Fosfor, arsen i antymon – wzory, właściwości, otrzymywanie, zastosowanie

Fosfor, arsen i antymon - wzory, właściwości

Fosfor, arsen i antymon to pierwiastki 15 (V) grupy układu okresowego, leżące odpowiednio w trzecim (fosfor), czwartym (arsen) i piątym okresie (antymon) układu okresowego. Podobnie jak tlenowce (grupa 16), pierwiastki te różnią się istotnie od pierwszego w grupie azotu. Wszystkie te pierwiastki w stanie wolnym są ciałami stałymi, fosfor ma charakter niemetaliczny, arsen i antymon są półmetalami.

Podobnie jak azot, mogą one występować na stopniach utlenienia –III, +III i +V. Na najniższym stopniu utlenienia tworzą połączenia z wodorem, $EH_3$ – fosfinę (fosfan, $PH_3$ ), arsan (arsenowodór, $AsH_3$ ) i stiban (antymonowodór, $SbH_3$ ). W odróżnieniu od amoniaku, związki te nie mają charakteru zasadowego, lecz są słabymi kwasami. Z metalami tworzą one związki o charakterze soli, odpowiednio – fosforki, arsenki i antymonki (niektóre z nich występują w przyrodzie jako minerały). Na wyższych stopniach utlenienia, fosfor, arsen i antymon tworzą związki z tlenem (tlenki, kwasy tlenowe) i fluorowcami (np. $SbCl_3$ , $SbF_5$ ). Wybrane właściwości fosforu, arsenu i antymonu zebrano w tabeli 1.

Nazwa pierwiastka	Symbol	Liczba atomowa / masa atomowa [u]	Konfiguracja elektronowa	Trwałe Izotopy	Temp. przemian fazowych [K]
Nazwa pierwiastka	Symbol	Liczba atomowa / masa atomowa [u]	Konfiguracja elektronowa	Trwałe Izotopy	topnienia	wrzenia
Fosfor	$P$	$\frac{15}{30,97}$	$[Ne]3s^23p^3$	$^{31}P$	317	553
Arsen	$As$	$\frac{33} { 74,92$	$[Ar]4s^23d^{10}4p^3$	$^{75}As$	1090	886(sublimacja)
Antymon	$Sb$	$\frac{51} { 121,75}$	$[Kr]5s^24d^{10}5p^5$	$^{121}Sb$ (57,36%), $^{123}Sb$ (42,64%)	903	1523

Odmiany alotropowe fosforu

Fosfor pierwiastkowy występuje w postaci cząsteczek $P_4$ , w postaci kilku odmian alotropowych. Znane są m. In. fosfor biały, fosfor czerwony, fosfor fioletowy i fosfor czarny. Fosfor biały jest najreaktywniejszą odmiana alotropową fosforu: zapala się samorzutnie na powietrzu w temperaturze 30°C. Składa się on z izolowanych tetraedrycznych cząsteczek $P_4$ . W temperaturze powyżej 1100°C, fosfor biały rozkłada się do bardzo reaktywnego chemicznie difosforu $P_2$ , który ma strukturę analogiczną do cząsteczkowego azotu, lecz nie jest stabilny w niższych temperaturach jako ciało stałe lub ciecz. Fosfor czerwony jest kolejną, bardziej stabilną odmianą alotropową fosforu. Stanowi on polimeryczną strukturę, w której tetraedry $P_4$ połączone są pojedynczymi wiązaniami P-P w łańcuchy o różnej długości. Różna możliwa długość łańcuchów polimerowych sprawia, że fosfor czerwony otrzymywany w różnych warunkach może wykazywać nieco różne właściwości. Fosfor czerwony jest bardziej stabilny od odmiany białej: zapala się na powietrzu dopiero w 300°C. Kolejną, jeszcze bardziej stabilną odmianą jest fosfor fioletowy, nazywany fosforem Hittorfa (został otrzymany przez Hittorfa przez krystalizację ze stopionego ołowiu) lub fosforem metalicznym $\alpha$ . Najbardziej trwałą odmianą fosforu jest fosfor czarny nazywany też fosforem metalicznym $\beta$ . Ma on strukturę podobną do grafitu i przewodzi prąd elektryczny(!).

Występowanie w przyrodzie

W przyrodzie, fosfor nie występuje w formie pierwiastkowej, lecz w postaci minerałów, przede wszystkim – fosforanowych (soli kwasu ortofosforowego(V)). Najważniejsze z nich to apatyty, np. hydroksyapatyt $Ca_5 (PO_4)_3OH$ , fluoroapatyt $Ca_5 (PO_4)_3F$ czy chloro apatyt $Ca_5 (PO_4)_3Cl$ . Złoża apatytów eksploatowane są na skalę przemysłową. Arsen występuje w postaci pierwiastkowej, jako minerały arsenkowe lub arsenkowo-siarczkowe, jak np. arsenopiryt, $FeAsS$ . Antymon występuje w postaci minerałów, najczęściej spotykany jest siarczek antymonu(III) $Sb_2S_3$ – stibnit, zwany też antymonitem.

Otrzymywanie

Fosfor pierwiastkowy otrzymuje się poprzez ogrzewanie minerałów fosforanowych z węglem i piaskiem w wysokiej temperaturze, aby otrzymać gazowy fosfor $P_4$ , który jest kondensowany do fosforu białego pod powierzchnią wody, żeby zapobiec zapaleniu się na powietrzu.

Arsen otrzymuje się przez ogrzewanie arsenopirytu, $FeAsS$ , bez dostępu powietrza. Podczas ogrzewania powstaje metaliczny arsen, który ulega sublimacji (reakcja 1). Otrzymany tak arsen oczyszcza się z pozostałości siarki i węgla przez resublimację lub destylację stopionej mieszaniny arsenu z ołowiem.

$FeAsS \rightarrow FeS(s) + As$ (1)

Antymon otrzymuje się głównie z siarczku antymonu, przez ogrzewanie ze złomem żelaznym(reakcja 2). W rezultacie powstaje siarczek żelaza i metaliczny antymon. Alternatywną metodą jest przekształcenie siarczku antymonu w tlenek (reakcja 3), a następnie ogrzewanie tlenku z węglem aby otrzymać metaliczny antymon i $CO_2$ (reakcja 4).

$Sb_2S_3 + 3Fe \rightarrow 3FeS + 2Sb$ (2)

$Sb_2S_3 + O_2 \rightarrow Sb_2O_3 + SO_2$ (3)

$2Sb_2O_3 + 3C \rightarrow 4Sb + 3CO_2$ (4)

Zastosowanie

Fosfor pierwiastkowy znajduje zastosowanie w przemyśle do produkcji zapałek oraz w metalurgii. Szeroko stosowane są różnego rodzaju związki fosforu: fosforany do produkcji nawozów sztucznych, kwas fosforowy w przemyśle chemicznym a także przemyśle spożywczym (produkcja Coca-coli™ i Pepsi – coli ™), organiczne związki fosforu znajdują zastosowanie jako pestycydy w rolnictwie oraz w syntezie chemicznej.

Znaczenie dla organizmów żywych

Fosfor jest jednym z podstawowych makroelementów: reszty fosforanowe stanowią ważny element kwasów nukleinowych (RNA i DNA), a także cząsteczek odpowiedzialnych za przekazywanie i uwalnianie energii w organizmach żywych – adenozyno trifosforanu (ATP), adenozynodifosforanu (ADP) i adenozyno monofosforanu (AMP). W postaci apatytu, fosfor jest jednym z głównych pierwiastków tworzących kości zwierząt i ludzi. Mimo to, niektóre związki fosforoorganiczne są bardzo silnymi toksynami. Do najsilniejszych należą sarin (fluorometylofosfonian izopropylu, $C_4H_{10}FO_2P$ ) i VX (metylotiofosfonian O-etylo-S-(2-diizopropyloamino)etylu, $C_{11}H_{26}NO_2PS$ ), stosowane jako gazy bojowe.

Arsen i antymon oraz ich związki są toksyczne dla organizmów żywych i nie są niezbędne dla większości z nich (nawet w śladowych ilościach). Przykładem jest znana trucizna, arszenik – tlenek arsenu(III), $As_2O_3$ .

Fosfor, arsen i antymon – wzory, właściwości, otrzymywanie, zastosowanie