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Phosphor

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Ø 4.6 / 7 Bewertungen

Die Autor*innen
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André Otto
Phosphor
lernst du in der 8. Klasse - 9. Klasse

Beschreibung Phosphor

Inhalt

Phosphor – Chemie

Phosphor mit dem chemischen Symbol $P$ ist das Chamäleon unter den Elementen: Es kann in unterschiedlichen Farben auftreten, beispielsweise als weißer, roter, schwarzer oder violetter Phosphor. Phosphor ist ein universal auftretendes Element und für alle Tiere und Pflanzen überlebenswichtig. Deswegen findet es seine wichtigste Verwendung als Dünger.

Entdeckung und Vorkommen von Phosphor

Der Hamburger Alchemist Henning Brand suchte einst wie viele Alchemisten seiner Zeit nach dem Stein der Weisen, mit dem andere Stoffe in Gold verwandelt werden sollten. Im Jahr 1669 experimentierte er mit Urin, denn er vermutete darin gelöstes Gold. Brand erhitzte Urin und dampfte es bis zur Trockenmasse ein, diese erhitzte er weiter. Dabei traten geisterhafte Leuchterscheinungen auf! Heute wissen wir, dass dabei durch Reduktion der Phosphate im Urin elementarer weißer Phosphor entstand, der dann wieder in der Luft oxidierte. Die Leuchterscheinungen werden auch als Phosphoreszenz bezeichnet. Genau genommen handelt es sich um eine Chemilumineszenz, da eine chemische Reaktion die Energieabgabe als bläulich schimmerndes Leuchten verursacht.

Der Phosphorgehalt beträgt in der Erdkruste etwa 0,1 Prozent. Phosphor tritt auf der Erde in gebundener Form als Phosphat auf. Die mit Abstand wichtigsten Phosphatminerale sind die Apatite, $\ce{Ca5[(F,Cl,OH)|(PO4)3]}$. Die größten Phosphatvorkommen liegen in Marokko und China. In Südamerika und im Pazifikraum liegt Phosphat in bedeutender Menge als abgelagerter Vogelkot vor, Guano genannt.

Die Stellung von Phosphor im Periodensystem

Phosphor hat die Ordnungszahl 15. Es steht im Periodensystem der Elemente in der V. Hauptgruppe, der Stickstoff‑Gruppe, in der 2. Periode unter Stickstoff. Damit zählt es zu den Nichtmetallen. Als Element der V. Hauptgruppe hat Phosphor fünf Valenzelektronen. In Verbindungen mit anderen Elementen kann Phosphor die Oxidationszahlen von $-III$ bis $+V$ annehmen.

Phosphor – Eigenschaften

Steckbrief   Phosphor
Atommasse $\pu{30,97 g//mol}$
Dichte, weißer Phosphor $\rho = \pu{1,83 g//cm3}$
Dichte, roter Phosphor $\rho = \pu{2,0-2,4 g//cm3}$
Dichte, schwarzer Phosphor $\rho = \pu{2,69 g//cm3}$
Schmelzpunkt, weißer Phosphor $\pu{44,2 °C}$
Siedepunkt, weißer Phosphor $\pu{280 °C}$
Farbe weiß, rot, schwarz oder violett

Wenn du die Werte in der Tabelle anschaust, siehst du, dass die Dichte scheinbar von der Farbe des Phosphors abhängt. Tatsächlich tritt Phosphor in verschiedenen Farben auf, den sogenannten Modifikationen des Phosphors. Darauf gehen wir im nachfolgenden Abschnitt genauer ein.

Phosphor – Modifikationen

Wenn ein Element in unterschiedlichen Erscheinungsformen auftreten kann, dann spricht man von den Modifikationen eines Elements. Beim Phosphor gibt es gleich mehrere Modifikationen, in denen das Element Phosphor auftreten kann. In jeder dieser Modifikationen hat Phosphor eine andere Struktur, also eine andere Anordnung der Phosphoratome. Jede Phosphor‑Modifikation hat andere Eigenschaften.

  • Weißer Phosphor
    Weißer Phosphor ist sehr giftig, ätzend und umweltschädlich! Er tritt in Form von $\ce{P4}$-Molekülen auf, die strukturell als $\ce{P4}$-Tetraeder vorliegen. Sein Schmelzpunkt liegt bei $\pu{44,2 °C}$ und er hat mit $\pu{1,83 g//cm3}$ die geringste Dichte von allen Phosphor‑Modifikationen. Da weißer Phosphor sich spontan an der Luft entzünden kann, wird er unter Wasser aufbewahrt. In unpolaren organischen Lösungsmitteln wie Schwefelkohlenstoff, Tetrachlorkohlenstoff und Benzol ist er gut löslich.

  • Roter Phosphor
    Roter Phosphor tritt in amorphen Strukturen mit jeweils unterschiedlichen Dichten auf. Daher variiert auch der Schmelzpunkt im Bereich $\pu{585-610 °C}$. Roter Phosphor ist ungiftig und entzündet sich nicht von selbst an der Luft. Durch Reibung oder Schlag kann sich aber auch roter Phosphor bei Anwesenheit von Sauerstoff entzünden. So enthält die Reibefläche bei Sicherheitsstreichhölzern roten Phosphor.

Roter Phosphor

  • Schwarzer Phosphor
    Verknüpfte Sechsringe aus Phosphoratomen bilden übereinanderliegende, gewellte Schichten und somit die polymere Struktur des schwarzen Phosphors. Schwarzer Phosphor ist ungiftig und eher reaktionsträge.

  • Violetter Phosphor
    Der ebenfalls ungiftige violette Phosphor wird nach seinem Entdecker auch hittorfscher Phosphor genannt. Er hat eine kristalline Struktur und entsteht nach wochenlangem Erhitzen aus weißem Phosphor oder aus der Rekristallisation von rotem Phosphor.

Phosphor – Herstellung

Der Rohstoff für die Phosphorherstellung ist das Mineral Apatit. Man lässt Apatit $\ce{Ca5[(F,Cl,OH)|(PO4)3]}$ mit Siliciumdioxid $\ce{SiO2}$ (Sand) reagieren. Außerdem benötigt man noch Kohle. Wenn man diese Mischung stark erhitzt, entsteht Phosphor, Calciumsilikat $\ce{CaSiO3}$ und Kohlenstoffmonoxid $\ce{CO}$ nach folgender Reaktionsgleichung:

$\ce{Ca3[(X)|(PO4)3] + 3 SiO2 + 9 C ->[\pu{1500 °C}] 3 P + 3 CaSiO3 + 9 CO}$

Bildung wichtiger Phosphorverbindungen

  • Verbrennung von Phosphor zu Phosphorpentoxid $P2O5$:
    $\ce{4 P + 5 O2 -> 2 P2O5}$
    $\ce{P2O5}$ ist ein wichtiges Trocknungsmittel. Im Molekül liegt Phoshorpentoxid als $\ce{P4O10}$ vor und hat eine interessante Struktur:

Phosphorpentoxid

  • Reaktion von Phosphorpentoxid mit Wasser zu Phosphorsäure $\ce{H3PO4}$:
    $\ce{P2O5 + 3 H2O -> 2 H3PO4}$
    Phosphorsäure ist ein sehr wichtiger Grundstoff in der chemischen Industrie. Sie dient in der organischen Chemie als Katalysator.
    Die Salze der Phosphorsäure sind die Phosphate. Eine besondere Bedeutung hat das Calciumdihydrogenphosphat $\ce{Ca(H2PO4)2}$, das als „Superphosphat“ bekannt ist und als Düngemittel eingesetzt wird.
  • Reaktion von Phosphor mit Metallen zu Phosphiden. Beispiele sind die Herstellung von Natriumphosphid $\ce{Na3P}$ und Calciumphosphid $\ce{Ca3P2}$: $\ce{P + 3 Na -> Na3P}$
    $\ce{2 P + 3 Ca -> Ca3P2}$
  • Reaktion von Calciumphosphid mit Wasser zu Phosphin $\ce{PH3}$:
    $\ce{Ca3P2 + 6 H2O -> 2 PH3 + 3 Ca(OH)2}$
    Phosphin ist ein sehr giftiges Gas, das als Schädlingsbekämpfungsmittel gegen Wühlmäuse eingesetzt wird.
  • Herstellung von Phosphor(V)-sulfid $\ce{P4S10}$ durch Erhitzen von Phosphor mit Schwefel:
    $\ce{4 P + 10 S ->[\pu{300 °C}] P4S10}$
    Das Molekül $\ce{P4S10}$ hat die gleiche Struktur wie Phosphorpentoxid, nur dass die Sauerstoffatome durch Schwefelatome ersetzt sind.
    Das giftige Phosphor(V)-sulfid wird in der organischen Synthese zum Einbau von Phosphor- und Schwefelatomen in organische Verbindungen genutzt, etwa bei der Herstellung von Insektiziden.

Biologische Bedeutung von Phosphor

Phosphor ist für Pflanzen und Tiere lebensnotwendig. So kommt Phosphor in Adenosintriphosphat (ATP) vor und ist damit entscheidend bei der Energieübertragung im Stoffwechsel. Viele weitere, biochemisch wichtige Moleküle enthalten Phosphor, darunter die RNA, die DNA und die Phospholipide. Knochen und Zähne enthalten mineralische Phosphate.

Militärische Verwendung von Phosphor und seinen Verbindungen

  • Weißer Phosphor wird in Brandmunition bzw. in Brandbomben eingesetzt.
  • Die extrem giftigen Nervenkampfstoffe Soman, Sarin, Tabun und VX sind bestimmte Phosphorester. Ihr waffentechnischer Einsatz ist gemäß der Chemiewaffenkonvention von 1997 weltweit geächtet.

Hinweise zum Video

Das Video gibt dir eine Übersicht zum Element Phosphor und wichtigen Phosphor‑Verbindungen. Um die Inhalte zu verstehen, solltest du schon über Vorkenntnisse in Chemie verfügen und dich in den Themen Basen, Säuren und Salze sowie bei der Oxidation und Reduktion auskennen. Du findest hier auch Übungen und Arbeitsblätter. Beginne mit den Übungen, um gleich dein umfangreiches Wissen über Phosphor aus dem Video zu testen.

Transkript Phosphor

Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video geht es um Phosphor. Der Film gehört zur Reihe "Elemente". Die nötigen Vorkenntnisse sollten in der Chemie bis Basen, Säuren, Salze reichen. Mein Ziel ist es dir eine kleine Übersicht über das chemische Element Phosphor zu verschaffen. Den Film habe ich in 8 Abschnitte unterteilt: 1. Metalle und Nichtmetalle 2. Entdeckung 3. Das Element 4. Vorkommen und Herstellung 5. Chemische Eigenschaften und Verwendung 6. Biologische Bedeutung 7. Kampfstoffe 8. Zusammenfassung

  1. Metalle und Nichtmetalle Phosphor ist ein Nichtmetall. Ihr kennt das Periodensystem der Elemente und wisst, wo Metalle und Nichtmetalle liegen. Die Nichtmetalle sind im Wesentlichen hier rot gekennzeichnet. Es gibt viel mehr Metalle als Nichtmetalle. Jedes Nichtmetall hat seinen spezifischen Charakter.

  2. Entdeckung Die Entdeckung des Phosphors gelang 1669 dem Hamburger Alchimisten Henning Brand. Er dampfte Urin ein und fand eine Erscheinung, die wir heute als Phosphoreszenz, als Leuchten des Phosphors bezeichnen.

  3. Das Element Im Periodensystem der Elemente befindet sich Phosphor an dieser Stelle. Es ist ein Element der fünften Hauptgruppe des Periodensystems. Phosphor hat eine Massenzahl von 31. Die Ordnungszahl ist 15. Phosphor ist ein Nichtmetall. Seine wichtigsten Oxidationszahlen sind +5, +3 und -3. Das chemische Element Phosphor besitzt verschiedene Modifikationen. Phosphor hat das chemische Symbol P. Modifikationen bedeutet Erscheinungsformen, und davon gibt es zumindest 4: den weißen Phosphor, den roten Phosphor, den schwarzen Phosphor und den violetten Phosphor. Weißer Phosphor unterscheidet sich grundsätzlich von den anderen drei Modifikationen. Er ist hoch giftig, ätzend und umweltschädlich. Schwarzer, roter und violetter Phosphor hingegen sind relativ ungefährlich. Weißer Phosphor hat diese Struktur. Er besteht aus kleinen Molekülen, P4. Er schmilzt niedrig bei 44°C. Weißer Phosphor entzündet sich an der Luft. Daher wird weißer Phosphor unter Wasser aufbewahrt. Seine Dichte = 1,83 g/cm³. Er ist löslich in unpolaren organischen Lösungsmitteln, wie Schwefelkohlenstoff, Tetrachlorkohlenstoff und Benzol. Die rote Modifikation des Phosphors sieht so aus. Man verwendet ihn für die Herstellung von Reibflächen an den Zündholzschachteln. Roter Phosphor entzündet sich an der Luft nicht. Seine Dichte liegt im Bereich von 2 bis 2,4 g/cm³. Die Struktur des schwarzen Phosphors kann man sich so vorstellen: Wie ihr seht, zeigt der schwarze Phosphor eine polymere Struktur. Seine Dichte ist relativ hoch mit 2,69 g/cm³. Wie roter Phosphor entzündet er sich an der Luft ebenfalls nicht.

  4. Vorkommen und Herstellung 0,1 % der Erdhülle bestehen aus Phosphor. Wie wird er hergestellt? Der Rohstoff für die Phosphorherstellung ist Apatit. Apatit muss mit Sand reagieren. Außerdem benötigen wir noch Kohle. Und wenn man stark erwärmt erhält man Phosphor. Kalziumphosphat + Silizium + Kohlenstoff -> Phosphor + Kalziumsilikat + Kohlenstoffmonoxyd

  5. Chemische Eigenschaften und Verwendung Phosphor ist brennbar. Bei der Verbrennung entsteht Phosphorpentoxid. Phosphorpentoxid ist ein scharfes Trockenmittel. Lösungsmittel wie Dichlormetan oder Chlorophorm können damit gut getrocknet werden. Für die Trocknung von Pyridin ist Phosphorpentoxid nicht geeignet, den Pyridin ist basisch und Phosphorpentoxid sauer. Daher ist Cellulose unlöslich in Wasser. Es ist klar, dass Phosphorpentoxid gut mit Wasser reagiert. Erkennt ihr das Reaktionsprodukt an der Formel? Richtig, es ist Phosphorsäure. Phosphorsäure wird in der organischen Chemie als Katalysator verwendet. Außerdem dient sie zu der Herstellung ihrer Salze, der Phosphate. Besondere Bedeutung hat Calciumdihydrogenphosphat, unter Umständen mit Calciumsulfat. Diese Salze bezeichnet man als Superphosphat. Calciumdihydrogenphosphat ist wasserlöslich. Es ist daher ein wertvolles Düngemittel. Wichtige und interessante Verbindungen des Phosphors sind die Phosphide. Es handelt sich hierbei um Verbindungen eines Metalls mit Phosphor. Phosphor bildet mit Natrium Natriumphosphid. Es gibt Phosphide, die nicht mit Wasser reagieren, wie zum Beispiel Kupfer-1-Phosphid. Calciumphosphid hingegen reagiert jedoch gut mit Wasser. Als Nebenprodukt entsteht Calciumhydroxyd. PH3 nennt man Phosphin. Phosphin ist sehr giftig. Man verwendet es in der Schädlingsbekämpfung gegen Wühlmäuse. Phosphor bildet auch Verbindungen mit Nichtmetallen. Mit Schwefel entsteht P4S10. P4S10 Wird in der organischen Synthese verwendet.

  6. Biologische Bedeutung Für den Menschen ist Phosphor lebensnotwendig. Er benötigt es für den Energiehaushalt. Die berühmten Verbindungen ADP und ATP enthalten Phosphor. Zur Erinnerung: Es sind Adenosindiphosphat und Adenositriphosphat. Phosphor ist wichtig für den Knochenbau. Phosphorhaltig ist Getreide. Genauso wie Milchprodukte. Desgleichen ist Phosphor enthalten in Fisch wie Fleisch.

  7. Kampfstoffe Phosphor ist in chemischen Kampfstoffen, sogenannten Nervenkampfstoffen enthalten. Nervenkampfstoffe sind Soman, Sarin und Tabun. Diese Verbindungen sind extrem giftig und führen bereits nach einigen Sekunden zum Tode.

  8. Zusammenfassung Das chemische Element Phosphor ist essenziell für Leben und Zivilisation. Von den vier Modifikationen ist nur die weiße giftig und leicht entzündlich. Die Giftigkeit in den chemischen Verdingen reicht von kaum, wie bei Phosphaten und Dünger, bis hochtoxisch - Phosphin und phosphorhaltige Ester. Ich danke für Eure Aufmerksamkeit und wünsche Euch alles Gute. Auf Wiedersehen.

4 Kommentare

4 Kommentare
  1. Verzeihung - Fehler!!!
    HOMO - LUMO -Gap.

    Ich bitte um Entschuldigung.

    Von André Otto, vor mehr als 5 Jahren
  2. Ich vergesse jeden Tag eine Unmenge Dinge.
    Einfache Erklärung:
    Der gelbe Bereich des Lichtes bleibt, der lilafarbene wird reflektiert. Das ist die Farbe der Substanz.
    Genauere Erklärung.
    Man muss die Struktur der Phosphor - Modifikation gut kennen oder zumindest eine gute Näherung als Modell formulieren. Man bestimmt quantenchemisch durch Computerrechnungen den HOMO - KUMO - Gap. Das ist die Energiedifferenz zwischen dem höchsten besetzten und dem niedrigsten unbesetzten Molekül - Orbital der Modifikation. Die Energie entspricht einer Wellenlänge.Die Komplementärfarbe ist die Farbe des Stoffes.

    Alles Gute

    Von André Otto, vor mehr als 5 Jahren
  3. mfg

    Von Aniikii, vor mehr als 5 Jahren
  4. Haben Sie die Erklärung für die lilane Modifikation von Phosphor vergessen ?

    Von Aniikii, vor mehr als 5 Jahren

Phosphor Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Phosphor kannst du es wiederholen und üben.
  • Gib an, in welchen Lebensmitteln Phosphor enthalten ist.

    Tipps

    Phosphor ist ein lebenswichtiger Bestandteil in den Grundnahrungsmitteln.

    Lösung

    Phosphor ist ein lebensnotwendiger Bestandteil für den Menschen. Es wird für die wichtigen Verbindungen ADP und ADP benötigt, die für unseren Energiehaushalt wichtig sind.

    Phosphor ist in vielen Lebensmitteln enthalten. So lässt es sich in Getreide, Milchprodukten, Fisch und Fleisch finden.

  • Erstelle einen Steckbrief zu Phosphor.

    Tipps

    Phosphor steht in der fünften Hauptgruppe. Phosphor gibt es in den Modifikationen weiß, schwarz, rot und violett.

    Lösung

    Phosphor ist ein Element der V. Hauptgruppe. Es steht direkt unter Stickstoff. Da der metallische Charakter von oben nach unten in einer Hauptgruppe zunimmt, gehört Phosphor zu den Nichtmetallen.

    Außerdem ist Phosphor ein Feststoff und hat das Formelzeichen P. Da Phosphor in der V. Hauptgruppe steht, besitzt er auch 5 Außenelektronen. Um eine stabile Achterschale zu erhalten, kann er also entweder 3 Elektronen aufnehmen oder 5 Elektronen abgeben. Seine Oxidationszahlen reichen also von +5 bis -3.

  • Bilde die richtige Reaktionsgleichung zu folgendem Versuch.

    Tipps

    Der Indikator kann in der Reaktionsgleichung vernachlässigt werden.

    Die entstandene Säure muss auch Phosphor enthalten.

    Beachte die stöchiometrischen Faktoren in der Gleichung.

    Lösung

    Wenn sich in einem Becherglas Wasser mit einem Universalindikator befindet, dann erkennst du das an der grünen Farbe der Lösung. Neutrale Lösungen und Wasser werden durch Universalindikator also grün gefärbt. Wird nun das Phosphorpentoxid in dem Wasser gelöst, reagieren beide Stoffe miteinander und es bildet sich eine Säure. Das lässt sich gut durch die rote Farbe der Lösung erkennen. Bei dieser Säure handelt es sich um Phosphorsäure.

    $ P_2O_5 + 3~H_2O \rightarrow$ 2~H_3PO_4$

  • Bestimme die Eigenschaften von Phosphor als Nichtmetall.

    Tipps

    Metalle und Nichtmetalle haben haben charakteristische Eigenschaften. Versuche, dir diese anhand bekannter Vertreter herzuleiten.

    Lösung

    Bei weißem Phosphor handelt es sich um ein typisches Nichtmetall. Nichtmetalle sind chemische Elemente, denen die typischen metallischen Eigenschaften fehlen. Wenn du also weißt, dass Phophor zu den Nichtmetallen gehört, kannst du dir ganz leicht einige wesentliche Eigenschaften herleiten:

    • kaum elektrische und thermische Leitfähigkeit
    • kein Glanz
    • schlechte Formbarkeit

  • Benenne die Hauptgruppe, in der Phosphor steht.

    Tipps

    Phosphor befindet sich in der gleichen Hauptgruppe wie Stickstoff.

    Lösung

    Phosphor ist in der fünften Hauptgruppe. Es hat fünf Außenelektronen. Stickstoff, Arsen, Antimon und Bismut gehören ebenfalls zur fünften Hauptgruppe.

  • Benenne die einzelnen Verbindungen.

    Tipps

    Die Phosphorsäure kann drei Salze bilden. Es kommt auf die Abgabe der Wasserstoffatome an.

    Ist Wasserstoff im Anion enthalten, lässt sich das im Namen am hydrogen erkennen. Sind zwei Wasserstoffatome enthalten, am dihydrogen.

    Lösung

    Die Salze der Phosphorsäure nennt man Phosphate. Salze entstehen, wenn die Säure mit Metallen, Metalloxiden oder Metallhydroxiden reagiert. Die Summenformel der Phosphorsäure ist $H_3PO_4$, das bedeutet, dass sie drei Wasserstoffatome abgeben kann. Dies führt zu Dihhdrogenphosphaten und Hydrogenphosphaten. Bei Dihydrogenphosphaten sind noch zwei Wasserstoffatome am Anion gebunden, beim Hydrogenphosphat ist nur noch ein Wasserstoffatom vorhanden.

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