Phốt pho là gì?

Phốt pho (Phosphorus) là một nguyên tố hóa học; có ký hiệu P và số nguyên tử 15.

Tất cả các dạng nguyên tố của phốt pho đều phản ứng rất mạnh và do đó không bao giờ tồn tại tự nhiên. Tuy nhiên, chúng có thể được tổng hợp nhân tạo, với hai thù hình phổ biến nhất là phốt pho trắng và phốt pho đỏ.

Với đồng vị bền duy nhất là ³¹P, phốt pho có nồng độ trong vỏ Trái Đất khoảng 0,1%, chủ yếu tồn tại dưới dạng quặng phosphate. Là thành viên của họ nitơ (pnictogen), phốt pho dễ dàng tạo ra nhiều hợp chất hữu cơ và vô cơ, với các mức oxy hóa chính là +5, +3 và −3.

Đặc điểm đặc điểm của phốt pho

Đồng vị 

Phốt pho có 22 đồng vị đã biết, từ ²⁶P đến ⁴⁷P. Chỉ có ³¹P là bền, chiếm 100% tự nhiên.

Spin hạt nhân 1/2 và độ phong phú cao của ³¹P khiến phổ cộng hưởng từ hạt nhân phốt pho-31 (³¹P NMR) trở thành công cụ phân tích rất hữu ích trong nghiên cứu các mẫu chứa phốt pho.

Tính chất nguyên tử 

Một nguyên tử phốt pho có 15 electron, trong đó 5 electron hóa trị. Cấu hình electron: 1s²2s²2p⁶3s²3p³, thường được viết gọn là [Ne]3s²3p³.

Năng lượng ion hóa mol của năm electron này lần lượt là 1011,8; 1907; 2914,1; 4963,6 và 6273,9 kJ⋅mol⁻¹.

Hình dạng

Phốt pho có nhiều thù dạng với tính chất rất đa dạng.

• Phốt pho trắng: hữu dụng và phổ biến nhất
• Phốt pho đỏ: phổ biến thứ hai
• Hai thù hình chính khác là tím và đen, chủ yếu quan tâm về nghiên cứu hoặc ứng dụng chuyên biệt.
• Nhiều thù hình khác đã được lý thuyết hóa và tổng hợp; việc tìm kiếm vật liệu mới là lĩnh vực nghiên cứu năng động.
• “Phốt pho vàng” thường nhắc đến không phải thù hình, mà là kết quả của sự phân hủy dần từ phốt pho trắng thành đỏ, bị tăng tốc bởi ánh sáng và nhiệt. Điều này khiến phốt pho trắng cũ hoặc không tinh khiết (ví dụ cấp vũ khí) có màu vàng.

Tồn tại phốt pho tự nhiên 

Năm 2013, các nhà thiên văn phát hiện phốt pho trong Cassiopeia A, xác nhận nguyên tố này được tạo ra trong siêu tân tinh như sản phẩm phụ của tổng hợp hạt nhân.

Tỷ lệ phốt pho–sắt trong vật chất từ tàn dư siêu tân tinh có thể cao gấp 100 lần so với Dải Ngân Hà.

Năm 2020, các nhà thiên văn phân tích dữ liệu từ ALMA và ROSINA tại vùng hình thành sao AFGL 5142, phát hiện các phân tử mang phốt pho và cách chúng có thể được đưa tới Trái Đất sơ khai qua sao chổi.

Phốt pho có nồng độ trong vỏ Trái Đất khoảng 1 g/kg (so với đồng là 0,06 g/kg).

Không tồn tại tự do trong tự nhiên, nhưng phân bố rộng trong nhiều khoáng chất, chủ yếu là phosphate. Quặng phosphate vô cơ, chủ yếu chứa apatite, hiện là nguồn thương mại chính của nguyên tố này.

Hợp chất

Phosphate vô cơ 

Axit photphoric 

Hợp chất phổ biến nhất là dẫn xuất của anion phosphate (PO₄³⁻), một anion tứ diện. Phosphate là base liên hợp của axit photphoric, được sản xuất hàng loạt cho phân bón.

Muối kim loại 

Khi kết hợp với cation kim loại, phosphate tạo nhiều muối. Các chất rắn này thường là polymer, với liên kết P–O–M.  Khi cation có điện tích 2+ hoặc 3+, muối thường không tan, tồn tại dưới dạng khoáng chất phổ biến. Nhiều muối phosphate bắt nguồn từ hydrogen phosphate (HPO₄²⁻).

Polyphosphate

Phosphate có xu hướng tạo chuỗi và vòng chứa liên kết P–O–P.Nhiều polyphosphate đã biết, bao gồm ATP. Polyphosphate hình thành nhờ khử nước từ hydrogen phosphate như HPO₄²⁻ và H₂PO₄⁻.

Axit oxo 

Axit oxo của phốt pho rất đa dạng, quan trọng về thương mại, và đôi khi cấu trúc phức tạp.
Chúng có proton acid gắn với oxy, một số có proton không acid gắn trực tiếp với phốt pho, và một số chứa liên kết phốt pho–phốt pho.
Mặc dù nhiều axit oxo được hình thành, chỉ có 9 axit có tầm quan trọng thương mại, trong đó hypophosphorous, phosphorous và orthophosphoric acid đặc biệt quan trọng.

Các hợp chất vô cơ khác

Oxit và sulfua 

• Phốt pho pentaoxide (P₄O₁₀): anhydride của axit photphoric, chất rắn trắng sáp, phản ứng mạnh với nước.
• Phốt pho trioxide (P₄O₆): anhydride của P(OH)₃, cấu trúc tương tự P₄O₁₀ nhưng thiếu nhóm oxit đầu cuối.
  

Halide

• Phốt pho halide có mức oxy hóa +3 (trihalide), +5 (pentahalide), và +2 (disphosphorus tetrahalide).
• Bốn trihalide đối xứng: PF₃ (khí), PCl₃, PBr₃ (lỏng vàng nhạt), PI₃ (rắn).
  

Nitride

• PN (phosphorus mononitride) không ổn định, sinh ra từ sự phân hủy triphosphorus pentanitride ở 1.100 K.
• H₂PN không ổn định; phosphide halogen như F₂PN, Cl₂PN, Br₂PN, I₂PN oligomer hóa thành polyphosphazenes vòng.
  

Phosphide và phosphine

• Phosphide kim loại sinh ra từ phản ứng kim loại với phốt pho đỏ.
• Kim loại kiềm (nhóm 1) và kiềm thổ (nhóm 2) cũng tạo Na₃P₇, phản ứng với nước tạo phosphine.
• Phosphine (PH₃) và dẫn xuất hữu cơ tương tự ammonia (NH₃), nhưng góc liên kết ở phốt pho gần 90°.
  

Vai trò sinh học của phốt pho

Tế bào 

Phốt pho vô cơ dưới dạng phosphate (PO₄³⁻) cần thiết cho mọi dạng sống. Phốt pho tham gia cấu trúc DNA và RNA, và vận chuyển năng lượng tế bào qua ATP, cần cho mọi quá trình sử dụng năng lượng.

Xương và men răng 

Thành phần chính của xương là hydroxyapatite và các dạng phosphate canxi vô định hình, có thể bao gồm carbonate.

Hydroxyapatite là thành phần chính của men răng. Tẩy fluor trong nước tăng khả năng chống sâu răng nhờ chuyển đổi một phần thành fluorapatite.

Dinh dưỡng 

Nguồn thực phẩm giàu phốt pho thường giống thực phẩm chứa protein, ví dụ sữa, thịt, đậu nành.

Sản xuất phốt pho

• Khai thác: Nguồn thương mại chủ yếu là quặng phosphate. Vòng tuần hoàn phốt pho ít có giai đoạn khí, nên khai thác khác hiếm.
• Chế biến: Hầu hết nguyên liệu chứa phốt pho dùng làm phân bón. Ở mức độ tinh khiết vừa phải, phốt pho được lấy từ quặng phosphate bằng quy trình ướt, xử lý khoáng chất với axit sulfuric để tạo axit photphoric.
• Trữ lượng: Phốt pho chiếm khoảng 0,1% khối lượng vỏ Trái Đất. Chỉ các dạng tập trung (quặng phosphate hoặc phosphorite) có thể khai thác, phân bố không đồng đều.

Ứng dụng của phốt pho 

Diêm 

Diêm an toàn khó cháy trên bề mặt khác ngoài thanh gạt đặc biệt.

Thanh gạt chứa phốt pho đỏ không độc, đầu diêm chứa potassium chlorate. Khi gạt, một lượng nhỏ hỗn hợp giữa đầu diêm và thanh gạt tạo hỗn hợp Armstrong, rất nhạy với lực tác động.

Quân sự 

Dù việc sử dụng phốt pho trắng bị hạn chế bởi luật quốc tế, munition phốt pho trắng vẫn dùng trong: bom cháy, màn khói, bom khói, và đạn vạch đường.

Kim loại 

Phốt pho là thành phần quan trọng trong sản xuất thép, làm đồng phosphor và nhiều sản phẩm liên quan.

Chất bán dẫn 

Phốt pho là chất pha tạp cho bán dẫn loại N trong điện tử công suất cao và cảm biến bán dẫn. Trong quá trình này, phốt pho không có sẵn từ đầu mà được tạo ra trực tiếp từ silicon trong quá trình chế tạo thiết bị.