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] |
|
|
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), \(As_2O_3\).