Phosphor

Phosphor in der 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 Hennig 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, die mit der allgemeinen Summenformel $\ce{Ca5[(F,Cl,OH)|(PO4)3]}$ zusammengefasst werden können. Die größten Phosphatvorkommen liegen in Marokko und China. In Südamerika und im Pazifikraum liegt Phosphat in bedeutender Menge als Teil von abgelagertem 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, direkt 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 $\text{-III}$ bis $\text{+V}$ annehmen, üblicherweise meist $\text{-III}$, $\text{+III}$ oder $\text{+V}$.

Phosphor – Eigenschaften

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 von $585$ bis $\pu{610 °C}$. 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.

• Schwarzer Phosphor
  Verknüpfte Sechserringe 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 Johann Wilhelm Hittorf auch hittorfscher Phosphor genannt. Er hat eine kristalline Struktur und entsteht nach wochenlangem Erhitzen aus weißem Phosphor oder aus der Rekristallisation von rotem Phosphor.

Herstellung von Phosphor

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

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

Bildung wichtiger Phosphorverbindungen

Im Folgenden sehen wir uns ein paar typische chemische Reaktionen an, bei denen Phosphor beteiligt ist.

• Verbrennung von Phosphor zu Phosphorpentoxid $\left( \ce{P2O5} \right)$:

$\ce{4 P + 5 O2 -> 2 P2O5}$

$\ce{P2O5}$ ist ein wichtiges Trocknungsmittel. Im Molekül liegt Phosphorpentoxid als $\ce{P4O10}$ vor und hat eine interessante Struktur:

• Reaktion von Phosphorpentoxid mit Wasser zu Phosphorsäure $\left( \ce{H3PO4} \right)$:

$\ce{P2O5 + 3 H2O -> 2 H3PO4}$

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 $\left( \ce{Ca(H2PO4)2} \right)$, das als „Superphosphat“ bekannt ist und als Düngemittel eingesetzt wird.

• Reaktion von Phosphor mit Metallen zu Phosphiden, beispielsweise die Herstellung von Natriumphosphid $\left( \ce{Na3P} \right)$ und Calciumphosphid $\left( \ce{Ca3P2} \right)$:

$\ce{P + 3 Na -> Na3P}$

$\ce{2 P + 3 Ca -> Ca3P2}$

• Reaktion von Calciumphosphid mit Wasser zu Phosphin $\left( \ce{PH3} \right)$:

$\ce{Ca3P2 + 6 H2O -> 2 PH3 + 3 Ca(OH)2}$

Phosphin ist ein sehr giftiges Gas, das als Schädlingsbekämpfungsmittel gegen Wühlmäuse eingesetzt wird.

• Herstellung von Phosphor(V)-sulfid $\left( \ce{P4S10} \right)$ 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 (Insektenvernichtungsmitteln).

Die Biologische Bedeutung von Phosphor

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

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.

Ausblick – das lernst du nach Phosphor

Mache dich bereit für die nächste Stufe: bei RNA und Mineralhaushalt der Pflanze lernst du, wie wichtig Phosphor für Lebewesen aller Art ist.

Du findest hier auch Übungen und Arbeitsblätter. Beginne mit den Übungen, um gleich dein umfangreiches Wissen über Phosphor zu testen.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Phosphor