Phosphor

Eigenschaften des Elements

Einordnung in das Periodensystem
der Elemente und Eigenschaften
Atombau
Ordnungszahl: 1515 Protonen
15 Elektronen
5. Periode3 besetzte Elektronenschalen
V. Hauptgruppe5 Außenelektronen
Elektronenkonfiguration im GrundzustandNe 3s23p3
Elektronegativität2,1
Ionisierungsenergie in eV10,488
häufigste Oxidationszahlen+5; +3; -3
Atommasse des Elements in u30,97
Atomradius in 10- 1 0m1,10
Ionenradius in 10- 1 0m0,44 (+3); 2,12 (-3);
0,35 (+5)
Aggregatzustand im Normalzustandfest

Stoffkonstanten und Häufigkeit des Vorkommens in der Natur

Dichte in Bild bei 25 °C

rot: 2,2;
weiß: 1,82;
schwarz: 2,25 - 2,7

Härte nach Mohsweiß: 1,5 - 2
Schallgeschwindigkeit in Bild
Schmelztemperatur in °Cweiß: 44
spezifische Schmelzwärme in Bildweiß: 81,50
Siedetemperatur in °Cweiß: 280
spezifische Verdampfungswärme in Bildweiß: 1675,8
Standardentropie S0 in Bildweiß: 41
Wärmeleitfähigkeit in Bild bei 27 °Cweiß: 0,235
spezifische Wärmekapazität in Bildrot: 0,6856
Volumenausdehnungskoeffizient in 10- 3 Bild
spez. elektrischer Widerstand in Bildweiß: 0,01
Anteil in der Erdhülle in % (Atmosphäre,
Wasser, Erdkruste bis 10 km Tiefe)
0,09

Bild
weißer Phosphor

Schalenmodell

Bild

Periode: 3 (M)
Hauptgruppe: V
Außenelektronen: 5

Isotope des Elements

Ordnungszahl ZMassenzahl AAtommasse in uHäufigkeit
in %
Art der Strahlung
und Energie in MeV
Halbwertszeit
153029,978 317künstlichβ Bild: 3,22,6 min.
3130,973 765100%
3231,973 910künstlichβ Bild: 1,714,3 d
3332,971 728künstlichβ Bild: 0,225 d

Energieniveauschema

Bild

Weitere Eigenschaften

Phosphor gehört zu den nichtmetallischen Elementen. Bei Normalbedingungen existieren vier Modifikationen des Phosphors. Weißer Phosphor ist kristallin, wachsartig weiß bis gelblich gefärbt und riecht unangenehm. Die Modifikation leitet den elektrischen Strom nicht. Weißer Phosphor löst sich nicht in Wasser. Im Dunkeln leuchtet er. Diesen Vorgang bezeichnet man als Chemolumineszenz. Weißer Phosphor ist ein sehr gefährlicher Stoff, da er sich schon bei 50 °C von selbst entzündet und dann heftig brennt. Aus weißem Phosphor kann durch langes Erhitzen (bis zu mehreren Wochen) violetter Phosphor (Hittdorfscher Phosphor) gebildet werden, rötliche Kristalle mit violettem Schimmer. Schwarzer Phosphor ist kristallin und wird auch metallischer Phosphor genannt, da er ähnlich einem Metallgitter aufgebaut ist und eisenähnlich glänzt. Außerdem ist schwarzer Phosphor elektrisch leitfähig. Der Kristall besteht aus Sechserringen von Phosphoratomen, die Doppelschichten bilden, ähnelt also im Aufbau dem Grafit. Der schwarze Phosphor entsteht aus weißem Phosphor durch starkes Erhitzen und hohen Druck. Roter Phosphor ist nicht kristallin sondern amorph, das heißt er besitzt eine unregelmäßige Struktur. Die Modifikation ist pulverförmig und besteht aus unzähligen, miteinander vernetzten Phosphor- Atomen. Der rote Phosphor entsteht auch durch Erhitzen auf etwa 250 °C aus weißem Phosphor. Er ist nicht so gefährlich wie der weiße Phosphor, entzündet sich erst bei 300 °C, kann aber mit Kaliumchlorat hochexplosive Mischungen bilden. Phosphor reagiert in mehreren Stufen heftig mit Luftsauerstoff. Außerdem geht Phosphor mit Halogenen Verbindungen ein. Bei 600 °C reagiert das Element mit Wasser.

Entdeckung

Im 17. Jahrhundert waren viele Alchemisten auf der Suche nach dem «Stein der Weisen», der es ermöglichen sollte, Gold herzustellen. Bei dieser Suche stieß der Hamburger HENNING BRAND 1669 im Harnrückstand «Oleum urinae» auf den Phosphor. Zur damaligen Zeit wurden alle im Dunkeln von selbst leuchtenden Stoffe als Phosphor bezeichnet, abgeleitet von den griechischen Bezeichnungen «phos» (Licht) und «phero» (ich trage). Zusammengesetzt bedeutet Phosphor also «Ich trage Licht». Doch erst 1743 gelang es A. S. MARGGRAF, Phosphor als chemisches Element nachzuweisen, als er Phosphor mithilfe von Salpetersäure zu Phosphorsäure oxidierte. LAVOISIER bewies schließlich 1772, dass Phosphorsäure Sauerstoff und Phosphor enthält.

Vorkommen/Herstellung

Für Phosphor wurde ein Massenanteil in der Erdhülle von 0,09 % berechnet. Mit diesem Wert steht er an 12. Stelle der Häufigkeit. In der Natur tritt Phosphor nie elementar auf, da es ein sehr reaktionsfreudiges Element ist. Stattdessen kommt Phosphor in verschiedenen Verbindungen, z. B. Phosphaten vor, welche man vorwiegend in marinen Sedimenten findet. Größere Phosphatfundstätten befinden sich in den Bundesstaaten Florida, North Carolina und Utah, Montana der USA sowie in Algerien, Ägypten, Peru, auf der Kola-Halbinsel, in Russland oder in Marokko. Zu den phosphorhaltigen Mineralien gehören u. a. Apatit (eine Verbindung, die außer Phosphat noch Calcium-, Fluorid-, Chlorid-, Hydroxid-, und Carbonat-Ionen enthält), Phosphorit (eine dem Apatit ähnliche Verbindung ohne Carbonat-Ionen) und Wavellit (eine Verbindung, die außer Phosphat-Ionen noch Aluminium- und Hydroxid-Ionen sowie Kristallwasser enthält). Die weltweiten Phosphorreserven werden auf etwa 5,8 Mrd. Tonnen geschätzt. Erwähnenswert ist die große Bedeutung der Phosphorverbindungen für Lebewesen (Bestandteil der DNA und des Energieträgers ATP). Als Calciumphosphat kommt es zudem in Knochen und Zähnen vor. Im Körper eines erwachsenen Menschen mit einem durchschnittlichen Körpergewicht von 70 kg befindet sich eine Phosphormenge von ca. 700 g. Damit ist das Element Phosphor für Organismen essenziell. Heutzutage wird weißer Phosphor industriell hergestellt. Dazu verwendet man Rohphosphat aus dem Mineral Apatit und reduziert dieses mit Kohlenstoff (Koks oder Kohle) im elektrischen Lichtbogen bei ca. 1 400 °C. Es bildet sich zuerst Diphosphorpentoxid, welches dann durch den Kohlenstoff zu Phosphor reduziert wird. Durch die große Hitze entsteht gasförmiger Phosphor, der entweicht, abgekühlt und durch Destillation gereinigt wird.

Verwendung

Weißer Phosphor dient als Ausgangsmaterial für die Produktion von Phosphorsäure und Phosphaten (u. a. für Düngemittel). In der Pyrotechnik findet der rote Phosphor seine Verwendung. Man findet ihn in Feuerwerkskörpern. Phosphate dienen als Flammenschutzmittel in Kunststoffen. Phosphor ist unersetzlich bei der Herstellung von Streichholzschachteln, wo er in der Reibefläche enthalten ist. Aufgrund seiner Neigung zur Selbstentzündung erlangte weißer Phosphor im militärischen Bereich Bedeutung und kam zu unerfreulicher Berühmtheit. Eingesetzt wurde er im zweiten Weltkrieg in Brandbomben, wie sie im Februar 1945 auch auf Dresden fielen.

  • Wichtige Verbindungen

  • Phosphate (wichtige Düngemittel)
  • Phosphorchloride (Ausgangsstoff für Pflanzenschutzmittel, Extraktionsmittel, Weichmacher u. v. a.)
  • Phosphide (Inhalt einiger Legierungen)
  • Phosphorsäure (H3PO4 - wichtige technische Säure)
  • Guano (Vogelkot - natürlicher phosphorhaltiger Dünger)

organische Verbindungen:

  • Phosphorsäureester, Baustein in Nucleinsäuren (DNA und RNA), Bestandteil von Enzymen und Träger chemischer Energie, z. B. ATP und ADP (Adenosintri- und Adenosindiphosphat)

Bau

Phosphor bildet mehrere Modifikationen und liegt z. B. im weißen Phosphor in Form von P4-Tetraedern vor .

Stand: 2010
Dieser Text befindet sich in redaktioneller Bearbeitung.

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