Phosphor

  • Symbol: P
  • Ordungszahl: 15

V. Hauptgruppe (Stickstoffgruppe)

Namensbedeutung

phosphoros (grch.): Lichttr├Ąger (engl.: phosphorus)

Entdeckung

Die Suche nach dem "Stein der Weisen" befl├╝gelte die Menschen des Mittelalters und der fr├╝hen Neuzeit. Da man seinerzeit glaubte, da├č man Stoffe nahezu beliebig in einander umwandeln k├Ânnte, lag die Vermutung nahe, man k├Ânne aus wertlosen Substanzen und billigen Metallen Gold machen. Diese Versuche besch├Ąftigen ganze Alchimistengeneration. Zwar gelang keinem trotz gr├Â├čter Anstrengung die Goldherstellung, aber grundlegende chemische Erkenntnisse wurden dennoch gewonnen. So entdeckte beispielsweise Kunkel bei seinen Versuchen, Gold zu machen, einen Herstellungsweg f├╝r Porzellan, das fortan auch wei├čes Gold genannt wurde.

Derartige Versuche lie├čen den Deutschen Henning Brandt um 1669 den "Stein des Lichts" entdecken: Phosphor. Brandt war damals in argen Geldn├Âten und es w├Ąre wohl eine wesentliche Erleicherung seiner Lage gewesen, wenn er die Formel f├╝r Gold gefunden h├Ątte. Warum er daf├╝r aber verfaulten menschlichen Urin destillierte und eindampfte, l├Ą├čt sich oberfl├Ąchlich betrachtet vielleicht nur mit seinen Finanzn├Âten begr├╝nden. Seine Wahl liegt aber eher in der Tatsache begr├╝ndet, da├č menschliche Ausscheidungen eine zentrale Rolle in der mittelalterlichen Gedankenwelt der Alchimie spielten. Ziel der ├ťbung war, da├č er eine Ausgangssubstanz f├╝r die Herstellung eines "Steins der Weisen" machen wollte, aus dessen Verbindung mit einem Metall dann das wertvolle Gold entstehen sollte. Jedenfalls beobachtete er in seiner Versuchsapparatur einen wei├čen Dampf, der sich zu einer gr├╝nlich leuchtenden Masse verdickte. Noch erstaunlicher f├╝r ihn war, da├č der Stoff ohne erkennbaren Grund zu brennen begann und noch unter Wasser weitergimmte! Diese Entdeckung hielt er einige Zeit geheim, da er sich auf dem richtigen Weg glaubte. Um 1675 bot er von ihm erzeugten Phosphor f├╝r ein entsprechendes Entgelt einigen Kollegen seiner Zunft an. Im April 1676 stellte der Arzt Johannes Daniel Krafft den neuen Stoff erstmals am Hof des Kurf├╝rsten Friedrich Wilhelms II. vor und nannte ihn "Phosphorus mirabilis", den wunderbaren Lichttr├Ąger. Diese Vorstellung war so erfolgreich, da├č er daraufhin eine Tournee durch verschiedene europ├Ąische H├Âfe begann.

Auch Kunkel nahm sich des Leuchtstoffes an und entwickelte selbst├Ąndig ein Herstellungsverfahren und beanspruchte fortan die Entdeckung f├╝r sich. Da auch er sein Herstellungsverfahren nicht Preis gab, entwickelten andere Wissenschaftler in der Folgezeit immer wieder eigene Methoden. Die Phosphor-Darstellung blieb lange Zeit eine langwierige Prozedur; Ausgangsstoff sollte auch weiterhin Urin bleiben. Phosphor selbst war teuer und eigentlich nur eine bestaunte Jahrmarktskuriosit├Ąt ohne praktischen Nutzen. 1769 stellte der schwedische Mineraloge Gahn fest, da├č auch in den Knochen Phosphor enthalten war, so da├č man es mit entsprechenden Verfahren nun auch in gr├Â├čeren Mengen gewinnen konnte. Das im Prinzip noch heute g├╝ltige Verfahren zur Phosphorgewinnung wurde 1829 durch Friedrich W├Âhler entwickelt. Die ersten nennenswerten Phosphormengen wurden seit Anfang des 19. Jahrhundert bei der Z├╝ndholzherstellung verwendet.

Vorkommen

H├Ąufigkeiten in % in ppm
Weltall 0,0007 7
Sonne 0,0007 7
Erdkruste 0,10 1010
Meer 0,00001 0,07
Mensch 0,996 10000

Phosphor geh├Ârt zusammen mit Stickstoff, Arsen, Antimon und Bismut zur Stickstoffgruppe. Wegen seiner gro├čen Affinit├Ąt zu Sauerstoff kommt er in der Natur nicht elementar vor, sondern nur in Form seiner Phosphatmineralien. Der Anteil am Aufbau der Erdkruste betr├Ągt sch├Ątzungsweise zwischen 0,10 und 0,12 Gewichtsprozent. Von der Vielzahl der Phosphatmineralien ist vor allem Apatit Ôłĺ insbesondere Fluorapatit Ôłĺ von industrieller Bedeutung. Des weiteren sind Phosphorit, Pyromorphit (Bundbleierz), T├╝rkis und Vivianit zu nennen. Manche Eisenerze enthalten gro├če Phosphatmengen, die bei der Eisenaufbereitung als sog. Thomasmehl anfallen und als D├╝nger verwendet werden. L├Ąngere Zeit war Guano, die phosphorhaltigen Ausscheidungen pazifischer Meeresv├Âgel, eine wichtige Quelle zur Phosphatgewinnung. Auch heute noch ist Guano ein beliebtes D├╝ngemittel.

Eigenschaften

Phosphor ist ein Nichtmetall, das drei allotrophe Hauptmodifikationen hat: wei├čen, roten und schwarzen Phosphor. Die Ausbildungsformen unterscheiden sich in Struktur und Eigenschaften stark voneinander:

  • Wei├čer Phosphor ist eine weiche wachsartige Masse, die aus tetraedrischen P4-Molek├╝len aufgebaut ist und in Wasser unl├Âslich ist. Schon bei 44┬░C geht er in eine fl├╝ssige Schmelze ├╝ber und bei 280┬░C siedet er. Wei├čer Phosphor ist die reaktivste Modifikation des Elements. Im Dunkeln ist eine leichtes gr├╝nliches Fluoreszieren wahrnehmbar, das von der langsamen Oxidation zu P2O3 herr├╝hrt. In feinverteilter Form neigt wei├čer Phosphor zur Selbstentz├╝ndung und mu├č deshalb in einer Schutzfl├╝ssigkeit (Wasser) aufbewahrt werden. Phosphorbrand kann nicht mit Wasser gel├Âscht, sondern mu├č mit Sand erstickt werden. Diese Tatsache machte man sich im Zweiten Weltkrieg bei der Konstruktion von Brandbomben f├╝r die fl├Ąchenhafte Zerst├Ârung von St├Ądten zu nutze. Wei├čer Phosphor ist dar├╝ber hinaus sehr giftig.
  • Roter Phosphor ist ein amorphes Pulver mit tiefroter F├Ąrbung. Er steht in seinem Verhalten zwischen der wei├čen und der schwarzen Modifikation und kann unter Luftabschlu├č durch Erhitzen auf 250┬░C aus wei├čen Phosphor erzeugt werden. Bei diesem Vorgang brechen die P4-Tetraeder auf und ein unregelm├Ą├čiges Netzwerk aus Atomen entsteht. Diese Modifikation ist unl├Âslich und seine Reaktivit├Ąt ist weit geringer als die der wei├čen Form. Erst bei einer Temperatur ├╝ber 260┬░C ist die rote Modifikation brennbar; der Schmelzpunkt liegt bei 620┬░C. Roter Phosphor ist ungiftig. Wird er l├Ąnger als eine Woche bei einer Temperatur ├╝ber 550┬░C erhitzt, bildet sich violetter Phosphor, auch Hittorf'scher Phosphor genannt, dessen Struktur recht komplex ist.
  • Schwarzer Phosphor ist ein schwarzes, leicht metallisch gl├Ąnzendes, kristallines Pulver mit leicht schuppiger Konsistenz. In seiner Struktur erinnert er an Graphit. ├ähnlich diesem ist es aus einem Schichtengitter aufgebaut, das aus Sechserringen gebildet wird. Anders als bei Graphit sind diese Ringe aber nicht eben, sondern wellenf├Ârmig. Schwarzer Phosphor leitet elektrischen Strom und steht in seinen Eigenschaften der roten Form nahe. Er ist unl├Âslich und hat die geringste Reaktivit├Ąt aller Modifikationen.

Von den Phosphor-Verbindungen sollen an dieser Stelle folgende erw├Ąhnt werden: Phosphorwasserstoff, Phosphor(III)-chlorid, Phosphor(IV)-chlorid, Phosphor(V)-oxid und phosphorige S├Ąure sowie Phosphors├Ąure.

Biologische Bedeutung

Phosphor ist f├╝r alle biologischen Organismen von essentieller Bedeutung. Er ist Bestandteil der DNS (Desoxiribonukleins├Ąure), der Substanz also, auf der die Erbinformation gespeichert ist. In Form auf ATP (Adenosintriphoshat) spielt es eine entscheidende Rolle beim Energiestoffwechsel. Er ist au├čerdem in Zuckerphosphaten, Phospholipiden und Coenzymen enthalten. Im Trockengewicht terrestrischer Pflanzen ist ca. 3% Phosphor enthalten. Die Verf├╝gbarkeit von Phosphat f├╝r Pflanzen wirkt vielfach als limitierender Faktor der Prim├Ąrproduktion, so da├č in landwirtschaftlichen Kulturen gro├če Mengen phosphathaltigen D├╝ngers ausgebracht werden m├╝ssen. F├╝r S├Ąugetiere ist Phosphor in Form seiner Verbindung Hydroxiapatit beim Aufbau der Knochen und Z├Ąhne bedeutsam. Im K├Ârper eines erwachsenen Menschen mit einem durchschnittlichen K├Ârpergewicht von 70 kg befindet sich eine Phosphormenge von ca. 700 g, der gr├Â├čte Teil dieser Menge, ca. 600 g, ist in der Verbindung Hydroxiapatit gespeichert.

Anorganische Phosphate sind relativ harmlos, wohingegen wei├čer Phosphor Ôłĺ wie bereits erw├Ąhnt Ôłĺ und viele Phosphorverbindungen sehr giftig sind. Der Arbeitsschutzwert f├╝r die wei├če Phosphormodifikation wurde mit 0,1 mg/m3 (MAK-Wert) festgelegt. Auch Phosphorwasserstoff ist giftig. Es beeintr├Ąchtigt das zentrale Nervensystem und sch├Ądigt die Lunge (MAK-Wert: 0,1 ml/m3 bzw. 0,15 mg/m3). Als nervenl├Ąhmende Insektengifte werden Phosphorester eingesetzt.

Isotope

Phosphor hat nur ein stabiles Isotop, das die Massenzahl 31 hat. Au├čerdem sind gegenw├Ąrtig acht Radionuklide bekannt, von denen P-32 mit 14,3 Tagen und P-33 mit 25,3 Tagen die l├Ąngsten Halbwertszeiten haben. Am schnellsten zerf├Ąllt P-28 mit einer Rate von nur 270 Millisekunden. P-32 wird in Medizin und Forschung als radioaktiver Tracer eingesetzt, um Stoffwechselprozesse beobachten zu k├Ânnen.

Verwendung

Elementarer (roter) Phosphor wird in den Streichfl├Ąchen von Z├╝ndh├Âlzern verarbeitet; wei├čer Phosphor wird in Brandbomben und Nebelgranaten eingesetzt. Der gr├Â├čte Teil des Phosphors wird aber zu Verbindungen weiterverarbeitet: zu Phosphors├Ąure, Phosphor(V)-oxid und besonders zu Phosphaten. Die Weltproduktion an Phosphaten ohne Guano betrug 1990 157 Mio. Tonnen. Die gr├Â├čten Produzenten sind die Vereinigten Staaten (29,5%), die GUS (21%), China (14%), Marokko (13,5%) und Tunesien (4%) sowie Jordanien (3,5%). Ein gro├čer Teil der Produktionsmenge wird zu D├╝ngemittel weiterverarbeitet. Fr├╝her waren in Waschmittel ebenfalls Phosphate enthalten, die aber wegen der ├ťberd├╝ngung von Oberfl├Ąchengew├Ąssern durch die weniger sch├Ądlichen Zeolithe ersetzt wurden. Phosphate dienen als Futter- und Lebensmittelzusatzstoffe und werden in Medikamenten verarbeitet. Als Flammschutzmittel f├╝r Textilien wird Ammoniumphosphat eingesetzt. Phosphors├Ąure wird unter anderem zur Phosphatierung von Eisen als Korrosionsschutz verwendet. Verschiedene Phosphorverbindungen finden im Pflanzenschutz als wirksame Insektengifte Einsatz. Au├čerdem werden viele bei Synthesen der chemischen Industrie eingesetzt.

Elementdaten

 

  • Phosphor (OZ: 15)
  • V. Hauptgruppe
  • Stickstoffgruppe

Normalzustand

  • Feststoff - Nichtmetall, 3 allotrophe Hauptmodifikationen: wei├č, rot und schwarz
  • CAS-Nummer: 7723-14-0
  • Kernladungszahl: 15
  • rel. Atommasse: 30,973762
  • Kernladung: 4,80

Radien

  • Atomradius: 93,0 pm
  • Ionenradius: 212 (-3) pm
  • Kovalenzradius: 110 pm
  • Konfiguration: [Ne] 3s┬▓ 3p┬│
  • Oxidationszahlen: 5, 3, -3
  • Ionisierungseng.: 10,486
  • Dichte: 1,82 w g/cm┬│

Elektronegativit├Ąt

  • Pauling: 2,19
  • Allred & Rochow: 2,1
  • Pearson: 5,62 eV

Temperatur

  • Schmelzpunkt: 317.3 K (44 (P4) ┬░C)
  • Siedepunkt: 553.0 K (280 (P4) ┬░C)

Nat├╝rliche Isotope

  • P-31: 100%

Entdeckung

  • 1669, Brandt, Deutschland