זרחן ותרכובותיו. יישום מעשי של תרכובות זרחן

2024 מְחַבֵּר: Angel Austin | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-17 05:26

בין היסודות הביוגניים, יש לתת מקום מיוחד לזרחן. ואכן, בלעדיו, קיומן של תרכובות חיוניות כמו, למשל, ATP או פוספוליפידים, כמו גם חומרים אורגניים רבים אחרים, בלתי אפשרי. יחד עם זאת, החומר האנאורגני של יסוד זה עשיר מאוד במולקולות שונות. זרחן ותרכובותיו נמצאים בשימוש נרחב בתעשייה, הם משתתפים חשובים בתהליכים ביולוגיים, ומשמשים בענפי פעילות אנושית שונים. לכן, שקול מהו יסוד זה, מה החומר הפשוט שלו והתרכובות החשובות ביותר.

זרחן: מאפיינים כלליים של היסוד

ניתן לתאר את המיקום בטבלה המחזורית במספר נקודות.

1. קבוצה חמישית, תת-קבוצה ראשית.
2. תקופה קטנה שלישית.
3. מספר רגיל - 15.
4. מסה אטומית היא 30, 974.
5. תצורה אלקטרונית של האטום 1s²2s²2p⁶3s2^3p3.
6. מצבי חמצון אפשריים מ-3 עד +5.
7. סמל כימי - P, הגייה בנוסחאות "pe". שמו של היסוד הוא זרחן. שם לטיני זרחן.

ההיסטוריה של גילוי האטום הזה חוזרת למאה ה- XII הרחוקה. אפילו ברישומים של אלכימאים היה מידע המעיד על קבלת חומר "זוהר" לא ידוע. עם זאת, התאריך הרשמי לסינתזה ולגילוי של זרחן היה 1669. הסוחר פושט הרגל ברנד, בחיפוש אחר אבן החכמים, סינתז בטעות חומר המסוגל לפלוט זוהר ולבער בלהבה בוהקת מסנוורת. הוא עשה זאת על ידי סידוד שוב ושוב של שתן אנושי.

לאחריו, ללא תלות זה בזה, רכיב זה התקבל בערך באותם דרכים:

• I. Kunkel;
• R. בויל;
• A. Margrave;
• K. Scheele;
• A. Lavoisier.

כיום, אחת השיטות הפופולריות ביותר לסינתזה של חומר זה היא הפחתת המינרלים המקבילים המכילים זרחן בטמפרטורות גבוהות בהשפעת פחמן חד חמצני וסיליקה. התהליך מתבצע בתנורים מיוחדים. זרחן ותרכובותיו הם חומרים חשובים מאוד הן עבור יצורים חיים והן עבור סינתזות רבות בתעשייה הכימית. לכן, יש לשקול מהו יסוד זה כחומר פשוט והיכן הוא נמצא בטבע.

חומר פשוט זרחן

קשה לציין תרכובת ספציפית כשמדובר לזרחן. זה נובע מהמספר הרבשינויים אלוטרופיים שיש לאלמנט זה. ישנם ארבעה זנים עיקריים של החומר הפשוט זרחן.

1. לבן. זוהי תרכובת שהנוסחה שלה היא Р₄. זהו חומר נדיף לבן עם ריח חריף לא נעים של שום. הוא מתלקח באופן ספונטני באוויר בטמפרטורות רגילות. נשרף באור ירוק בהיר זוהר. רעיל מאוד ומסכן חיים. הפעילות הכימית גבוהה ביותר, ולכן היא מתקבלת ומאוחסנת מתחת לשכבת מים מטוהרים. זה אפשרי בגלל מסיסות ירודה בממסים קוטביים. פחמן דיסולפיד וחומרים אורגניים מתאימים ביותר לזרחן הלבן הזה. כאשר הוא מחומם, הוא מסוגל להפוך לצורה האלוטרופית הבאה - זרחן אדום. בעת עיבוי וקירור אדים, הוא מסוגל ליצור שכבות. שמנוני למגע, רך, לחתוך בקלות בסכין, לבן (מעט צהבהב). נקודת התכה 44⁰C. בשל פעילותו הכימית הוא משמש בסינתזות. אבל בגלל הרעילות שלו, אין לו יישום תעשייתי רחב.
2. צהוב. זוהי צורה מטוהרת בצורה גרועה של זרחן לבן. זה אפילו יותר רעיל, זה גם מריח לא נעים של שום. נדלק ונשרף בלהבה ירוקה בוהקת. גבישים צהובים או חומים אלו אינם מתמוססים במים כלל; כשהם מחומצנים לחלוטין, הם פולטים נשיפות עשן לבן בהרכב P₄O₁₀.
3. זרחן אדום ותרכובותיו הם השינוי הנפוץ והנפוץ ביותר של חומר זה בתעשייה. מסה אדומה דביקה, אשר בלחץ מוגבר יכוללעבור לצורה של גבישים סגולים, אינו פעיל מבחינה כימית. זהו פולימר שיכול להתמוסס רק במתכות מסוימות ותו לא. בטמפרטורה של 250⁰С, הוא עובר סובלימציה והופך לשינוי לבן. לא רעיל כמו צורות קודמות. עם זאת, חשיפה ארוכת טווח לגוף היא רעילה. הוא משמש להנחת ציפוי מבעיר על קופסאות גפרורים. זה מוסבר בכך שהוא לא יכול להתלקח באופן ספונטני, אבל הוא מתפוצץ (מתלקח) בזמן ציון וחיכוך.
4. שחור. לפי נתונים חיצוניים הוא דומה מאוד לגרפיט, הוא גם שומני למגע. זה מוליך למחצה חשמלי. גבישים כהים, מבריקים, שאינם מסוגלים להתמוסס בשום ממס כלל. כדי שיתלקח, יש צורך בטמפרטורות גבוהות מאוד וחימום מקדים.

מענין גם הצורה שהתגלתה לאחרונה של זרחן - מתכתי. זה מוליך ויש לו סריג קריסטל מעוקב.

מאפיינים כימיים

התכונות הכימיות של הזרחן תלויות באיזו צורה הוא נמצא. כאמור, השינוי הפעיל ביותר בצהוב ולבן. באופן כללי, זרחן מסוגל ליצור אינטראקציה עם:

• מתכות, יוצרות פוספידים ופועלות כחומר מחמצן;
• לא-מתכות, הפועלות כחומר מפחית ויוצרות תרכובות נדיפות ולא נדיפות מסוגים שונים;
• חומרי חמצון חזקים, הופכים לחומצה זרחתית;
• עם אלקליות קאוסטיות מרוכזות לפי סוגחוסר פרופורציה;
• עם מים בטמפרטורה גבוהה מאוד;
• עם חמצן ליצירת תחמוצות שונות.

התכונות הכימיות של זרחן דומות לאלו של חנקן. אחרי הכל, הוא חלק מקבוצת הפניקטוג'ן. עם זאת, הפעילות גבוהה בכמה סדרי גודל בשל מגוון השינויים האלוטרופיים.

להיות בטבע

כחומר מזין, זרחן נמצא בשפע מאוד. אחוזו בקרום כדור הארץ הוא 0.09%. זהו אינדיקטור גדול למדי. היכן נמצא האטום הזה בטבע? יש כמה מקומות עיקריים לתת שם:

• חלק ירוק של צמחים, הזרעים והפירות שלהם;
• רקמות מהחי (שרירים, עצמות, אמייל שיניים, תרכובות אורגניות חשובות רבות);
• crust;
• אדמה;
• סלעים ומינרלים;
• מי ים.

במקרה הזה, אנחנו יכולים לדבר רק על צורות קשורות, אבל לא על חומר פשוט. אחרי הכל, הוא פעיל ביותר, וזה לא מאפשר לו להיות חופשי. בין המינרלים העשירים ביותר בזרחן הם:

• אנגלית;
• fluorapaptite;
• svanbergite;
• פוספוריט ואחרים.

לא ניתן להפריז במשמעות הביולוגית של יסוד זה. אחרי הכל, זה חלק מתרכובות כגון:

• proteins;
• phospholipids;
• DNA;
• RNA;
• phosphoproteins;
• enzymes.

כלומר, כל אלה שהם חיוניים ומהם בנוי האורגניזם כולו. הקצבה היומית למבוגר ממוצע היא בערך 2 גרם.

זרחן ותרכובותיו

בהיותו פעיל מאוד, יסוד זה יוצר חומרים רבים ושונים. אחרי הכל, הוא גם יוצר פוספידים, ובעצמו פועל כחומר מפחית. בשל כך, קשה לציין אלמנט שיהיה אינרטי בעת תגובה איתו. לכן, הנוסחאות של תרכובות זרחן מגוונות ביותר. ישנן מספר סוגים של חומרים בהיווצרותם הוא משתתף פעיל.

1. תרכובות בינאריות - תחמוצות, פוספידים, תרכובת מימן נדיפה, גופרית, ניטריד ואחרות. לדוגמה: P₂O₅, PCL₃, P_2S3_{, PH}3 _{ואחרים.}
2. חומרים מורכבים: מלחים מכל הסוגים (בינוני, חומצי, בסיסי, כפול, מורכב), חומצות. דוגמה: N₃PO₄, Na₃PO₄, H₄P₂O₆, Ca(H_{2 PO}4₎2_{, (NH}4₎2 HPO₄ ואחרים.
3. תרכובות אורגניות המכילות חמצן: חלבונים, פוספוליפידים, ATP, DNA, RNA ואחרות.

לרוב סוגי החומרים המיועדים יש חשיבות תעשייתית וביולוגית רבה. השימוש בזרחן ובתרכובותיו אפשרי הן למטרות רפואיות והן לייצור של חפצי בית די רגילים.

תרכובות עם מתכות

תרכובות בינאריות של זרחן עם מתכות ופחות מתכות אלקטרו-שליליות נקראות פוספידים. מדובר בחומרים דמויי מלח שאינם יציבים ביותר בחשיפה לחומרים שונים. פירוק מהיר (הידרוליזה) גורם אפילומים רגילים.

בנוסף, בפעולת חומצות לא מרוכזות, החומר מתפרק גם למוצרים המתאימים. לדוגמה, אם נדבר על הידרוליזה של סידן פוספיד, אז המוצרים יהיו מתכת הידרוקסיד ופוספין:

Ca₃P₂ + 6H₂O=3Ca(OH) 2 _{+ 2PH}3_↑

ועל ידי הכפפת הפוספיד לפירוק בפעולת חומצה מינרלית, נקבל את המלח והפוספין המתאימים:

Ca₃P₂ + 6HCL=3CaCL₂ + 2PH ₃↑

באופן כללי, הערך של התרכובות הנחשבות טמון בדיוק בעובדה שכתוצאה מכך נוצרת תרכובת מימן של זרחן, שתכונותיה ייבחנו להלן.

חומרים נדיפים על בסיס זרחן

יש שניים עיקריים:

• זרחן לבן;
• phosphine.

כבר הזכרנו את הראשון למעלה ונתנו את המאפיינים. הם אמרו שזה עשן לבן סמיך, רעיל מאוד, בעל ריח רע ומתלקח מעצמו בתנאים רגילים.

אבל מה זה פוספין? זהו החומר הנדיף הנפוץ והידוע ביותר, הכולל את היסוד המדובר. זה בינארי, והמשתתף השני הוא מימן. הנוסחה של תרכובת המימן של זרחן היא pH₃, השם הוא פוספין.

ניתן לתאר את התכונות של חומר זה כדלקמן.

1. גז חסר צבע נדיף.
2. רעיל מאוד.
3. זה מריח כמו דג רקוב.
4. אינו יוצר אינטראקציה עם מים ומתמוסס בהם בצורה גרועה מאוד. מסיס היטב באורגני.
5. בתנאים רגילים, מאוד תגובתי.
6. הצתה עצמית באוויר.
7. מופק מפירוק של פוספידים ממתכת.

שם אחר הוא Phosphane. סיפורים מימי קדם קשורים אליו. הכל קשור ל"אורות הנודדים" שאנשים ראו ורואים לפעמים בבתי קברות ובביצות. אורות כדוריים או דמויי נרות המופיעים פה ושם, שנותנים רושם של תנועה, נחשבו למבשר רע ואנשים בעלי אמונות טפלות פחדו מהם מאוד. הגורם לתופעה זו, על פי השקפותיהם המודרניות של כמה מדענים, יכול להיחשב בעירה ספונטנית של פוספין, שנוצר באופן טבעי במהלך פירוק של שאריות אורגניות, צמחיות ובעלי חיים. הגז יוצא החוצה ובמגע עם חמצן באוויר, מתלקח. צבע וגודל הלהבה עשויים להשתנות. לרוב, אלו הם אורות בוהקים ירקרקים.

ברור שכל תרכובות הזרחן הנדיפות הן חומרים רעילים שקל לזהות על ידי ריח חריף לא נעים. שלט זה עוזר למנוע הרעלה והשלכות לא נעימות.

תרכובות עם לא מתכות

אם זרחן מתנהג כחומר מפחית, אז צריך לדבר על תרכובות בינאריות עם לא-מתכות. לרוב, הם אלקטרושליליים יותר. לכן, אנו יכולים להבחין בכמה סוגים של חומרים מסוג זה:

• תרכובת של זרחן וגופרית - זרחן גופרתי P₂S₃;
• phosphorus chloride III, V;
• תחמוצות ואנהידריד;
• ברומיד ויוד ואחרים.

הכימיה של הזרחן והתרכובות שלו מגוונת, ולכן קשה לזהות את החשובים שבהם. אם נדבר ספציפית על החומרים הנוצרים מזרחן ומלא מתכות, אז תחמוצות וכלורידים בהרכבים שונים הם בעלי החשיבות הגדולה ביותר. הם משמשים בסינתזות כימיות כחומרי הסרת מים, כזרזים וכן הלאה.

לכן, אחד מחומרי הייבוש החזקים ביותר הוא תחמוצת הזרחן הגבוהה ביותר - P₂O₅. הוא מושך מים כל כך חזק שבמגע ישיר איתם מתרחשת תגובה אלימה בליווי רעש חזק. החומר עצמו הוא גוש לבן דמוי שלג, קרוב יותר לאמורפי במצב הצבירה שלו.

תרכובות אורגניות מחומצנות עם זרחן

ידוע שהכימיה האורגנית עולה בהרבה על הכימיה האנאורגנית מבחינת מספר התרכובות. זה מוסבר על ידי תופעת האיזומריזם והיכולת של אטומי פחמן ליצור שרשראות של אטומים של מבנים שונים, הנסגרים זה בזה. מטבע הדברים, יש סדר מסוים, כלומר סיווג, שכל הכימיה האורגנית כפופה לו. מחלקות חיבור שונות, עם זאת, אנו מעוניינים באחד ספציפי, הקשור ישירות לאלמנט המדובר. אלו הן תרכובות המכילות חמצן עם זרחן. אלה כוללים:

• קואנזימים - NADP, ATP, FMN, pyridoxal phosphate ואחרים;
• proteins;
• חומצות גרעין, מכיוון ששארית החומצה הזרחתית היא חלק מהנוקלאוטיד;
• פוספוליפידים ופוספופרוטאינים;
• אנזימים וזרזים.

סוג יון שבוזרחן מעורב ביצירת מולקולה של תרכובות אלו, הבא הוא PO₄^3-, כלומר, זה שייר חומצה של חומצה זרחתית. הוא קיים בחלבונים מסוימים כאטום חופשי או יון פשוט.

לתפקוד תקין של כל אורגניזם חי, יסוד זה והתרכובות האורגניות הנוצרות על ידו חשובים והכרחיים ביותר. ואכן, ללא מולקולות חלבון, אי אפשר לבנות חלק מבני אחד בגוף. ו-DNA ו-RNA הם הנשאים והמעבירים העיקריים של מידע תורשתי. באופן כללי, כל החיבורים חייבים להיות נוכחים ללא תקלה.

שימוש בזרחן בתעשייה

ניתן לאפיין את השימוש בזרחן ובתרכובותיו בתעשייה במספר נקודות.

1. משמש לייצור גפרורים, תרכובות נפץ, פצצות תבערה, כמה דלקים, חומרי סיכה.
2. כבולם גז ובייצור מנורות ליבון.
3. כדי להגן על מתכות מפני קורוזיה.
4. בחקלאות כדשן אדמה.
5. כמרכך מים.
6. בסינתזות כימיות בייצור חומרים שונים.

התפקיד באורגניזמים חיים מצטמצם להשתתפות ביצירת אמייל השיניים והעצמות. השתתפות בתגובות של אנ- וקטבוליזם, כמו גם שמירה על חציצה של הסביבה הפנימית של התא ונוזלים ביולוגיים. זה הבסיס בסינתזה של DNA, RNA, פוספוליפידים.