Реферат по дисциплине «Избранные главы по химии элементов»



Скачать 156.5 Kb.
Дата27.04.2016
Размер156.5 Kb.
ТипРеферат


МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

СЕВЕРСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ – филиал

федерального государственного автономного образовательного учреждения

высшего профессионального образования



«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

        Кафедра ХиТМСЭ



ФОСФОР

реферат по дисциплине

«Избранные главы по химии элементов»

Студент гр. Д-____

__________Иванов И.И.

«____»___________ 20__ г.


Проверил

доцент кафедры ХиТМСЭ

____________ Безрукова С.А.

«____»_________ 20__ г.

Северск 20___

Содержание


Введение 4

1 История открытия 5

2 Характеристика фосфора 7

3 Значение фосфора 11

4 Соединения фосфора 13

Заключение 17

Список литературы 18



Введение

«...Да! Это была собака, огромная, черная, как смоль. Но такой собаки еще никто из нас, смертных, не видывал. Из ее отверстой пасти вырывалось пламя, глаза метали искры, по морде и загривку переливался мерцающий огонь. Ни в чьем воспаленном мозгу не могло возникнуть видение более страшное, более омерзительное, чем это адское существо, выскочившее на нас из тумана... Страшный пес, величиной с молодую львицу. Его огромная пасть все еще светилась голубоватым пламенем, глубоко сидящие дикие глаза были обведены огненными кругами.



Я дотронулся до этой светящейся головы и, отняв руку, увидел, что мои пальцы тоже засветились в темноте. Фосфор, – сказал я».

Артур Конан-Дойль «Собака Баскервилей».
Фосфор – аналог азота. Хотя физические и химические свойства этих элементов очень сильно различаются, у них есть общее, например, оба этих элемента необходимы животным и растениям. Академик А.Е.Ферсман называл фосфор «элементом жизни и мысли» [1]. Это определение вряд ли можно отнести к литературным преувеличениям. Фосфор обнаружен буквально во всех органах зеленых растений, но больше всего его в плодах и семенах. Растения накапливают фосфор и снабжают им животных. В организме животных фосфор сосредоточен главным образом в скелете, мышцах и нервной ткани. В природе − тридцатый по распространенности элемент (шестой среди неметаллов), встречается только в химически связанном виде. Входит в состав многочисленных минералов, руд и горных пород (фосфориты, апатиты и др.).

1История открытия


Более трехсот лет отделяют нас от того момента, когда гамбургский алхимик Геннинг Бранд открыл новый элемент – фосфор [1]. Но, возможно, что фосфор в элементарном виде был получен еще в 12 в. арабским алхимиком Алхид Бехилом при перегонке мочи с глиной и известью, об этом свидетельствует древний алхимический манускрипт, хранящийся в Парижской библиотеке. Однако открытие фосфора обычно приписывается разорившемуся гамбургскому купцу Хеннигу Бранду. Предприниматель занимался алхимией, чтобы получить эликсир жизни или философский камень, с помощью которых старики молодеют, больные выздоравливают, а неблагородные металлы превращаются в золото. После упаривания 50–60 ведер мочи (он брал ее в солдатских казармах) в течение двух недель и последующего сильного прокаливания сухого остатка с углем и песком в реторте, Бранду удалось в 1669 сконденсировать выделяющиеся пары под водой и получить небольшое количество желтого вещества. Оно светилось в темноте, и поэтому было названо Брандом «холодным огнем» (kaltes Feuer). Современники Бранда назвали это вещество фосфором. Вообще, с древних времен «фосфорами» называли все вещества, способные испускать свет в темноте. Так, широко известен «болонский фосфор» – сульфид бария. Но Бранд не замедлил воспользоваться необычным свойством фосфора. Он стал показывать фосфор различным привилегированным лицам, получая от них подарки и деньги. Хранить тайну получения фосфора было нелегко, и вскоре Бранд продал ее дрезденскому химику И. Крафу. Число демонстраторов фосфора увеличилось, когда рецепт его изготовления стал известен И. Кункелю и К. Кирхмейеру. В 1680 г. независимо от предшественников новый элемент был получен знаменитым английским физиком и химиком Робертом Бойлем. Но вскоре Бойль умер, а его ученик А. Ганквиц изменил чистой науке и вновь возродил «фосфорную спекуляцию». Лишь в 1743 г. А. Маркграф отыскал более совершенный способ получения фосфора и опубликовал свои данные для всеобщего сведения. Это событие положило конец «брандовскому» бизнесу и послужило началом серьезного изучения фосфора и его соединений [1].

На первом, пятидесятилетнем этапе истории фосфора, кроме открытия Бойля, лишь одно событие отмечено в истории науки: в 1715 г. Генсинг установил наличие фосфора в мозговой ткани. После опытов Маркграфа история элемента, приобретшего много лет спустя номер 15, стала историей многих больших открытий. В 1769 г. Ю. Ган доказал, что в костях содержится много фосфора. То же самое подтвердил через два года знаменитый шведский химик К. Шееле, предложивший способ получения фосфора из золы, образующейся при сжигании костей. Еще несколькими годами позже Ж.Л. Пруст и М. Клапрот, исследуя различные природные соединения, доказали, что фосфор широко распространен в земной коре, главным образом в виде фосфата кальция.


2Характеристика фосфора

2.1Физические свойства


Известно несколько аллотропных модификаций фосфора в свободном виде. Главные − это белый фосфор P4 и красный фосфор Pn [1–6].

В обычных условиях существует только три аллотропических модификации фосфора – белый, красный, черный, а в условиях сверхвысоких давлений − также металлическая форма. Все модификации различаются по цвету, плотности и другим физическим характеристикам; заметна тенденция к резкому убыванию химической активности при переходе от белого к металлическому фосфору и нарастанию металлических свойств.

При 8,3·1010 Па чёрный фосфор переходит в новую, ещё более плотную и инертную металлическую фазу с плотностью 3,56 г/см3. При дальнейшем повышении давления до 1,25·1011 Па − ещё более уплотняется и приобретает кубическую кристаллическую решётку, при этом его плотность возрастает до 3,83 г/см3. Металлический фосфор очень хорошо проводит электрический ток. Основные физико-химические свойства аллотропных модификаций фосфора представлены в таблице 1 [4].

Таблица 1 – Основные физико-химические свойства аллотропных модификаций фосфора



Аллотропная модификация

, г/см3

tпл, °C

tкип, °C

Внешний вид и характерные признаки

Белый

1,73

44,1

280,5

Белый кристаллический порошок, ядовит, самовозгорается на воздухе

Красный

2,3

590

400

Красный кристаллический или аморфный порошок, неядовит. При 220°С и 12108 Па переходит в черный фосфор



2.2Химические свойства


Фосфор P (лат. Phosphorus) – химический элемент VА-группы Периодической системы Д.И. Менделеева. Атомный номер 15, атомная масса 30,973762. Электронная формула атома [10Ne]3s23p3, устойчивая степень окисления равна +5. Образует различные кислородосодержащие кислоты, соли и бинарные соединения.

Фосфор – неметалл. В соединениях он обычно проявляет степень окисления +5, реже +3, а –3 только в фосфидах. Наружный электронный слой содержит 5 электронов. Наличие трех неспаренных электронов на внешнем энергетическом уровне объясняет то, что в нормальном, невозбужденном состоянии, валентность фосфора равна 3. Электронная конфигурация атома фосфора: 1s22s22p63s23p33d0

Графически выглядит так:





Реакции с белым фосфором идут легче, чем с красным:

1) на воздухе загорается при нагревании (взаимодействие с кислородом):

4P + 5O2 = 2P2O5.

С избытком кислорода образует оксид фосфора (V) (фосфорный ангидрид). При медленном окислении или при недостатке кислорода

4P + 3O2 = 2P2O3;

2) реагирует с фтором, хлором и серой (и другими галогенами):

2P + 5F2 = 2PF5;

2P + 3Cl2 = 2PCl3;



хлорид фосфора (III)

2P + 5Cl2 = 2PCl5;



хлорид фосфора (V)

2P + 3S = P2S3;



сульфид фосфора (III)

4P + 5S = P2S5ж;



сульфид фосфора (V)

3) взаимодействие с металлами

2P + 3Ca = Ca3P2 (фосфид кальция);

2P + 3Mg = Mg3P2 (фосфид магния).

Взаимодействие фосфора с металлами приводит к образованию фосфидов, которые можно считать производными водородного соединения фосфора − фосфина PH3. В фосфине и фосфидах степень окисления фосфора равна –3. Фосфиды подвергаются необратимому гидролизу.

2.3Получение фосфора


На протяжении ста лет с момента открытия Бранда единственным источником элементарного фосфора являлась моча. В 1743 г. Марграф усовершенствовал метод извлечения элемента из мочи, предложив добавлять поташ к сухому остатку после ее перегонки. Гамбургский алхимик и другие исследователи смогли получить фосфор потому, что в сухом остатке содержится до 10% фосфата натрия, который при температурах 800−1000°C способен восстанавливаться углем.

Чёрный фосфор получается при длительном нагревании белого фосфора при очень большом давлении в 1200 МПа и температуре 200°C.


2.4Применение


Красный фосфор применяется при изготовлении спичек. Он входит в состав смеси, наносимой на боковую поверхность спичечного коробка. Основным компонентом состава головки спички является бертолетова соль KClO3. От трения головки спички о намазку коробка частицы фосфора на воздухе воспламеняются. В результате реакции окисления фосфора выделяется тепло, приводящее к разложению бертолетовой соли. Образующийся кислород способствует воспламенению головки спички.

2.5Нахождение фосфора в природе


Фосфор относится к числу распространенных элементов. Общее содержание в земной коре составляет около 0,08%.

Естественно, что, как и всякий, жизненно необходимый элемент, фосфор совершает в природе круговорот. Из почвы его берут растения, от растений этот элемент попадает в организмы человека и животных. В почву фосфор возвращается с экскрементами и при гниении трупов. Фосфоробактерии переводят органический фосфор в неорганические соединения.

Фосфор входит в состав некоторых белковых веществ, содержащихся в генеративных органах растений, в нервных и костных тканях организмов животных и человека. Особенно богаты фосфором мозговые клетки.

3Значение фосфора

3.1Фосфор в организме человека


Тело человека содержит в среднем около 1,5 кг фосфора. Из этого количества 1,4 кг приходится на кости, около 130 г – на мышцы и 12 г – на нервы и мозг.

Интересно, что для правильного питания необходимо соблюдать баланс между количеством потребляемого фосфора и кальцием: оптимальное соотношение в этих элементах пищи составляет 1–1,5%. Избыток богатой фосфором пищи приводит к вымыванию кальция из костей, а при избытке кальция развивается мочекаменная болезнь.


3.2Биохимия фосфора и его значение в питании человека


Жизнь не может существовать без фосфора, он необходим как субмикроскопическим частицам – вирусам, так и высокоорганизованным живым системам – животным и человеку.

Фосфор – шестой по содержанию элемент в организме человека после кислорода, водорода, углерода, азота и кальция. Количество фосфора составляет 1–1,5% от массы тела.

Ниже приведены некоторые примеры содержания фосфора и кальция в пище человека (таблица 2) [7].

Таблица 2 – Содержание кальция и фосфора в продуктах



Продукт

Ca, мг/100 г

P,

мг/100 г


Ca/P

Жареная говядина

12

250

0,05

Цельное молоко

118

93

1,26

Вареная фасоль

50

37

1,35

Жареная треска

31

274

0,11



3.3Фосфорные удобрения


Минеральные удобрения – источник различных питательных элементов для растений и свойств почвы, в первую очередь азота, фосфора и калия, а затем кальция, магния, серы, железа. Фосфор входит в состав многих органических соединений в растениях. Фосфорное питание регулирует рост и развитие растений.

4Соединения фосфора

4.1Оксиды


Фосфор образует несколько оксидов. Важнейшими из них являются оксид фосфора (V) P4O10 и оксид фосфора (III) P4O6 [8,9]. Часто их формулы пишут в упрощённом виде – P2O5 и P2O3. В структуре этих оксидов сохраняется тетраэдрическое расположение атомов фосфора.

Оксид фосфора (III) P4O6 – воскообразная кристаллическая масса, плавящаяся при 22,5°C и превращающаяся при этом в бесцветную жидкость. Ядовит.

При растворении в холодной воде образует фосфористую кислоту:

P4O6 + 6H2O = 4H3PO3, а при реакции со щелочами – соответствующие соли (фосфиты). Сильный восстановитель. При взаимодействии с кислородом окисляется до Р4О10.

Оксид фосфора (III) получается окислением белого фосфора при недостатке кислорода.

Оксид фосфора (V) P4O10 – белый кристаллический порошок. Температура возгонки 36°С. Имеет несколько модификаций, одна из которых (так называемая летучая) имеет состав Р4О10. Кристаллическая решётка этой модификации слагается из молекул Р4О10, связанных между собой слабыми межмолекулярными силами, легко разрывающимися при нагревании. Отсюда и летучесть этой разновидности. Другие модификации полимерны. Они образованы бесконечными слоями тетраэдров РО4.

При взаимодействии Р4О10 с водой образуется фосфорная кислота:

P4O10 + 6H2O = 4H3PO4.

Будучи кислотным оксидом, Р4О10 вступает в реакции с основными оксидами и гидроксидами.

Образуется при высокотемпературном окислении фосфора в избытке кислорода (сухого воздуха).


4.2Кислоты и их соли

      1. Фосфористая кислота H3PO3


Безводная фосфористая кислота Н3РО3 образует кристаллы плотностью 1,65 г/см3, плавящиеся при 74°С.

Структурная формула:



При нагревании безводной Н3РО3 происходит реакция диспропорционирования (самоокисления-самовосстановления):

4H3PO3 = PH3↑ + 3H3PO4.

Соли фосфористой кислоты – фосфиты, например, K3PO3 (фосфит калия) или Mg3(PO3)2 (фосфит магния).


      1. Фосфорная кислота


Безводная фосфорная кислота представляет собой светлые прозрачные кристаллы, при комнатной температуре расплывающиеся на воздухе. Температура плавления 42,35°С. С H2O фосфорная кислота образует растворы любых концентраций.

Фосфорной кислоте соответствует следующая структурная формула:



Фосфорная кислота реагирует с металлами, расположенными в ряду стандартных электродных потенциалов до водорода, с основными оксидами, с основаниями, с солями слабых кислот.

В лаборатории фосфорную кислоту получают окислением фосфора 30%-ной азотной кислотой:

3P + 5HNO3 + 2H2O = 3H3PO4 + 5NO↑.

В промышленности фосфорную кислоту получают двумя способами: экстракционным и термическим. В основе экстракционного метода лежит обработка измельченных природных фосфатов серной кислотой:

Ca3(PO4)2 + 3H2SO4 = 2H3PO4 + 3CaSO4↓.

Фосфорная кислота затем отфильтровывается и концентрируется упариванием.

Термический метод состоит в восстановлении природных фосфатов до свободного фосфора с последующим его сжиганием до Р4О10 и растворением последнего в воде. Производимая по данному методу фосфорная кислота характеризуется более высокой чистотой и повышенной концентрацией (до 80%).

Легче идет диссоциация по первой ступени:

H3PO4 ⇄ H+ + H2PO4(дигидрофосфат-ион); (1)

H2PO4⇄ H+ + HPO42– (гидрофосфат-ион); (2)

HPO42– ⇄ H+ + PO43– (фосфат-ион). (3)

Суммарное ионное уравнение диссоциации фосфорной кислоты:

H3PO4 ⇄ 3H+ + PO43–

Фосфорная кислота образует три ряда солей:

а) K3PO4, Ca3(PO4)2 – трехзамещенные, фосфаты;

б) K2HPO4, CaHPO4 – двухзамещенные, гидрофосфаты;

в) KH2PO4, Ca(H2PO4)2 – однозамещенные, дигидрофосфаты.


      1. Фосфорноватая кислота


Гипофосфорная кислота – H4P2O6

H4P2O6 – четырехосновная кислота средней силы. При хранении гипофосфорная кислота постепенно разлагается. При нагревании её растворов превращается в Н3РО4 и Н3РО3.

Образуется при медленном окислении Н3РО3 на воздухе или окислении белого фосфора во влажном воздухе.

4.3Фосфин


Фосфин PH3 – соединение фосфора с водородом – бесцветный газ с резким неприятным чесночным запахом, хорошо растворимый в воде (химически с ней не взаимодействует), очень ядовит. На воздухе чистый и сухой фосфин загорается при нагревании выше 100–140°C. Если фосфин содержит примеси дифосфина Р2Н4, он самовоспламеняется на воздухе.

Заключение

Фосфор является составной частью тканей организмов человека, животных и растений. В организме человека большая часть фосфора связана с кальцием. Для построения скелета ребенку требуется столько же фосфора, сколько и кальция. Кроме костей, фосфор содержится в нервной и мозговой тканях, крови, молоке. В растениях, как и у животных, фосфор входит в состав белков.

Из фосфора, поступающего в организм человека с пищей, главным образом с яйцами, мясом, молоком и хлебом, строится АТФ – аденозинтрифосфорная кислота, которая служит собирателем и носителем энергии, а также нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК, осуществляющие передачу наследственных свойств организма. Наиболее интенсивно АТФ расходуется в активно работающих органах тела: в печени, мышцах, мозгу. Недаром знаменитый минералог, один из основоположников науки геохимии, академик А. Е. Ферсман назвал фосфор «элементом жизни и мысли».

Как было указано, фосфор существует в природе в виде соединений, содержащихся в почве (или растворенных в природных водах). Из почвы фосфор извлекается растениями, а животные получают фосфор с растительной пищей. После отмирания растительных и животных организмов фосфор снова переходит в почву. Так осуществляется круговорот фосфора в природе.

Список литературы

1 Везер В.-Дж. Фосфор и его соединения, пер. с англ. – М.: Химия, 1963. – 325 с.

2 Кременчугская М. Химия: Справочник школьника. – М.: Изд-во АСТ, 2001. – 478 с.

3 Крицман В. А. Книга для чтения по неорганической химии. – М.: Просвещение, 1986. – 273 с.

4 Справочник школьника: 5-11 классы. − М.: АСТ-ПРЕСС КНИГА, 2003. − 704 с.

5 Фигуровский Н.А. Открытие элементов и происхождение их названий. – М.: Наука, 1970. – 568 с.

6 Фосфор в окружающей среде. //Под ред. Э. Гриффита. – М.: Мир, 1977. – 489 с.

7 Фосфор (статья в википедии). [Электронный ресурс] URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Фосфор/. Режим доступа – свободный.

8 Некрасов Б.В. Неорганическая химия. [Электронный ресурс] URL: http://www.xumuk.ru/nekrasov. Режим доступа – свободный.



9 Энциклопедия Кругосвет. Фосфор. [Электронный ресурс] URL: http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/himiya/FOSFOR.html. Режим доступа – свободный.


Каталог: chem -> wp-content -> uploads -> 2013
chem -> Курс лекций для практических занятий по эмбриологии
chem -> Чем кормить школьника, чтобы он рос умным и здоровым
chem -> План-конспект внеклассного мероприятия Влияние энергетических напитков на организм человека
chem -> Чем полезны Веселковые для садовых растений и садовода
chem -> «Здоровье»
chem -> Немного из истории…
chem -> Преподаватель: Степаненко Ольга Георгиевна
chem -> Химические элементы в организме и их влияние на здоровье человека
chem -> Контрольные вопросы Ссылка на литературу 1 Структурная организация белков


Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©zodorov.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница