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Phọsphor

 

[zu griechisch phōsphóros »lichttragend« (nach der Leuchteigenschaft)] der, -s/-e, chemisches Symbol P, ein chemisches Element aus der fünften Hauptgruppe des Periodensystems. Phosphor ist ein sehr reaktionsfähiges Element, das in der Natur nur gebunden (in Form von Salzen der Phosphorsäure, Phosphaten) vorkommt.

 

Elementarer Phosphor tritt in drei kristallinen Modifikationen (als weißer, violetter und schwarzer Phosphor) sowie in einer amorphen Form (roter Phosphor) auf. Die thermodynamisch stabilste Modifikation ist der schwarze Phosphor, weißer, roter und violetter Phosphor sind jedoch wegen ihrer geringen Umwandlungsgeschwindigkeiten unter Normalbedingungen metastabil. - Weißer Phosphor (gelber, farbloser Phosphor) ist bei Zimmertemperatur eine wachsartig durchscheinende, weiße bis hellgelbe Masse. Er besteht aus P₄-Molekülen, in denen die Phosphoratome tetraedrisch verknüpft sind. Weißer Phosphor ist chemisch sehr reaktionsfreudig; mit Luftsauerstoff reagiert er leicht unter Erwärmung zu Phosphorpentoxid; ein Teil der bei der Oxidation frei werdenden Energie wird als Licht abgegeben (Chemolumineszenz), worauf das Leuchten des weißen Phosphors im Dunkeln beruht. Da weißer Phosphor selbstentzündlich ist, wird er unter Wasser aufbewahrt und behandelt; er ist in Wasser unlöslich, in einigen Lösungsmitteln, z. B. Schwefelkohlenstoff, dagegen gut löslich. Seine Dämpfe sind sehr giftig (Phosphorvergiftung). - Roter Phosphor ist ein rotes, amorphes oder feinkristallines Pulver, das sich bei längerem Erhitzen von weißem Phosphor auf 450-550 ºC unter Luftabschluss bildet. Er ist wesentlich weniger reaktionsfähig als der weiße Phosphor (entzündet sich erst oberhalb 300 ºC); im Gemisch mit starken Oxidationsmitteln, z. B. Kaliumchlorat, explodiert er jedoch schon beim einfachen Verreiben. Er ist im Gegensatz zum weißen Phosphor nicht giftig. - Violetter Phosphor entsteht bei ein- bis zweiwöchigem Erhitzen von weißem Phosphor auf 550-620 ºC; er wird auch Hittorf-Phosphor genannt, da die gleiche Modifikation von J. W. Hittorf beim Umkristallisieren von Phosphor aus einer Bleischmelze gewonnen wurde. Violetter Phosphor ist eine klare rote, violettstichige, in monoklinen, gut spaltbaren Tafeln kristallisierende Substanz. Seiner Kristallstruktur liegt ein kompliziertes Schichtgitter zugrunde, in dem die Phosphoratome röhrenförmig verknüpft sind. - Schwarzer Phosphor (metallischer Phosphor) bildet glänzende eisengraue Kriställchen mit guter thermischer und elektrischer Leitfähigkeit; das Kristallgitter enthält Doppelschichten von Phosphoratomen. In seinem chemischen Verhalten ähnelt er dem roten Phosphor. Gewonnen wird der schwarze Phosphor aus weißem Phosphor durch Anwendung hoher Drücke (bei 200 ºC 12 000 bar); bei extrem hohen Drücken erfolgt die Umwandlung augenblicklich. Daneben ist auch eine katalytische Umwandlung ohne Druck durch mehrtägiges Erhitzen auf 380 ºC in Gegenwart von metallischem Quecksilber und von Impfkristallen aus schwarzem Phosphor möglich.

 

Vorkommen:

 

Phosphor kommt in der Natur ausschließlich gebunden vor, und zwar v. a. in Form von Salzen der Phosphorsäure (Phosphaten); der durchschnittliche Gehalt der Erdkruste, berechnet auf P₂O₅ (Phosphorpentoxid), beträgt 0,27 %. Die Phosphate liegen hauptsächlich in Form von Sedimenten und in magmatischen Gesteinen vor. Dabei ist der Phosphor in Calciumphosphaten, v. a. in den verschiedenen Apatitmineralen (Apatit), gebunden. Der Apatit der magmatischen Gesteine besteht überwiegend aus Fluorapatit, Ca₅(PO₄)₃F; er bildet bedeutende Phosphatlagerstätten in Alkaligesteinen, v. a. auf der Halbinsel Kola (Ringintrusion mit Nephelinsyeniten), im Magnetitapatit von Kiruna und im Apatitpegmatit von Bamble (Norwegen). Die meisten sedimentären Phosphate bestehen aus Carbonat-Hydroxyl-Fluor-Apatiten mit der ungefähren chemischen Zusammensetzung Ca₅ [(F, OH) (PO₄, CO₃)₃]. Einen besonders hohen Fluorgehalt (über 1 %) besitzt der Francolith (Carbonat-Apatit). Phosphatsedimente werden Phosphorit genannt. - Phosphate sind wesentliche Bestandteile des Knochengerüsts von Wirbeltieren und der Hartteile von manchen Wirbellosen.

 

Gewinnung:

 

Phosphor wird technisch durch Reduktion von Phosphaten (v. a. Calciumphosphaten wie Apatit und Phosphorit) mit Kohle oder Koks (C) unter Zusatz von Quarzsand (Siliciumdioxid, SiO₂) im Elektroofen bei Temperaturen von etwa 1 300-1 400 ºC entsprechend folgender Gleichung gewonnen:

 

Dabei fällt der Phosphor stets in Form des weißen Phosphors an, der abdestilliert und durch weitere Destillation gereinigt wird. Er kommt in Stangen gegossen in den Handel. - Der Phosphorgehalt einiger Eisenerze, z. B. der Minette, fällt bei der Verhüttung als Thomasmehl an.

 

Verwendung:

 

Weißer Phosphor wird zur Herstellung von Phosphorverbindungen aller Art verwendet, v. a. von Phosphoroxiden, -Säuren, -Halogeniden, die zu zahlreichen weiteren Verbindungen umgesetzt werden. Früher diente weißer Phosphor auch zur Herstellung von Zündhölzern, heute wird hierfür roter Phosphor benutzt. Ferner wird Phosphor zur Erzeugung von Brandbomben und von künstlichem Nebel verwendet. Phosphor ist Bestandteil einiger Legierungen (z. B. Phosphorbronze); in der Metallurgie dient Phosphor (meist in Form von Phosphiden) als wichtiges Desoxidationsmittel.

 

Biologische Bedeutung:

 

Phosphor gehört zu den für eine normale Entwicklung der Pflanzen unerlässlichen Nährstoffen. Die Pflanzen decken den Phosphorbedarf aus den mineralischen Phosphoranteilen des Bodens, die durch chemische Verwitterungsvorgänge aus dem Gestein verfügbar werden. Phosphor ist auch für Menschen und Tiere unentbehrlich; er ist z. B. in Nukleinsäuren und Enzymen enthalten, an allen Vorgängen des Energiestoffwechsels und an Stoffwechselreaktionen (z. B. Stärkebildung, Proteinbiosynthese, Knochenaufbau) beteiligt.

 

Geschichte:

 

Phosphor wurde 1669 von dem Alchimisten H. Brand entdeckt. Als Element erkannt wurde Phosphor jedoch erst von A. S. Marggraf, der 1743 Phosphor durch Oxidation mit Salpetersäure in Phosphorsäure überführte, sowie durch A. L. de Lavoisier, der 1772 bei seinen Untersuchungen über die Verbrennung des Phosphors zu dem Ergebnis kam, dass Phosphorsäure aus Phosphor und Sauerstoff zusammengesetzt ist.

 

Literatur:

 

Marine phosphorites, geochemistry, occurrence, genesis, hg. v. Y. K. Bentor (Tulsa, Okla., 1980);

 I. Valeton: Sedimentäre Phosphatgesteine, in: Sedimente u. Sedimentgesteine, hg. v. H. Füchtbauer (⁴1988).