Fosfor

Rozbalit box

Obsah boxu

Fosfor (chemická značka P, latinsky phosphorus) je nekovový chemický prvek z 15. skupiny periodické tabulky. Jedná se o esenciální biogenní prvek, klíčový pro všechny známé formy života. V přírodě se vyskytuje pouze ve formě sloučenin, nejčastěji jako fosforečnany (soli kyseliny fosforečné). Vytváří několik alotropických modifikací s dramaticky odlišnými vlastnostmi. Název pochází z řeckých slov phos (světlo) a phoros (nesoucí), což odkazuje na schopnost jeho bílé modifikace ve tmě světélkovat.

⏳ Historie

Objev fosforu je připisován německému alchymistovi Hennigu Brandovi, který jej jako první izoloval v roce 1669 v Hamburku. Brand, jako mnoho jeho současníků, hledal kámen mudrců, látku schopnou přeměnit neušlechtilé kovy na zlato. Domníval se, že by klíčovou ingrediencí mohla být lidská moč, a to kvůli její zlatavé barvě. Shromáždil obrovské množství moči (údajně přes 5 500 litrů), nechal ji několik dní rozkládat, poté ji zahustil a destiloval při vysokých teplotách. Produktem byla bílá, voskovitá látka, která ve tmě zeleně světélkovala a na vzduchu byla samozápalná. Brand tento objev nejprve tajil, později však svůj postup prodal dalším badatelům, jako byli Daniel Kraft a Johann Kunckel. Nezávisle na něm fosfor připravil i slavný anglický vědec Robert Boyle v roce 1680.

Průmyslově významnější metodu výroby objevil až v roce 1771 švédský chemik Carl Wilhelm Scheele, který prokázal přítomnost fosforu v kostech a vyvinul postup jeho extrakce z kostního popela. Odtud pochází i navrhovaný, ale neujatý český název "kostík".

🌍 Výskyt v přírodě

Fosfor je 11. nejrozšířenějším prvkem v zemské kůře, kde se jeho koncentrace odhaduje na 0,1–0,12 %. Vzhledem ke své vysoké reaktivitě se nikdy nevyskytuje v elementární formě, ale výhradně ve sloučeninách, a to téměř vždy v oxidačním stavu P⁵⁺.

• Minerály: Hlavním zdrojem fosforu jsou minerály ze skupiny apatitu, což jsou komplexní fosforečnany vápenaté. Nejběžnější je fluoroapatit (Ca₅(PO₄)₃F). Významná ložiska těchto minerálů, známých jako fosfority, se nacházejí v Maroku, Rusku, USA a Číně.
• Biologické systémy: Fosfor je naprosto klíčový pro život. Je základním stavebním kamenem DNA a RNA, kde tvoří fosfodiesterovou páteř nesoucí genetickou informaci. Je součástí ATP (adenosintrifosfátu), univerzální molekuly pro přenos energie v buňkách. Tvoří fosfolipidy, které jsou základem všech buněčných membrán. U obratlovců je fosfor ve formě hydroxyapatitu (Ca₅(PO₄)₃(OH)) základní minerální složkou kostí a zubů, kterým dodává pevnost.

🏭 Výroba

Průmyslová výroba elementárního fosforu probíhá v elektrických obloukových pecích za vysokých teplot (kolem 1300–1500 °C). Vstupní surovinou je směs fosfátové horniny (fosforit), koksu (jako redukčního činidla) a křemičitého písku (taviva).

Celý proces lze zjednodušeně popsat rovnicí: 2 Ca₃(PO₄)₂ + 6 SiO₂ + 10 C → 6 CaSiO₃ + 10 CO + P₄

Páry fosforu vznikající při reakci jsou odvedeny z pece a kondenzovány pod vodou, aby se zabránilo jejich samovznícení na vzduchu. Tímto procesem vzniká alotropická modifikace – bílý fosfor. Ostatní modifikace se vyrábějí následně z něj.

💎 Alotropické modifikace

Fosfor je známý svou schopností tvořit řadu alotropických modifikací, které mají výrazně odlišné fyzikální a chemické vlastnosti.

Bílý fosfor (P₄)

Bílý fosfor je nejreaktivnější a zároveň nejjedovatější modifikace. Je to měkká, voskovitá, nažloutlá pevná látka (někdy nazývaná žlutý fosfor), kterou lze krájet nožem. Je tvořen tetraedrickými molekulami P₄, ve kterých jsou vazebné úhly silně napjaté, což je příčinou jeho vysoké reaktivity. Na vzduchu je samozápalný a musí být uchováván pod vodou. Charakteristickým jevem je chemiluminiscence – jeho páry ve tmě zeleně světélkují v důsledku pomalé oxidace vzdušným kyslíkem. Je nerozpustný ve vodě, ale dobře rozpustný v sirouhlíku. Smrtelná dávka pro člověka je přibližně 50 mg.

Červený fosfor (Pₙ)

Tato modifikace vzniká zahříváním bílého fosforu v inertní atmosféře na teplotu okolo 260 °C. Je podstatně stálejší, není jedovatý a na vzduchu není samozápalný. Má polymerní strukturu, kde jsou tetraedry P₄ propojeny do řetězců. Je to tmavě červený prášek, nerozpustný v běžných rozpouštědlech. S látkami reaguje až při vyšších teplotách.

Černý fosfor

Černý fosfor je termodynamicky nejstabilnější, ale zároveň nejobtížněji připravitelná modifikace. Vzniká zahříváním bílého fosforu za velmi vysokých tlaků. Svými vlastnostmi se nejvíce podobá kovům: má kovový lesk, je tepelně i elektricky vodivý a má vrstevnatou strukturu podobnou grafitu. Je nejméně reaktivní ze všech modifikací.

Fialový fosfor (Hittorfův fosfor)

Fialový fosfor vzniká zahříváním červeného fosforu v zatavené trubici při teplotě 530 °C. Má komplexní polymerní strukturu tvořenou trubicemi a klecemi atomů fosforu. Je ještě méně reaktivní než červený fosfor.

⚙️ Využití

Využití fosforu a jeho sloučenin je mimořádně široké a zasahuje do mnoha odvětví.

• Zemědělství: Zdaleka největší podíl (přes 90 %) světové produkce fosforu se spotřebuje na výrobu průmyslových hnojiv. Rostliny přijímají fosfor ve formě fosforečnanů, které jsou nezbytné pro jejich růst a metabolismus. Hnojiva jako superfosfát doplňují tuto klíčovou živinu do půdy.
• Chemický průmysl: Elementární fosfor je surovinou pro výrobu kyseliny fosforečné termickou cestou (spálením fosforu a následnou hydratací), která je pak základem pro výrobu čistých fosforečnanů. Ty se používají například v potravinářství jako regulátory kyselosti, emulgátory nebo kypřicí látky (např. v kolových nápojích nebo prášku do pečiva). Dříve se polyfosforečnany masivně využívaly jako změkčovadla vody v pracích prášcích, ale kvůli eutrofizaci vod je jejich použití dnes v mnoha zemích omezeno nebo zakázáno.
• Výroba zápalek: Červený fosfor je klíčovou složkou škrtací plošky na krabičkách od zápalek. Třením hlavičky zápalky o škrtátko dojde k lokálnímu zahřátí, které iniciuje reakci a zapálení hlavičky.
• Metalurgie: Fosfor se používá jako legující prvek při výrobě některých slitin, například fosforový bronz.
• Vojenské využití: Bílý fosfor se kvůli své samozápalnosti a schopnosti vytvářet hustý bílý dým (oxid fosforečný) používá ve vojenských aplikacích jako náplň zápalných pum, dýmovnic a osvětlovací munice. Jeho použití je však kontroverzní kvůli těžkým popáleninám, které způsobuje.
• Ostatní: Černý fosfor má potenciální využití v elektronice jako polovodič. Jedovatosti bílého fosforu se dříve využívalo v jedech na hlodavce.

🔬 Pro laiky

Představte si fosfor jako neuvěřitelně všestranného a trochu náladového pomocníka. V jedné formě (jako bílý fosfor) je to nebezpečný a vznětlivý samotář, který se musí schovávat pod vodou, aby nezpůsobil požár. Když ho ale "zkrotíte" zahřátím, promění se na klidného a užitečného červeného pomocníka, kterého bezpečně používáme každý den na škrtátku od zápalek.

Jeho nejdůležitější práce je ale v našem těle a v přírodě. Je jako hlavní energetik a stavbyvedoucí v jedné osobě. V našich buňkách funguje jako dobíjecí baterie (ATP), která dodává energii pro vše, co děláme – od myšlení po pohyb. Zároveň je klíčovým materiálem pro stavbu naší vnitřní "knihovny" – DNA, kde jsou uloženy všechny plány pro naše tělo. A spolu s vápníkem staví pevné lešení z kostí a zubů, které nás drží pohromadě. Pro rostliny je pak jako super-vitamín, bez kterého by nemohly růst, a proto je hlavní složkou hnojiv, která pomáhají pěstovat naše jídlo.

Zdroje

Wikipedie Periodická soustava prvků Periodická video tabulka prvků IS MUNI Gymnázium F. X. Šaldy element-shop.cz Wikipédia (SK) Učebnice chemie Britannica Aktuality.sk ChemkaGymTop Biologie-chemie.cz Botanic.cz 100+1 zahraniční zajímavost Web o chemii Národní zdravotnický informační portál Wikipedia (EN) Wikipedia (PL) MATURITA.CZ Ped.muni.cz Zdravoteka.sk e-chem.cz TechFocus.cz Sciencemag.cz Asociace soukromého zemědělství ČR Rostliny pro budoucnost