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, – fosfinę (fosfan,
), arsan (arsenowodór,
) i stiban (antymonowodór,
). 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.
,
). Wybrane właściwości fosforu, arsenu i antymonu zebrano w tabeli 1.
Nazwa pierwiastka |
Symbol |
Liczba atomowa / masa atomowa [u] |
Trwałe Izotopy |
Temp. przemian fazowych [K] |
||
topnienia |
wrzenia |
|||||
Fosfor |
|
|
|
|
317 |
553 |
Arsen |
|
|
|
|
1090 |
886(sublimacja) |
Antymon |
|
|
|
|
903 |
1523 |
Odmiany alotropowe fosforu
Fosfor pierwiastkowy występuje w postaci cząsteczek , 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
. W temperaturze powyżej 1100°C, fosfor biały rozkłada się do bardzo reaktywnego chemicznie difosforu
, 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
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
. Najbardziej trwałą odmianą fosforu jest fosfor czarny nazywany też fosforem metalicznym
. 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 , fluoroapatyt
czy chloro apatyt
. Złoża apatytów eksploatowane są na skalę przemysłową. Arsen występuje w postaci pierwiastkowej, jako minerały arsenkowe lub arsenkowo-siarczkowe, jak np. arsenopiryt,
. Antymon występuje w postaci minerałów, najczęściej spotykany jest siarczek antymonu(III)
– stibnit, zwany też antymonitem.
Otrzymywanie
Fosfor pierwiastkowy otrzymuje się poprzez ogrzewanie minerałów fosforanowych z węglem i piaskiem w wysokiej temperaturze, aby otrzymać gazowy fosfor , który jest kondensowany do fosforu białego pod powierzchnią wody, żeby zapobiec zapaleniu się na powietrzu.
Arsen otrzymuje się przez ogrzewanie arsenopirytu, , 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.
(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 (reakcja 4).
(2)
(3)
(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, ) i VX (metylotiofosfonian O-etylo-S-(2-diizopropyloamino)etylu,
), 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), .