось.

Исследователи из Швейцарии (возможно, как и многие до них) сперва полагали, что фосфорсодержащий аналог циануровой кислоты удастся получить, тримеризуя исходное соединение HPCO, но все попытки кончались неудачей. Тогда они изменили тактику и методом проб и ошибок выяснили, что взаимодействие натриевой соли Na(OCP) и борорганического соединения приводит к борзамещенному фосфаалкину, тримеризация которого дает мультиграммовые количества соединения с циклом C 3 P 3 . Дальнейшая обработка борсодержащего интермедиата трет-бутанолом позволила получить целевое соединение C 3 P 3 (OH) 3 .

Хосе Гойкоэчеа из Оксфордского университета, в группе которого в 2013 году впервые получили фосфорсодержащий аналог мочевины, H 2 PC(O)NH 2 («Journal of the American Chemical Society», 2013, 135, 51, 19131-19134, doi: 10.1021/ja4115693), заявляет, что его коллеги из Цюриха совершили прорыв и наверняка у них будут многочисленные последователи.

У Грютцмахера с коллегами пока нет планов коммерциализации фосфорсодержащего аналога циануровой кислоты. Исследователи в первую очередь хотят изучить возможность применения ароматического C 3 P 3 (OH) 3 , его бор- и кремнийсодержащих производных в качестве π-акцепторных лигандов и попробовать получить комплексы переходных металлов.

В темной комнате или ночью на улице попробуйте сделать такой простой опыт. Не очень сильно, так, чтобы не загорелась спичка, чиркните ею по спичечной коробке. Вы заметите, что некоторое время на терке будет виден светящийся путь от спички. Это светится белый фосфор. Но каждый, кто помнит уроки химии средней школы, может сказать: «Позвольте, в производстве спичек применяется красный, а не белый фосфор». Правильно! В терке спичечной коробки белого фосфора нет, есть красный, который в результате реакции, происходящей между красным фосфором, находящимся на поверхности спичечной коробки, и бертолетовой солью, заключенной в спичечной головке, в момент трения нагревается и в небольшом количестве переходит в белый.

Фосфор может существовать в нескольких формах, или, как говорят, в нескольких модификациях.

Белый фосфор — твердое кристаллическое вещество, причем в химически чистом виде кристаллы белого фосфора совершенно бесцветны, прозрачны и очень хорошо преломляют свет. На свету они быстро желтеют и утрачивают прозрачность. Поэтому в обычных условиях фосфор внешне очень похож на воск, но тяжелее его (плотность белого фосфора 1,84). На холоду фосфор хрупок, но при комнатной температуре сравнительно мягок и легко режется ножом. При 44° С белый фосфор плавится, а при 280,5° С кипит. Белый фосфор, окисляясь кислородом воздуха, светится в темноте и легко воспламеняется при слабом нагревании, например от трения.

Температура воспламенения совершенно сухого и чистого фосфора близка к температуре человеческого тела. Поэтому его хранят только под водой. В первую мировую войну белый фосфор использовался в качестве зажигательного материала в артиллерийских снарядах, авиационных бомбах, гранатах, пулях.

Красный фосфор, в противоположность белому, или желтому, как его иногда называют, не ядовит, на воздухе не окисляется, в темноте не светится, в сероуглероде не растворяется и загорается только при 260°С. Красный фосфор получается из белого путем длительного нагревания без доступа воздуха при 250-300°С.

История открытия фосфора

Картина Джозефа Райта «Алхимик, открывающий фосфор» предположительно описывающая открытие фосфора Хеннигом Брандом

В поисках эликсира молодости и попытках получения золота алхимик XVII столетия Геннинг Бранд из Гамбурга пытался изготовить «философский камень» из мочи. Для этой цели он выпарил большое количество ее и полученный после упаривания сиропообразный остаток подверг сильному прокаливанию в смеси с песком и древесным углем без доступа воздуха.

В результате Бранд получил вещество, обладающее необыкновенными свойствами: оно светилось в темноте; брошенное в кипящую воду, выделяло пары, загоравшиеся на воздухе с выделением густого белого дыма, растворявшегося в воде с образованием кислоты.

Интерес к новому вещества был огромный, и Бранд надеялся извлечь из своего открытия изрядную прибыль: недаром он был в прошлом гамбургским купцом. Сохраняя способ изготовления в строжайшей тайне, Бранд показывал новое вещество за деньги, а желающим продавал его небольшими порциями только за чистое золото. Спустя некоторое время Бранд продал также и секрет изготовления фосфора дрезденскому химику Крафту, который, подобно Бранду, стал ездить по дворцам влиятельных особ, показывая фосфор за деньги, наживая огромное состояние.

Чудеса со свечением и воспламенением фосфора

После открытия фосфора его способность светиться в темноте была вновь использована, но для других целей. На этот раз фосфором стали промышлять представители религиозных культов. Рецепты использования фосфора были самые разнообразные. Например, в расплавленный, но уже загустевший воск или парафин добавляли небольшое количество белого фосфора. Из полученной смеси формовали карандаши, которыми делали надписи на стенах храмов и иконах. Ночью были видны «таинственные надписи». Фосфор, медленно окисляясь, светился, а парафин, защищая его от быстрого окисления, увеличивал продолжительность явления.

Растворяли белый фосфор в бензоле или сероуглероде. Полученным раствором смачивали фитили свечей или лампад. После испарения растворителя белый фосфор загорался, а от него воспламенялся фитиль. Так фабриковалось «чудо», именуемое «самовоспламенением свечей».

Блуждающие огни на болотах и кладбищах

Одним из интересных соединений фосфора является газообразный фосфин, особенность которого состоит в том, что он легко воспламеняется на воздухе. Это свойство фосфина объясняет появление болотных, блуждающих или могильных огней. Огни на болотах и свежих могилах действительно бывают. Это не фантазия и не выдумка. В теплые темные ночи на свежих могилах иногда наблюдаются бледно-голубоватые, слабо мерцающие огоньки. Это «горит» фосфин. Образуется фосфин при гниении отмерших растительных и животных организмов.

Один из самых распространенных элементов земной коры, в свободном состоянии не встречается из-за высокой химической активности. Он образует около 190 минералов.

Фосфор содержится во всех частях зеленых растений, еще больше его в плодах и семенах. Также содержится в животных тканях, входит в состав белков и других важнейших органических соединений (АТФ), является элементом жизни . В элементарном виде в обычных условиях представляет собой несколько устойчивых аллотропических модификаций (белый, красный, черный, металлический). Они различаются по цвету, плотности и другим физическим характеристикам. В организме фосфор сосредоточен главным образом в скелете, мышцах и нервной ткани.

Зачем нужно?

Является важнейшим биогенным элементом и, в то же время, находит широкое применение в промышленности. Красный фосфор применяют в производстве спичек. Так же используется в производстве взрывчатых веществ, зажигательных составов, топлив, противозадирных смазочных материалов. В сельском хозяйстве этот элемент востребован для создания удобрений.

Фосфор представлен в живых клетках в виде орто- и пирофосфорной кислот, входит в состав нуклеотидов, нуклеиновых кислот, фосфопротеидов, фосфолипидов, коферментов, ферментов. Кости человека состоят из гидроксилапатита, а в состав зубной эмали входит фторапатит. Основную роль в превращениях соединений фосфора в организме человека и животных играет печень. Обмен фосфорных соединений регулируется гормонами и витамином D . Большинство фосфорорганических соединений обладает биологической активностью, поэтому часть из них используется в качестве лекарств, другая — как средства борьбы с сельскохозяйственными вредителями.

Фосфор — важнейший элемент, входящий в состав белков, нуклеиновых кислот, костной ткани . Соединения фосфора принимают участие в обмене энергии (аденозинтрифосфорная кислота и креатинфосфат являются аккумуляторами энергии), с их превращениями связаны мышечная и умственная деятельность, жизнеобеспечение организма. Фосфор влияет на деятельность сердца и почек.

Из продуктов питания особенно богат фосфором желток куриных яиц. Относительно много фосфора находится в рыбе, хлебе, мясе, молоке и сыре. Еще больше фосфора находится в фасоли, горохе, овсяной, перловой и ячневой крупах, а также в ягодных культурах, орехах, петрушке, капусте, моркови, чесноке, шпинате.

Впервые фосфор открыл алхимик Хенниг Бранд из Гамбурга в 1669 году. Получив светящееся в темноте вещество, ученый назвал его сначала «холодным огнем». Вторичное название «фосфор» происходит от греческих слов «фос» — свет и «феро» — несу.

В теле человека содержится в среднем около 1,5 кг элемента: 1,4 кг приходится на кости, около 130 г — на мышцы и 12 г — на нервы и мозг. В составе костей фосфор главным образом представлен в виде фосфата кальция, а в зубная эмаль по составу и кристаллическому строению соответствует апатиту.

Суточная потребность человека в фосфоре 800—1500 мг. При его дифиците в организме развиваются различные заболевания костей. Для правильного питания важно соотношение фосфора с кальцием (2:3). При избытке первого может происходить выведение кальция из костей, при избытке второго — развиваться мочекаменая болезнь.

Необходимо быть внимательным при работе с фосфором. Белый фосфор весьма ядовит: вызывает поражение костей, костного мозга, некроз челюстей. Он растворим в липидах. Летальная доза этого вещества для взрослого мужчины составляет 0,05—0,1 г. Попадая на кожу, дает тяжелые ожоги. Ядовитость красного фосфора в тысячи раз меньше, чем у белого . Он почти нетоксичен. Но его пыль, попадая в легкие, вызывает пневмонию при хроническом действии. При остром отравлении этим веществом появляются жжение во рту и желудке, головная боль, слабость, рвота. А через 2—3 суток развивается желтуха. Для хронических форм характерны нарушение кальциевого обмена, поражение сердечно-сосудистой и нервной систем. В качестве первой помощи при остром отравлении необходимы промывание желудка, слабительное, очистительные клизмы, внутривенно растворы глюкозы. При ожогах пораженные участки кожи необходимо обработать пораженные участки растворами медного купороса или соды.

ФОСФОР ПЭ

«Без фосфора нет мысли»

Содержится в мозговой ткани и костях человека.

Входит в состав минерального удобрения суперфосфат.

Красный фосфор используется в производстве спичек.

История открытия фосфора.

Древние фолианты сохранили для нас отдельные эпизоды из жизни отставного солдата и гамбургского купца. Звали его Хенниг Бранд (ок. 1630-?). Его купеческие дела шли не блестяще, и именно по этой причине он сремился выбраться из нищеты. Она его ужасно угнетала. И Бранд решил попытать счастья в алхимии. Тем более что в XVII в. в отличие от нашего XX в. считалось вполне возможным найти «философский камень», который способен превращать неблагородные металлы в золото.

Хенниг Бранд

Бранд провел уже множество опытов с различными веществами, но ничего дельного у него не получалось. Однажды он решил провести химический эксперимент с мочой. Выпарил ее почти досуха и оставшийся светло-желтый осадок смешал с углем и песком, нагревая в реторте без доступа воздуха. В результате Бранд получил новое вещество, которое обладало удивительным свойством-светиться в темноте.

Так в 1669 г. был открыт фосфор, играющий исключительно важную роль в живой природе: в растительном мире, в организме животных и человека.

Счастливый ученый не замедлил воспользоваться необычным свойством нового вещества и стал демонстрировать светящийся фосфор знатным особам за довольно высокое вознаграждение. Все, что соприкасалось с фосфором, приобретало способность светиться. Достаточно было помазать фосфором пальцы, волосы или предметы, и они вспыхивали таинственным голубовато-белым светом. Религиозно и мистически настроенные богатые люди того времени диву давались, смотря на различные манипуляции Бранда с этим «божественным» веществом. Он ловко использовал огромный интерес ученых и широкой публики к фосфору и стал продавать его по цене, превосходившей даже стоимость золота. X. Бранд производил фосфор в больших количествах и держал способ его получения в строжайшей тайне. Никто из других алхимиков не мог проникнуть в его лабораторию, и поэтому многие из них стали лихорадочно ставить различные опыты, стремясь раскрыть секрет изготовления фосфора.

«Блуждающие огни»

При разложении богатых фосфором соединений органического происхождения нередко образуются газообразные и жидкие вещества. Иногда можно наблюдать выделение газа с запахом гнилой рыбы-фосфористого водорода, или фосфина, РН3. Одновременно с фосфином идет образование другого продукта - дифосфина, Р2 Н4, представляющего собой жидкость. Пары дифосфина самовоспламеняются и поджигают газообразный фосфин. Этим объясняется появление так называемых «блуждающих огней» в таких местах, как кладбища, болота. «Блуждающие огни» и другие случаи свечения фосфора и его соединений вызывали суеверный страх у многих людей, не знакомых с сущностью этих явлений. Вот что о работе с газообразным фосфором вспоминает академик С.И. Вольфкович: «Фосфор получался в электрической печи, установленной в Московском университете на Моховой улице. Так как эти опыты проводились тогда в нашей стране впервые, я не предпринял тех предосторожностей, которые необходимы при работе с газообразным фосфором - ядовитым самовоспламеняющимся и светящимся голубоватым цветом элементом. В течение многих часов работы у электропечи часть выделяющегося газообразного фосфора настолько пропитала мою одежду и даже ботинки, что, когда ночью я шел из университета по темным, не освещенным тогда улицам Москвы, моя одежда излучала голубоватое сияние, а из-под ботинок (при трении их о тротуар) высекались искры. За мной каждый раз собиралась толпа, среди которой, несмотря на мои объяснения, немало было лиц, видевших во мне, «новоявленного» представителя потустороннего мира. Вскоре среди жителей района Моховой улицы и по всей Москве из уст в уста стали передаваться фантастические рассказы о светящемся монахе...» (http://www.alhimikov.net/phosfor/otkrytie.html)

Загадки о фосфоре.

1) Белый воздуха боится, покраснел чтоб сохраниться.

1. Познакомьтесь все со мной!

Я свечусь во тьме ночной.

Разным быть могу на вид:

Если Белый – ядовит,

Если я по цвету красный,

То тогда я безопасный!

1. Я светоносный элемент.

Я спичку вам зажгу в момент.

Сожгут меня - и под водой

Оксид мой станет кислотой.

Из истории спичек

Изобретателем первых фосфорных спичек оказался девятнадцатилетний француз Шарль Сориа. В 1831 г. юный экспериментатор к смеси бертолетовой соли с серой для ослабления ее взрывчатых свойств добавил белый фосфор. Эта идея оказалась на редкость удачной, поскольку смазанные полученным составом лучинки легко загорались при трении. Температура воспламенения таких спичек сравнительно небольшая - 30 °С. Молодой Ш. Сориа попытался получить патент на свое изобретение, но, к сожалению, это оказалось сделать гораздо сложнее, чем создать первые фосфорные спички. За патент нужно было внести слишком крупную сумму, а таких денег Ш. Сориа не имел. Спустя год фосфорные спички были созданы вновь немецким химиком Я. Каммерером.

Итак, завершился долгий путь утробного созревания первой спички и она родилась сразу в руках нескольких изобретателей. Однако судьбе было угодно вручить лавры первенства в этом открытии Якобу Фридриху Каммереру (1796-1857), а 1832 год сохранить для потомков как год рождения спичек, крупнейшего открытия XIX в., сыгравшего важную роль в истории развития человеческой культуры.

Лавры первооткрывателей спичек стремились получить многие, но история сохранила для нас из всех претендентов имя Я. Каммерера. В Россию первые фосфорные спички были привезены из Гамбурга в 1836 г. и продавались по очень дорогой цене - один рубль серебром за сотню. Имеются предположения, что наш великий поэт А. С. Пушкин в последний год своей жизни пользовался такими фосфорными спичками, работая при свечах долгими зимними вечерами.

Молодежь Петербурга не замедлила, конечно, щегольнуть фосфорными спичками на балах и в модных салонах, стремясь ни в чем не уступать Западной Европе. Жаль только, что ни одной поэтической строчки не успел А. С. Пушкин посвятить спичкам - прекрасному и очень важному изобретению, настолько полезному и привычному теперь, что мы даже не задумываемся о сложной судьбе появления спичек... Нам кажется, что спички всегда были рядом с нами. А на самом деле первая отечественная фабрика по производству спичек построена в Петербурге только в 1837 г.

Прошло немногим более 150 лет с тех пор, как жители государства Российского получили первые отечественные спички и, поняв важность этого изобретения, весьма быстро развернули спичечное производство.

В 1842 г. в одной Петербургской губернии существовало 9 спичечных фабрик, ежедневно производивших 10 млн. штук спичек. Цена на спички резко снизилась и не превышала 3-5 коп. медью за 100 штук. Способ изготовления спичек оказался настолько прост, что в России к середине XIX в. он стал носить характер кустарного промысла. Так, в 1843-1844 гг. было обнаружено, что спички в значительном количестве изготавливаются в домашних условиях.

Их производили в самых отдаленных уголках России предприим¬чивые крестьяне, укрываясь таким образом от налогов. Однако легкая воспламеняемость фосфора привела к большим пожарам. Многие села и деревни выгорали буквально дотла.

Виновником этих бедствий оказался белый фосфор, способный легко воспламеняться. При перевозке спички нередко загорались от трения. На пути спичечных обозов полыхали грандиозные пожары, и обезумевшие лошади с горящими повозками приносили немало бед.

В 1848 г. последовал высочайший императорский указ, подписанный Николаем I, допускавший изготовление зажигательных спичек только в столицах, причем спички должны были упаковываться в жестяные банки по 1000 штук. Далее в указе говорилось: «Обратить особое внимание на чрезвычайное распространение употребления зажигательных спичек, усмотреть изволили, что при случившихся в текущем году пожарах, потребивших в одних городах более на 12000000 рублей. серебром обывательских имуществ, поджигатели весьма часто совершали свое преступление посредством спичек».

Кроме того, белый фосфор- одно из самых ядовитых веществ.

Поэтому работа на спичечных фабриках сопровождалась серьезным заболеванием, получившим название фосфорного некроза, поражающего челюсти, т.е. омертвения клеток, а также сильного воспаления и кровоточения десен.

Но выход был найден, сравнительно быстро оказалось возможным заменить белый фосфор на красный, открытый в 1848 г. В отличие от белого эта разновидность фосфора совершенно безвредна. Красный фосфор ввели в состав спичечной массы. Но ожидания не оправдались. Спички загорались очень плохо. Они не находили сбыта. Фабриканты, которые начали было изготовление, разорились.

К середине XIX столетия было сделано множество выдающихся изобретений, а изготовление обыкновенной спички никак не могло найти удовлетворительного решения.

Проблема была решена в 1855 г. в Швеции. Безопасные спички в этом же году были представлены на Международной выставке в Париже и получили золотую медаль. С этого момента так называемые шведские спички начали свое триумфальное шествие по всему миру. Их главная особенность состояла в том, что они не воспламенялись при трении о любую твердую поверхность. Шведская спичка зажигалась только в том случае, если ее потереть о боковую поверхность коробки, покрытую специальной массой.

Таким -образом, «безопасный огонь» в шведских спичках рождался великолепным союзом силы трения и химической реакции.

Расскажем теперь, как устроена современная спичка . Масса спичечной головки на 60% состоит из бертолетовой соли, а также из горючих веществ-серы или каких-нибудь сульфидов металлов, например сульфида сурьмы. Чтобы воспламенение головки происходило медленно и равномерно, без взрыва, к массе добавляют так называемые наполнители - стеклянный порошок, оксид железа (III) и т.д. Связующим материалом служит клей. Бертолетову соль можно заменять веществами, в большом количестве содержащими кислород, например бихроматом калия. А из чего состоит намазка шкурки? Здесь основной компонент- красный фосфор. К нему добавляют оксид марганца (IV), толченое стекло и клей. (http://www.alhimikov.net/phosfor/otkrytie.html)

Применение фосфора