Белый фосфор - удивительное вещество с уникальными свойствами. Он светится в темноте, самовоспламеняется на воздухе, ядовит, но при этом незаменим в промышленности. Давайте разберемся, что же представляет собой это загадочное вещество, какова его формула и особенности.
1. История открытия белого фосфора
Белый фосфор был открыт в 1669 году гамбургским алхимиком Хеннигом Брандом. Как и многие алхимики того времени, Бранд мечтал создать философский камень и превращать неблагородные металлы в золото. Он экспериментировал с различными веществами, в том числе и с человеческой мочой, полагая, что ее золотистый цвет может указывать на присутствие золота или веществ, необходимых для его получения.
В ходе опытов Бранд нагревал до высокой температуры смесь песка и мочи. После многочасового кипячения в колбе появлялись небольшие крупинки белого воскообразного вещества, которое ярко горело и светилось в темноте. Это люминесцирующее вещество Бранд назвал "phosphorus mirabilis" (чудесный светоносец).
Позже выяснилось, что данное вещество является новым химическим элементом, который и был назван фосфором. Это открытие положило начало современной неорганической химии и послужило толчком для изучения фосфора и его соединений.
2. Получение белого фосфора
В настоящее время основным способом получения белого фосфора является восстановление фосфатов углеродом. Для этого при температуре около 1600°C проводят реакцию между фосфатами кальция (фосфоритами или апатитами) и углеродом (коксом, древесным углем) в присутствии кремнезема:
2Ca3(PO4)2 + 6C + 6SiO2 → P4 + 6CO + 6CaSiO3
Образующиеся пары элементарного фосфора P4 конденсируются под водяным слоем с получением белого фосфора. Производство должно вестись в закрытых аппаратах в инертной среде, чтобы избежать воспламенения.
3. Физические и химические свойства
Белый фосфор представляет собой твердое воскообразное вещество белого цвета, иногда с желтоватым оттенком. Он легко режется ножом, хорошо деформируется. При комнатной температуре плотность белого фосфора составляет около 1823 кг/м3, это наименьшая плотность среди всех аллотропных модификаций.
Белый фосфор плохо растворим в воде, зато хорошо растворяется в таких органических растворителях, как бензол, сероуглерод, масла. Температуры плавления и кипения белого фосфора составляют 44,1°C и 280°C соответственно.
Химически белый фосфор очень активен. Он медленно окисляется кислородом воздуха уже при комнатной температуре, что вызывает слабое свечение (хемилюминесценция). При нагревании белый фосфор воспламеняется, горит очень ярким пламенем. Опасность представляет и его высокая токсичность.
4. Химическая формула белого фосфора
Химическая формула белого фосфора – P4. Это значит, что в состав молекулы входят четыре атома фосфора. Соответственно, молекулярная масса равна 124 а.е.м. (4 × 31 а.е.м., где 31 – атомная масса фосфора).
Более наглядно строение молекулы белого фосфора передает его структурная формула:
Как видно из формулы, четыре атома фосфора образуют тетраэдр – правильный четырехгранник, в котором все грани являются равносторонними треугольниками. Такая конфигурация обусловливает особые физико-химические свойства белого фосфора.
Для сравнения, в молекуле красного фосфора атомы соединены в сложные цепочечные структуры. А черный фосфор кристаллизуется по типу алмаза и имеет сходство с графитом.
5. Применение белого фосфора
Благодаря высокой химической активности и способности легко окисляться с выделением большого количества энергии, белый фосфор находит широкое применение в различных областях промышленности и военном деле.
В частности, он используется как компонент зажигательных бомб и гранат, дымовых шашек, трассирующих и осветительных патронов. При горении белого фосфора выделяется густой белый дым, который можно использовать для маскировки.
6. Токсичность и меры предосторожности
Несмотря на полезные свойства, белый фосфор представляет большую опасность для здоровья. Попадая в организм, он накапливается в костях, печени и почках, вызывает тяжелые отравления.
Даже кратковременный контакт паров белого фосфора с кожей и слизистыми приводит к ожогам и некрозу тканей. Предельно допустимая концентрация паров в воздухе составляет лишь 0,0003 мг/м3.
Поэтому при работе с белым фосфором обязательно использование средств индивидуальной защиты – противогазов, спецодежды, резиновых перчаток и очков.
7. Хранение и транспортировка
Из-за способности самовоспламеняться на воздухе, белый фосфор требует особых условий хранения и транспортировки. Его помещают в стеклянные или фарфоровые сосуды и заливают водой, под которой фосфор может долго сохраняться.
Перевозка осуществляется в герметичных контейнерах в среде инертного газа либо под водяным раствором хлорида кальция. Температура при транспортировке не должна превышать 30°С во избежание самовоспламенения.
8. Экологические проблемы
Загрязнение окружающей среды белым фосфором представляет серьезную опасность. Даже небольшие концентрации этого вещества губительно действуют на растения и животных, вплоть до полного уничтожения популяций.
К счастью, в настоящее время ведутся разработки безопасных заменителей белого фосфора, не уступающих ему по эффективности, но лишенных высокой токсичности.
9. Картинка белого фосфора
На фото представлен образец белого (формула P4) фосфора, отлитого в специальных условиях в виде цилиндра. Беловато-желтый цвет обусловлен примесями серы, мышьяка, сурьмы и других элементов.
Хорошо видна воскообразная мягкая структура вещества, которую можно легко резать ножом или деформировать при небольшом нажатии.
