Красный фосфор

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова»

Факультет политологии

Реферат по дисциплине: «Современное естествознание»

На тему: «Красный фосфор»

Выполнил: студент 102 группы Горушкин А.В.

Проверил: старший преподаватель Голиков К.А.

Москва 2014

В наши дни практически каждому очевидно, что современный мир в невероятной степени зависит от технологий. Блендер, зубная щетка, мобильный телефон, автомобиль: сейчас очень сложно найти предмет, сделанный непосредственно руками человека без вмешательства техники. Стоит понимать, что для подобного стиля производства необходимы не только знания, огромные капиталы, высокая степень кооперации, но и ресурсы.

Вполне очевидно, что сами производители и люди, непосредственно связанные с этой сферой помнят об этом четко. Однако в умах обычных людей первостепенность ресурсной базы постепенно отходит на второй план. На фоне стремительного развития технологий это вполне объяснимо, ведь из одного и того же материала разные компании могут создать принципиально различающиеся между собой вещи: и по качеству, и по цене. Но разве смогут ли они сделать хоть что-нибудь без необходимых материалов Конечно же, нет.

Никто не отрицает важности использования высокотехнологичного производства для улучшения качества жизни людей, для нашего с вами удобства. Но если бы человечеству пришлось отказаться от некоторых достижений науки, то в первую очередь пострадали бы относительно недавние изобретения. И дело не в том, что они не актуальны или не нужны. Причина в том, что без персонального компьютера обычный человек выжить сможет, а без технологий заморозки или транспортировки пищи - вряд ли.

Именно поэтому нам представляется необходимым уделить внимание одному из ресурсов, без которых, при всех их «неприметности», невозможна жизнедеятельность человечества. Это - фосфор.

Название этого элемента переводится с древнегреческого как «светоносный». Относится к 15-й группе 3-го периода, имеет атомные номер 15. Фосфор содержится во всех частях зелёных растений, ещё больше его в плодах и семенах. Содержится в животных тканях, входит в состав белков и других важнейших органических соединений (АТФ, ДНК), является элементом жизни.

Примечательно, что открытие фосфора гамбургским алхимиком Хеннигом Брандом в 1669 году стало первым открытием нового элемента со времен античности. Подобно другим алхимикам, Бранд пытался отыскать философский камень, а получил светящееся вещество. Бранд сфокусировался на опытах с человеческой мочой, так как полагал, что она, обладая золотистым цветом, может содержать золото или нечто нужное для добычи. Первоначально его способ заключался в том, что сначала моча отстаивалась в течение нескольких дней, пока не исчезнет неприятный запах, а затем кипятилась до клейкого состояния. Нагревая эту пасту до высоких температур и доводя до появления пузырьков, он надеялся, что, сконденсировавшись, они будут содержать золото. После нескольких часов интенсивных кипячений получались крупицы белого воскоподобного вещества, которое очень ярко горело и к тому же мерцало в темноте. Бранд назвал это вещество phosphorus mirabilis (лат. «чудотворный носитель света»).

Как же образуется фосфор? Проблема генезиса фосфоритов имеет более чем столетнюю историю и по своей сложности она не уступает самым трудным вопросам происхождения месторождений марганца и бокситов. Существующие теории фосфогенеза во всех деталях повторяют тупиковые направления теории марганцевого рудообразования.

Наиболее известной, логичной, плодотворной и признаваемой геологическим сообществом является предложенная в 1937 г. А.В. Казаковым схема выпадения фосфора в осадок из холодных вод апвеллинга на мелководном шельфе. Казаков считал, что глубинные океанские воды насыщены углекислотой и поэтому содержат повышенные концентрации фосфора. На шельфе воды апвеллинга прогревались, отчего растворимость углекислоты и фосфатов уменьшалась, и они естественным образом удалялись из растворов - углекислота в виде СО2, а фосфаты осаждались в твердой фазе рудных залежей.

Также существует дополнительная версия, которая описывает альтернативный способ образования фосфоритов. Она основывается на том, что в природе фосфор главным образом находится в виде апатита, который является относительно устойчивым соединением. На земной поверхности он разлагается под влиянием атмосферных деятелей и переходит в растения. Через растения и животных фосфор при гниении тела животного - медленным путем выделения из раствора - переходит в ряд очень разнообразных практически важных соединений, так называемых фосфоритов. Все эти фосфориты мало-помалу с течением веков дают нам тот же самый апатит. Тот же самый процесс мы видим всюду -- для соединений меди, железа, азота, кремния и пр.

Содержание фосфора в земной коре составляет 0,105% по массе, что значительно превосходит содержание, например, азота (см. АЗОТ). В морской воде 0,07 мг/л. В свободном виде в природе фосфор не встречается, но он входит в состав 200 различных минералов. Наиболее известны фосфорит кальция Са3(РО4) 3, апатиты, монацит, бирюза. При том стоит еще раз заметить, что фосфор входит в состав всех живых организмов.

Некоторая сложность состоит в том, элементарный фосфор при нормальных условиях существует в виде нескольких устойчивых аллотропических модификаций. Все возможные аллотропические модификации фосфора пока до конца не изучены. Традиционно различают четыре его модификации:

· Белый

· Красный

· Чёрный

· Металлический

Иногда их ещё называют главными аллотропными модификациями, подразумевая при этом, что все остальные описываемые модификации являются смесью этих четырёх. При стандартных условиях устойчивы только три аллотропических модификации фосфора (например, белый фосфор термодинамически неустойчив (квазистационарное состояние) и переходит со временем при нормальных условиях в красный фосфор). В условиях сверхвысоких давлений термодинамически устойчива металлическая форма элемента. Все модификации различаются по цвету, плотности и другим физическим и химическим характеристикам, особо, по химической активности. При переходе состояния вещества в более термодинамически устойчивую модификацию снижается химическая активность, например, при последовательном превращении белого фосфора в красный, чёрный, или металлический.

Фосфор в соединениях главным образом ковалентен. Фосфор обладает свободными 3d-орбиталями, что приводит к образованию донорно-акцепторных связей. Наиболее активен белый фосфор. Он окисляется на воздухе. Окисление происходит по механизму цепных реакций и сопровождается хемолюминесценцией. При горении фосфора в избытке кислорода получается P2O5, который образует димеры Р4О10 и тетрамеры Р8О20. При недостатке кислорода получается P2O3. Самовоспламеняется на воздухе за счет выделяющейся при окислении теплоты. Красный фосфор на воздухе окисляется медленно, не самовоспламеняется. Черный фосфор на воздухе не окисляется.

Главным сырьем для получения фосфора служат фосфатные руды. Они (апатиты, фосфориты) относятся к стратегическим видам полезных ископаемых, способствующих обеспечению продовольственной безопасности страны.

Разведанные запасы составляют 100 млрд.т. В мировом балансе добываемого фосфатного сырья основная роль принадлежит фосфоритовым рудам (90 %); в нашей стране, наоборот, благодаря наличию уникальных месторождений Хибинского массива доля апатитовых руд в составе фосфатного сырья является доминирующей. Кроме того, Россия по ресурсам фосфатного сырья занимает одно из первых мест в мире, они составляют 12,8 млрд.т., из которых значительная часть промышленных запасов приходится на апатитовые руды. Теперь рассмотрим фосфатные руды подробнее.

Апатиты. В зависимости от содержания выделяются фтор-, хлор-, гидроксил-апатит, чаще встречается фтор-апатит. В качестве примесей могут присутствовать Sr, Ba, Mg, Mn, TR и др. Месторождения апатита связаны с изверженными и метаморфическими породами, образуясь в результате эндогенных процессов, в то время как месторождения фосфоритов - с осадочными породами, формируясь в результате экзогенных процессов.

Апатит является сырьём для производства фосфорных удобрений, фосфора и фосфорной кислоты, его применяют в черной и цветной металлургии, в производстве керамики и стекла. Апатит используют ювелиры. Ювелирные апатиты имеют небольшие размеры - обычно до 5 карат, изредка до 20 карат. Самый крупный кристалл апатита ювелирного качества был найден в Кении и весил 147 карат.

Большая часть общих мировых запасов апатитовых руд сосредоточена в:

· России

· ЮАР

· Бразилии

· Финляндии

· Канаде

· Уганде

· Габоне

· Замбии.

Фосфориты. Породы различного происхождения, как правило, осадочные, которые содержат P2O5 и пригодны для дальнейшего обогащения. Осадочные горные породы, сложенные минералами из группы апатита. В основном используются для изготовления фосфатных удобрений. Наиболее распространенный фосфатный минерал - фторкарбонатапатит (франколит), отличающийся от апатита наличием в структуре анионов CO2-2 или иные изоморфные замещения: атомов Ca на Sr, Na и др.; атомов F на ОН- Сl. Фосфориты содержат также нефосфатные минералы: основные - глауконит, доломит, кальцит, кварц, халцедон; второстепенные - глинистые, алюмосиликатные, пирит, гидроксиды Fe. В Фосфоритах присутствуют также органическое в-во (фосфатизированные обломки ихтиофауны, рептилий, моллюсков и т. п.), часто U, лантаноиды цериевой группы, Sr, реже примеси Pb, V, Sc(скандий), Zr, Se и др. Фосфориты имеют обычно темный (до черного), серый, буро-серый, редко белый, иногда зеленый, красный и желтый цвет; P2O5 от 5 до 38-40% по массе.

Фосфориты подразделяют на морские и континентальные. Среди морских фосфоритов выделяют пластовые, или микрозернистые (разновидность - оолитово-микрозернистые), зернистые, желваковые, ракушечные; среди континентальных - породы коры выветривания (карстовые, вторичные, или остаточные) и органогенные (гуано). В СНГ промышленное значение имеют в основном оолитово-микрозернистые, желваковые и ракушечные фосфориты, залегающие преимущественно в России и Казахстане.

Также выделяют категории фосфоритов:

К категории С1 относятся запасы на участках месторождений, в пределах которых выдержана принятая для этой категории сеть скважин, а полученная при этом информация подтверждена на разрабатываемых месторождениях данными эксплуатации, на новых месторождениях - результатами, полученными на участках детализации.

Контуры запасов категории С1 определяются по скважинам и на основании геологически обоснованной экстраполяции, учитывающей изменение морфоструктурных особенностей, мощностей рудных тел и качества руд.

Запасы категории С2. К этой категории относятся предварительно оцененные запасы, подсчитываемые путем экстраполяции по простиранию и падению от разведанных запасов более высоких категорий на основе геофизических работ, геолого-структурных построений и единичных рудных пересечений, подтверждающих эту экстраполяцию, а по самостоятельным рудным телам - исходя из совокупности рудных пересечений, установленных в обнажениях, горных выработках и скважинах с учетом данных геофизических, геохимических исследований и геологических построений. При определении контуров подсчета запасов категории С2 рекомендуется учитывать условия залегания рудных тел и установленные на месторождении закономерности изменения их размеров, формы, мощности и качества руд.

Наиболее крупные общие запасы фосфоритовых руд сосредоточены в:

· Марокко

· США

· Перу

· Казахстане

· Монголии

· Китае

· Египте

· Мексике

· Ираке

· Иордании

· Сирии

· Тунисе

· Алжире.

Общая статистика расположения фосфора может быть представлена на следующем рисунке:

Рис. 1

Шкала распространения фосфоритов и апатитов:

Если рассматривать географическую составляющую запасов фосфорных руд в нашей стране, то стоит заметить, что основные и наиболее качественные запасы фосфатных руд России сосредоточены в Мурманской области (рис. 2 и 3). В других регионах страны минерально-сырьевая база либо неудовлетворительна по качеству, либо находится на территориях со слабо развитой инфраструктурой и/или сложными географическими условиями.

фосфор красный апатит

Рис.2

Рис.3

Теперь подробно рассмотрим собственно красный фосфор (табл. 1) Это - относительно термодинамически стабильная модификация элементарного фосфора. Впервые он был получен в 1847 году в Швеции австрийским химиком А. Шрёттером при нагревании белого фосфора при 500 °С в атмосфере угарного газа (СО) в запаянной стеклянной ампуле.

Табл. 1. Красный фосфор

Красный фосфор имеет формулу Рn и представляет собой полимер со сложной структурой. В зависимости от способа получения и степени дробления, красный фосфор имеет оттенки от пурпурно-красного до фиолетового, а в литом состоянии -- тёмно-фиолетовый с медным оттенком, имеет металлический блеск. Химическая активность красного фосфора значительно ниже, чем у белого; ему присуща исключительно малая растворимость. Растворить красный фосфор возможно лишь в некоторых расплавленных металлах (свинец и висмут), чем иногда пользуются для получения крупных его кристаллов. Так, например, немецкий физико-химик И.В. Гитторф в 1865 году впервые получил прекрасно построенные, но небольшие по размеру кристаллы (фосфор Гитторфа). Красный фосфор на воздухе не самовоспламеняется, вплоть до температуры 240--250 °С (при переходе в белую форму во время возгонки), но самовоспламеняется при трении или ударе, у него полностью отсутствует явление хемилюминесценции. Нерастворим в воде, а также в бензоле, сероуглероде и других, растворим в трибромиде фосфора. При температуре возгонки красный фосфор превращается в пар, при охлаждении которого образуется в основном белый фосфор.

Однако в промышленности использует иная технология получения фосфора, что позволяет не только экономить исходное вещество, но и сокращать издержки получения необходимого материала. В промышленности фосфор получают прокаливанием смеси фосфата кальция с песком и коксом согласно уравнению:

Ca3(PO4)2 + 3SiO2 + 5C = 3CaSiO3 + 2P + 5CO.

Непосредственная роль красного фосфора в истории человечества невероятно велика. Нельзя не упомянуть историю созданию спичек. Изначально этот товар производился с использованием белого фосфора, что, в виду его токсичности и воспламеняемости, зачастую приводило к несчастным случаям. Во второй половине XIX в. очень остро встала проблема замены белого фосфора. Правительства многих государств пришли к выводу, что изготовление спичек, содержащих белый фосфор, приносит больше убытка, чем дохода. В большинстве стран производство таких спичек было запрещено законом.

Но выход был найден, сравнительно быстро оказалось возможным заменить белый фосфор на красный, открытый в 1848 г. В отличие от белого эта разновидность фосфора совершенно безвредна. Красный фосфор ввели в состав спичечной массы. Но ожидания не оправдались. Спички загорались очень плохо. Они не находили сбыта. Фабриканты, которые начали было изготовление, разорились.

К середине XIX столетия было сделано множество выдающихся изобретений, а изготовление обыкновенной спички никак не могло найти удовлетворительного решения.

Проблема была решена в 1855 г. в Швеции. Безопасные спички в этом же году были представлены на Международной выставке в Париже и получили золотую медаль. С этого момента так называемые шведские спички начали свое триумфальное шествие по всему миру. Их главная особенность состояла в том, что они не воспламенялись при трении о любую твердую поверхность. Шведская спичка зажигалась только в том случае, если ее потереть о боковую поверхность коробки, покрытую специальной массой.

Кроме того, красный фосфор используется и при создании других товаров. Например, при производстве зажигательных составов, различных типов топлива, а также противозадирных смазочных материалов, в качестве газопоглотителя в производстве ламп накаливания.

Размещено на Allbest.ru