При нагревании без доступа воздуха выше 250°С белый фосфор превращается в красный. Это уже полимер, но не очень упорядоченной структуры. Реакционная способность у красного фосфора значительно меньше, чем у белого. Он не светится в темноте, не растворяется в сероуглероде, не ядовит[7]. Плотность его намного больше, структура мелкокристаллическая.
Менее известны другие, еще более высокомолекулярные модификации фосфора — фиолетовый, коричневый и черный, отличающиеся одна от другой молекулярным весом и степенью упорядоченности макромолекул. Черный фосфор, впервые полученный П. Бриджменом в условиях больших давлений (200 тыс. атм при температуре 200°С), скорее напоминает графит, чем белый или красный фосфор. Эти модификации — лабораторная экзотика и в отличие от белого и красного фосфора практического применения пока не нашли.
Кстати, о применениях элементного фосфора; главные его потребители — производство спичек, металлургия, химические производства. В недавнем прошлом часть получаемого элементного фосфора расходовалась на военных предприятиях, его использовали для приготовления дымовых и зажигательных составов.
Металлурги обычно стремятся избавиться от примеси фосфора в металле — он ухудшает механические свойства, но иногда фосфор вводят в сплавы умышленно. Это делается, когда нужно, чтобы при затвердевании металл немного расширился и точно воспринял очертания формы. Широко используется фосфор и в химии. Часть его идет на приготовление хлоридов фосфора, нужных при синтезе некоторых органических препаратов; стадия производства элементного фосфора есть и в некоторых технологических схемах производства концентрированных фосфорных удобрений.
Теперь о его соединениях.
Фосфорный ангидрид P2O5 — превосходный осушитель, жадно поглощающий воду из воздуха и других веществ. Содержание P2O5 — основной критерий ценности всех фосфорных удобрений.
Фосфорные кислоты, в первую очередь ортофосфорная H3PO4, используются в основной химической промышленности. Соли фосфорных кислот — это прежде всего фосфорные удобрения (о них разговор особый) и фосфаты щелочных металлов, необходимые для производства моющих средств.
Галогениды фосфора (главным образом хлориды PCl3 и PCl5) используются в промышленности органического синтеза.
Из соединений фосфора с водородом наиболее известен фосфин PH3 — сильно ядовитый бесцветный газ с чесночным запахом.
Среди соединений фосфора особое место принадлежит фосфорорганическим соединениям. Большинство их обладает биологической активностью. Поэтому одни фосфорорганические соединения используются как лекарства, другие — как средства борьбы с сельскохозяйственными вредителями.
Самостоятельный класс веществ составили фосфонитрилхлориды — соединения фосфора с азотом и хлором. Мономер фосфонитрилхлорида способен к полимеризации. С ростом молекулярного веса меняются свойства веществ этого класса, в частности заметно уменьшается их растворимость в органических жидкостях. Когда молекулярный вес полимера достигает нескольких тысяч, получается каучукоподобное вещество — единственный пока каучук, в составе которого совсем нет углерода. Дальнейший рост молекулярного веса приводит к образованию твердых пластмассоподобных веществ. «Безуглеродный каучук» обладает значительной термостойкостью: он начинает разрушаться лишь при 350°С.
«В 1839 г. англичанин Лауз впервые получил суперфосфат — фосфорное удобрение, легко усвояемое растениями»
Чтобы растения могли усваивать фосфор, он должен находиться в составе растворимого соединения. Чтобы получить эти соединения, фосфат кальция и серную кислоту смешивают в таких соотношениях, чтобы на одну грамм-молекулу фосфата приводилось две грамм-молекулы кислоты. В результате взаимодействия образуются сульфат и растворимый дигидрофосфат кальция: Ca3(PO4)2 + 2H2SO4 → 2CaSO4 + Ca(H2PO4)2. Смесь этих двух солей известна под названием суперфосфата. В этой смеси сульфат кальция с точки зрения агрохимии — балласт, однако его обычно не отделяют, так как эта операция требует больших затрат и сильно удорожает удобрение. В простом суперфосфате содержится всего 14–20% P2O5.
Более концентрированное фосфорное удобрение — двойной суперфосфат. Его получают при взаимодействии фосфата кальция с фосфорной кислотой:
Ca3(PO4)2 + 4Н3РO4 → 3Са(Н2РO4)2.
В двойном суперфосфате содержится 40–50% P2O5. По сути, его правильнее было бы называть тройным: он в три раза богаче фосфором, чем простой суперфосфат.
Иногда в качестве фосфорного удобрения используется преципитат CaHPO4∙H2O, который получается при взаимодействии фосфорной кислоты с гидроокисью или с карбонатом кальция.
В этом удобрении 30–35% P2O5.
Фосфор содержат и некоторые комбинированные удобрения, например диамофос (NH4)2HPO4, содержащий также и азот.
С разведанными запасами фосфорного сырья в нашей стране, как и во всем мире, дело обстоит не совсем благополучно. Академик С. И. Вольфкович с трибуны IX Менделеевского съезда по общей и прикладной химии говорил: «Если сырьевая база азотной промышленности — воздушный океан, вода и природный газ — не ограничивает масштабов нового строительства, а разведанные к настоящему времени залежи калийных солей обеспечивают развитие производства калийных удобрений более чем на тысячелетие, то изученных к настоящему времени запасов отечественного фосфорного сырья при намеченных больших объемах, производства удобрений хватит всего на несколько десятилетий».
В целом, это утверждение справедливо и для наших дней, несмотря на то, что масштабы производства фосфорных удобрений значительно выросли: в 1980 г. в СССР произведено больше 30 млн. т фосфатных удобрений и 4,4 млн. т фосфоритной муки — в 1965 г. было соответственно 8,04 и 3,24 млн. т.
Фосфор и сегодня остается лимитирующим элементом агрохимии, хотя возможности для дальнейшего расширения производства фосфорных удобрений есть. Много дополнительного фосфора можно будет получить при комплексной переработке минерального сырья, донных морских отложений и более детальной геологической разведке. Следовательно, особых, оснований для пессимизма у нас нет, тем более что по учтенным запасам фосфорных руд СССР занимает первое место в мире. Тем не менее, искать новые месторождения, разрабатывать способы получения фосфорных удобрений из более бедных руд необходимо. Необходимо для будущего, потому что фосфор — «элемент жизни и мысли» — будет нужен человечеству всегда.
ИЗОТОПЫ ФОСФОРА. Природный фосфор в отличие от подавляющего большинства элементов состоит только из одного изотопа 31P. В ядерных реакциях синтезировано несколько короткоживущих радиоактивных изотопов элемента № 15. Один из них — фосфор-30 оказался вообще первым изотопом, полученным искусственным путем. Это его получили в 1934 г. Фредерик и Ирен Жолио-Кюри при облучении алюминия альфа-частицами. Фосфор-30 имеет период полураспада 2,55 минуты и, распадаясь, излучает позитроны («положительные электроны»). Сейчас известны шесть радиоактивных изотопов фосфора. Наиболее долгоживущий из них 33P имеет период полураспада 25 дней. Изотопы фосфора применяются главным образом в биологических исследованиях.
НАЧАЛО СУПЕРФОСФАТНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ. Первое в мире промышленное производство суперфосфата было организовано в 1842 г. в Англии. В России подобные предприятия появились в 1868 и 1871 гг. До революции в нашей стране было построено всего шесть суперфосфатных заводов, их общая производительность не превышала 50 тыс. т в год. В годы первой мировой войны, иностранной интервенции и гражданской войны четыре завода из шести вышли из строя, и в 1918 г. в нашей стране было выпущено всего 2,8 тыс. т суперфосфата. А всего через 20 лет, в 1938 г., по производству фосфорных удобрений Советский Союз занял первое место в Европе и второе место в мире. Сейчас доля пашей страны в мировом производстве фосфоритной руды и фосфорных удобрений составляет примерно четвертую часть.
