Фосфор – элемент жизни и мысли

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступление

Думаю, каждый человек хоть раз в своей жизни слышал о важности фосфора. Поэтому вопроса о жизненной необходимости фосфора возникнуть не должно, хотя этому тоже будет уделено внимание. А вот почему фосфор назвали «элементом мысли» должно было заинтересовать многих. И неспроста! Этот химический элемент действительно заслуживает такого почётного звания. Почему? Узнаете, ознакомившись с материалом этого реферата.

1. Фосфор. Определение и характеристика данного химического элемента

Начнём с того, что рассмотрим положение фосфора в Периодической системе Д.И. Менделеева:

§ фосфор (с греч. Phosphoros - «светоносный»). Символ обозначения «P».

§ химический элемент 3-го малого периода, V (А - главной) подгруппы.

§ порядковый номер 15.

§ атомная (молярная) масса 31 г/моль.

§ электронная конфигурация 123.

§ находящиеся на внешнем электронном уровне 5 валентных электронов говорят о том, что фосфор является неметаллом.

§ электроотрицательность 2,2 по шкале Полинга.

§ возможные степени окисления:

а) в стабильном состоянии атома - -3, -2, 0;

б) в возбуждённом состоянии атома - +1, +3, +5.

2. Происхождение названия фосфора и история его открытия

В древнегреческой мифологии имя Фосфор (или Эосфор) носил страж Утренней звезды. В средние века, когда этот химический элемент был открыт, алхимики называли его «холодным огнём». Вторичное название «фосфор» происходит от греческих слов «свет» и «несу».

Возможно, что фосфор в элементарном виде был получен ещё в 12 веке арабским алхимиком Алхид Бехилом при перегонке мочи с глиной и известью. Об этом свидетельствует древний алхимический манускрипт, хранящийся в Парижской библиотеке.

Однако открытие фосфора приписывается разорившемуся гамбургскому купцу Хеннигу Бранду и датируется 1669 годом. Подобно другим алхимикам, Бранд, пытался отыскать философский камень, а получил светящееся вещество. Алхимик сфокусировался на опытах с человеческой мочой. Длительно выпаривая её в больших количествах (по 50-60 вёдер) и последующего сильного прокаливания сухого остатка с углём, получались крупицы белого воскоподобного вещества. Это вещество ярко горело и к тому же мерцало в темноте, за что Бранд назвал его phosphorus mirabilis (с лат. «чудотворный носитель света»). Современники Бранда назвали полученное им вещество фосфором из-за его способности светиться в темноте. Вообще, с древних времён «фосфорами» называли все вещества, способные испускать свет в темноте. Так, широко известен «болонский фосфор» - сульфид бария.

В 1682 году Бранд опубликовал результаты своих исследований, и сейчас он справедливо считается первооткрывателем химического элемента №15. Открытие фосфора стало первым открытием нового элемента со времён античности.

Несколько позже фосфор был получен другим немецким химиком - Иоганном Кункелем.

Рисунок 1. Картина Джозефа Райта «Алхимик, открывающий фосфор» предположительно описывающая открытие фосфора Хеннигом Брандом, 1771 год

Независимо от Бранда и Кункеля фосфор бы получен Р. Бойлем, описавшем его в статье «Способ приготовления фосфора из человеческой мочи», датированной 14 октября и опубликованной в 1680 году.

Усовершенствованный способ получения фосфора был опубликован в 1743 году Андреасом Маргграфом.

Долгое время фосфор не считали простым веществом, и только в 1770-х годах французский химик Антуан Лоран Лавуазье в своих работах, посвящённых исследованию состава воздуха, смог твёрдо установить, что фосфор является элементарным веществом.

3. Химические свойства фосфора

Фосфор по отношению к неметаллам и металлам может проявлять свойства, как окислителя, так и восстановителя:

Фосфор вступает во взаимодействие с:

1. Металлами (как окислитель, образует фосфиды):

3Ca + 2P =

2. Неметаллами (как восстановитель):

2P + 3 = 2 (при недостатке хлора)

2P + 5 = 2 (при избытке хлора)

2P + 3 S =

3. Окисляется кислородом:

4P + 3 = 2 (при медленном горении или недостатке кислорода)

4P + 5 = 2 (при избытке кислорода)

Оксид 2 - белый порошок, проявляет сильное водоотнимающее действие:

2 + = 2 +

4. Реагирует с водой:

8P + 12 = 5 (фосфин)+3

5. Щелочами:

4 P + 3 KOH + 3 = ^ + 3

6. Сильные окислители превращают фосфорную кислоту:

3 P + 5 + 2 = 3 + 5 NO

2 P + 5 = 2 + 5 + 2

7. Белый фосфор довольно сильный восстановитель, т. к. способен вытеснять медь, свинец, ртуть и серебро из растворов их солей:

+ 10 + 16 = 4 + 10 Cu + 10

8. Качественная реакция на фосфат-ион:

 + = v (ярко-жёлтый осадок)

Фосфорная кислота образует три ряда солей:

фосфат кальция (фосфорит)

гидрофосфат кальция (преципитат)

дигидрофосфат кальция (двойной суперфосфат)

Важно: фосфор с водородом не взаимодействует!

4. Важнейшие аллотропные модификации фосфора

Элементарный фосфор в обычных условиях представляет собой несколько устойчивых аллотропических модификаций.

v Аллотропия - это явление, когда один и тот же химический элемент образует несколько простых веществ или аллотропных модификаций этого элемента.

Вопрос аллотропии фосфора сложен и до конца не решен. Обычно выделяют три модификации простого фосфора: белую, красную и чёрную. Иногда их ещё называют главными аллотропными модификациями, подразумевая под этим, что все остальные являются разновидностью указанных трёх. Но мы рассмотрим также жёлтый и металлический фосфоры.

5. Физические свойства фосфора

Аллотропные видоизменения фосфора способны переходить друг в друга под воздействием различных факторов, превращения которых можно представить схемой:



Несмотря на то, что представленные ниже фосфоры - разновидность одного химического элемента, все они имеют разные физические характеристики. В том числе по цвету, плотности. Заметна тенденция к резкому убыванию химической активности при переходе от белого к металлическому фосфору и нарастанию металлических свойств.

Рисунок 2

ь Белый фосфор.

Белый фосфор представляет собой белое вещество. В чистом виде это стекловидное вещество, сильно преломляющее свет. По внешнему виду очень похож на очищенный воск или парафин. Обладает специфичным чесночным запахом, жирен на ощупь, мягок, легко режется ножом и деформируется от небольших усилий. При помещении в холод становится хрупким, а при температуре выше 15 градусов вновь приобретает мягкость.

В воде белый фосфор практически не растворяется, зато хорошо поддаётся органическим растворителям: бензоле (3,7 г на 100 г ), тетрахлорметане (1,27 г на 100 г ). Хорошими растворителями для него являются жидкий аммиак () и диоксид серы, а наилучшим - сероуглерод (), в 100 г которого растворяется более 1 кг фосфора. Растворимостью белого фосфора в сероуглероде пользуются в промышленных целях для очистки его от примесей.

Физические свойства белого фосфора:

Таблица 1

Плотность (при н. у.)	(белый фосфор)1,82 г/см?
Температура плавления	44,15 °C (317,3 K)
Температура кипения	279,85 °C (553 K)
Теплота плавления	2,51 кДж/моль
Теплота испарения	49,8 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	21,6[3] (ромбическая) Дж/(K·моль)
Молярный объём	17,0 см?/моль
Состав (формула)
Строение	молекулярная кристаллическая решетка
Структура решётки	кубическая, объемно-центрированная
Параметры решётки	18,800 A

Химически белый фосфор чрезвычайно активен. Например, он медленно окисляется кислородом воздуха уже при комнатной температуре и светится бледно-зелёным свечением. Явление такого рода свечения вследствие химических реакций окисления называется хемилюминесценцией. В связи с высокой химической активностью фосфор, отливаемый в инертной атмосфере в виде палочек (слитков), хранится в отсутствие воздуха под слоем очищенной воды или в специальных инертных средах.

Белый фосфор не только активен химически, но и очень ядовит! При отравлении организма наступает поражение костей, костного мозга, некроз челюстей. Летальная доза белого фосфора для взрослого человека составляет 0,05-0,1 г.

Белый фосфор имеет молекулярное строение; формула . Каждая молекула представлена тетраэдром.

Рисунок 3

ь Жёлтый фосфор.

Неочищенный белый фосфор обычно называют «жёлтый фосфор». Сильно ядовитое, огнеопасное кристаллическое вещество от светло-жёлтого до тёмно-бурого цвета. Удельный вес 1,83 г/см?, плавится при +34°C, кипит при +280°C. В воде не растворяется, на воздухе легко окисляется и самовоспламеняется. Горит ослепительным ярко-зеленым пламенем с выделением густого белого дыма -- мелких частичек декаоксида тетрафосфора .

Так как фосфор реагирует с водой лишь при температуре свыше 500 градусов по Цельсию, то для тушения фосфора используют воду в больших количествах (для снижения температуры очага возгорания и перевода фосфора в твердое состояние) или раствор сульфата меди (медного купороса), после гашения фосфор засыпают влажным песком. Для предохранения от самовозгорания жёлтый фосфор хранится и перевозится под слоем воды (раствора хлорида кальция).

ь Красный фосфор.



Рисунок 4

Красный фосфор -- это термодинамически более 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.

Красный фосфор имеет атомную кристаллическую решётку, формулу и представляет собой полимер со сложной структурой. Химическая активность красного фосфора значительно ниже, чем у белого. 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. При температуре возгонки красный фосфор превращается в пар, при охлаждении которого образуется в основном белый фосфор.

Нерастворим в воде, а также в бензоле, сероуглероде и других, растворим только в трибромиде фосфора. Растворить красный фосфор также 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).

Плотность красного фосфора также выше, и достигает 2400 кг/м? в литом виде. При хранении на воздухе красный фосфор в присутствии влаги постепенно окисляется, образуя гигроскопичный оксид. Этот оксид способен поглощать воду и отсыревать («отмокать»), образуя вязкую фосфорную кислоту, поэтому его хранят в герметичной таре.

Ядовитость красного фосфора в тысячи раз меньше, чем у белого, поэтому он применяется гораздо шире, например, в производстве спичек (составом на основе красного фосфора покрыта тёрочная поверхность коробков). Зажигательная поверхность спичечного коробка покрыта смесью фосфора и порошка стекла. В состав спичечной головки входят окислители (, - бертолетова соль, )и восстановители (, ). При трении о зажигательную поверхность смесь, нанесённая на спичку, воспламеняется:

6P + 5 = 5KCl + 3

ь Чёрный фосфор.

Чёрный фосфор -- это самая стабильная термодинамически и химически наименее активная форма элементарного фосфора. Так же, как и красный фосфор, он имеет атомную кристаллическую решётку, формулу . Впервые чёрный фосфор был получен в 1914 году американским физиком П.У. Бриджменом из белого фосфора в виде чёрных блестящих кристаллов, имеющих высокую (2690 кг/м?) плотность.

Для проведения синтеза чёрного фосфора Бриджмен применил давление в 2*109 Па (20 тысяч атмосфер) и температуру около 200°С. Начало быстрого перехода лежит в области 13000 атмосфер и температуре около 230°С.

Чёрный фосфор представляет собой чёрное вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь и весьма похожее на графит, и с полностью отсутствующей растворимостью в воде или органических растворителях. Поджечь чёрный фосфор можно, только предварительно сильно раскалив в атмосфере чистого кислорода до 400°С. Чёрный фосфор проводит электрический ток и имеет свойства полупроводника. Температура плавления чёрного фосфора 1000°С под давлением 18*105 Па.

ь Металлический фосфор.

При 8,3*1010 Па чёрный фосфор переходит в новую, ещё более плотную и инертную металлическую фазу с плотностью 3,56 г/см?. При дальнейшем повышении давления до 1,25*1011 Па -- ещё более уплотняется и приобретает кубическую кристаллическую решётку. При этом его плотность возрастает до 3,83 г/см?. Металлический фосфор очень хорошо проводит электрический ток.

6. Нахождение и получение фосфора

Фосфор - весьма распространённый химический элемент в природе, на его долю приходится 0,093% от общей массы земной коры. Фосфор - одиннадцатый по распространенности элемент на Земле и входит в двадцатку наиболее распространенных элементов Солнечной системы.

Элемент №15 обнаружен во многих типах метеоритов (каменных и каменно-железных) и на Луне. Например, в железных метеоритах содержание фосфора колеблется в диапазоне 0,02-0,94%(масс.), а в различных образцах лунного грунта оно составляет 0,05-0,32%(масс.). Несмотря на то, что геологи классифицируют фосфор, как элемент-примесь (в породах большей части земной коры его содержание составляет всего 0,1%), он является породообразующим, так как некоторые породы слагаются почти полностью из фосфатных минералов.

а) нахождение фосфора в природе:

В свободном виде фосфор в природе не встречается, т.к. очень активен в свободном состоянии, и существует в литосфере почти в высшей степени окисления, в виде ортофосфат-иона . Известно более двухсот минералов, содержащих фосфор в значительных (более 1%) количествах. Фосфатные месторождения обычно подразделяются на три группы: апатитовые месторождения, осадочные фосфориты и месторождения гуано. Фосфор входит в состав апатитов и фосфоритов. В виде фосфоритов железа, никеля, кобальта фосфор встречается в железных метеоритах.

Апатиты - разновидность фосфоритов, они могут быть как магматического, так и морского (осадочного) происхождения. Название это было дано группе минералов около двухсот лет назад, и в переводе с греческого означает «обманчивый». Изначально так называли минерал, который часто путали с аквамарином, аметистом или оливином. Апатитовые минералы представлены фторапатитом (наиболее значимый в промышленности), гидроксиапатитом и хлорапатитом и многими другими. Наиболее крупные месторождения магматического апатита находятся в России, странах Южной Африки (щелочной комплекс Палабора), Уганде и Бразилии. Крупнейшее в мире магматическое месторождение апатита - Хибинский массив нефелиновых сиенитов - залегает на Кольском полуострове, близ Кировска. Он был открыт в 1926 группой ученых под руководством академика А.Е. Ферсмана.

Большая часть мировых запасов фосфора приходится на морские (осадочные) фосфориты и продукты их выветривания. Предполагается, что они океанического происхождения. В прибрежных регионах пояса пассатов на протяжении долгого периода происходило отложение фосфатов вследствие различных органических и неорганических процессов. Концентрация фосфоритов в месторождении увеличивалась в результате медленной аккумуляции фосфатов из окружающей среды. Крупнейшими месторождениями осадочных фосфоритов владеют Марокко (70% от мировых запасов фосфатов) и Западная Сахара, США, Китай, Тунис, Казахстан.

Гуано (исп. guano) - естественные отложения, образующиеся при разложении костей и экскрементов морских птиц (больших бакланов, олушей и пеликанов), залежи гуано иногда достигают ста миллионов тонн. Гуано известно с незапамятных времен, еще в 200 до н. э. древние карфагеняне использовали птичий помет в качестве удобрения. В конце 19 - начале 20 в. были открыты «Птичьи острова» Перу, названные так из-за большого числа (около 20 млн.) обитающих там морских птиц. В те времена перуанское правительство получало реальные доходы за счет привлечения большого числа туристов к «Птичьим островам» и от продажи огромных количеств гуано в качестве удобрения. В последние сорок лет, вследствие деятельности перуанских рыбаков, популяции гуанопроизводящих птиц резко сократились (в 4 раза), так что некоторые из перуанских «Птичьих островов» сейчас вообще пустуют. Крупнейшие месторождения гуано расположены вдоль побережий Африки, Южной Америки, Калифорнии, Сейшельских островов. Сильно разложившееся гуано состоит преимущественно из монетита и витлокита

Мировая добыча (2002) фосфатов составляет 135 млн. тонн ежегодно. Крупнейшим в мире производителем фосфатов являются США (26% от мировой добычи). Общие запасы фосфоритов в Марокко составляют 64 млрд. тонн, разведанные 10 млрд. тонн (60% от разведанных в мире запасов). На третьем месте по добыче - Китай (16,7%), на четвертом - Россия (10,5%). Основным источником фосфорного сырья в России являются апатит-нефелиновые руды на Кольском полуострове.

В морской воде весь неорганический фосфор находится только в виде ортофосфат-аниона. Средняя концентрация фосфора в морской воде очень мала и составляет 0,07 мг Р/литр. Высоко содержание фосфора в районе Андаманских островов (около 12 мкмоль/л). Общее океаническое количество фосфора оценивается в 9,8*1010 тонн.

В атмосфере Земли фосфор отсутствует полностью.

б) получение фосфора в промышленности:

Сейчас электротермический способ является основным в производстве фосфора из апатитов или фосфоритов. Фосфор нагревают в смеси с кварцевым песком и коксом в электрической печи при температуре около 1300 - 1600° С. Процесс получения фосфора можно описать суммарно:

2 + 6 + 10 C = 6 + 10 CO + ^

или двумя уравнениями реакций:

2 + 6 = 6 +

+ 10 C = 10 CO + ^

в) получение в промышленности фосфорной кислоты:

Экстракционный способ:

+ 3 = 3 v + 2

Термический способ:

1) + 3C + 3 = 3 + 5 CO + 2 P

2) 4 P + 5 = 2

3) + 3 = 2

Вместо фосфоритов восстановлению можно подвергнуть и другие соединения, например метафосфорную кислоту:

4 + 12 C = 4P + 2 + 12 CO

7. Применение фосфора

Фосфор является важнейшим биогенным элементом и в то же время находит очень широкое применение:

а) в промышленности.

Пожалуй, первое свойство фосфора, которое человек поставил себе на службу, -- это горючесть. Горючесть фосфора очень велика и зависит от аллотропической модификации.

Красный фосфор - основная модификация, производимая и потребляемая промышленностью. Он применяется в производстве спичек, взрывчатых веществ, зажигательных составов, различных видов топлива, а также противозадирных смазочных материалов, в качестве газопоглотителя в производстве ламп накаливания.

Фосфаты в промышленности широко используются:

· в качестве комплексообразователей (средства для умягчения воды).

· в составе пассиваторов поверхности металлов (защита от коррозии, например, т. н. состав «мажеф»).

· используется как связующий агент во многих стройматериалах.

· пищевая кислота применяется при приготовлении безалкогольных напитков и многих других пищевых продуктов.

· фосфаты аммония придают огнестойкость древесине.

· Фосфаты кальция и натрия широко используются в промышленности (разрыхлители теста, стабилизаторы молочных продуктов), являются компонентами зубных паст и чистящих средств.

б) в сельском хозяйстве.

Фосфор (в виде фосфатов) -- один из трёх важнейших биогенных элементов (NPK), участвует в синтезе АТФ. Большая часть производимой фосфорной кислоты идёт на получение фосфорсодержащих кормов и удобрений -- суперфосфата, преципитата, аммофоски и др.

в) в медицине.

На основе соединений фосфора создаётся множество лекарств и лекарственных средств, широко применяемых в медицине и ветеринарии для лечения многих заболеваний, в том числе связанных с недостатком фосфора в организме человека и животных.

8. Биологическая роль соединений фосфора и их значение

Биологическую роль фосфора трудно переоценить, ведь он является важным макроэлементом, входящим в состав организмов животных, человека и растений. Оказывается, соединения фосфора присутствуют буквально в каждой клетке любого организма, и обеспечивает надлежащее их функционирование и жизнедеятельность. Но в зависимости от того, в каком организме содержится и где локализуется, фосфор выполняет разные функции. Без фосфора правильное протекание физиологических процессов просто невозможно.

Также человек активно использует фосфор для сохранения и повышения уровня урожая в качестве удобрений. Многофункциональность фосфора, его уникальность в участии жизнеобразующих процессов и возможность применения во многих областях нашей жизни подчёркивают важность и незаменимость этого элемента.

Фосфор - это металлоид, который в зависимости от условий может проявлять то окислительные свойства, то восстановительные. Эта способность привела к тому, что он составляет значительную часть в животных и растительных организмах.

Фосфор - внутриклеточный элемент. Жизнь не может существовать без фосфора, этот элемент необходим как субмикроскопическим частицам - вирусам, так и высокоорганизованным живым системам - животным и человеку. О роли фосфора в процессе жизнедеятельности организма очень хорошо сказал известный биолог и биохимик Энгельгардт В.А.: «Без фосфора нет движения, ибо механизм мышечных сокращений - это целиком химия фосфорных соединений».

а) в организме и питании человека и животных.

Фосфор - шестой по содержанию элемент в организме человека и животных после углерода, кислорода, водорода, азота и кальция. Его соединения присутствуют в каждой клетке тела и обеспечивают нормальное протекание всех физиологических процессов жизнедеятельности. В организме фосфор главным образом сосредоточен в скелете, мышцах и нервной ткани.

Функции фосфора в организме.

1. Формирование скелета.

Главная функция фосфора связана с ростом и поддержанием целостности костной ткани и зубов. Соединения фосфора совместно с витамином D и кальцием играют важную роль в формировании скелета человека (кости и зубы), входит в состав минерального комплекса костной ткани, наращивании мышечной массы (мускулатуры и сердечной мышцы, в частности). Именно благодаря фосфору в организме происходит сокращение мышц (здоровое сердце, дыхание).

Количество фосфора составляет 1 - 1,5% от массы тела. Основное депо фосфора - мышцы и кости, где содержится около 85% всех запасов этого элемента. В теле человека находится примерно 1,5 кг фосфора. Из этого количества 1,4 кг приходится на кости, около 130 г - на мышцы и 12 г - на нервы, головной и спинной мозг.

2. Соединения фосфора в организме.

В состав костей фосфор входит в виде трудно растворимых фосфата кальция и гидроксиапатита, в зубную эмаль - фторапатита.

Также входит в состав многих биологически важных органических соединений - сложных эфиров глюкозы и фруктозы, представлен орто- и пирофосфорной кислотами, АТФ, входит в состав нуклеотидов, нуклеиновых кислот, фосфопротеидов и фосфолипидов, ферментов и коферментов.

Эти вещества играют ключевую роль в энергетическом обмене, метаболизме жиров, углеводов и т.д. Например, ортофосфорная кислота и её соли образуют фосфатную буферную систему, регулирующую pH среды в организме человека и животных.

3. Участие в создании жидкостей и клеток тела и их росте.

Во внеклеточной жидкости и внутри самих клеток фосфор представлен растворимыми соединениями.

а) В крови фосфор представлен неорганическим фосфатом, органическими фосфорными эфирами, фосфолипидами и свободными нуклеотидами. Неорганические фосфаты - являются составной частью буферных систем плазмы, а так же тканевой жидкости. В плазме крови неорганический фосфор представлен в виде ортофосфатов, обеспечивающих процесс межклеточного энергетического обмена в организме.

Фосфорная кислота играет первостепенную роль в процессах регенерации клеток, их воспроизведения, входит в состав мембран клеток. Обеспечивает обмен жиров и формирование нервных и мозговых клеток мозга.

б) Фосфолипиды - эфиры фосфорной кислоты и липидов (содержат остатки глицерина или сфигнозина, жирных кислот и фосфорной кислоты). Фосфолипиды обладают интересной особенностью - растворяются как в воде (за счет фосфата), так и в масле (за счет углеводородного остатка жирной кислоты) и эта характерная черта делает их важным компонентом клеточных мембран, так как такая структура оболочки позволяет проникать внутрь клетки (или из нее) как водо-, так и жирорастворимым питательным веществам. Т.е. около 1% фосфора в нашем организме участвует в создании буферной ёмкости жидкостей и клеток тела.

4. Участие в катаболических и анаболических реакциях.

Особенно важны содержащие фосфор коферменты - низкомолекулярные вещества небелковой природы, действующие в составе ферментов и необходимые при специфических каталитических превращениях. Некоторые коферменты многим хорошо известны - это аденозинтрифосфат (АТФ), никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ), флавинмононуклеотид (ФМН), пиридоксальфосфат, тиаминпирофосфат, кофермент А и другие. Каждый кофермент выполняет определенную функцию в клетке.

Например, гидролиз АТФ до АДФ - реакция, при сопряжении с которой потенциально эндергонические реакции(с поглощением энергии) превращаются в экзергонические (с выделением энергии), что необходимо при осуществлении важнейших биохимических процессов.

5. Участие в синтезе ДНК и РНК.

Служит предшественником в синтезе ДНК и РНК. Эти носители генетической информации были впервые выделены в 1869 Мишером и названы им нуклеином. Мишер установил содержание значительного количества фосфора в нуклеине. ДНК и РНК представляют собой двухцепочечные спирализованные полимерные молекулы. Остов их образован остатками пентоз (дезоксирибозы для ДНК и рибозы для РНК) и фосфата.

Важность фосфора в сохранении целостности РНК и ДНК была подтверждена на опытах с фагами (вирусами, заражающими клетки бактерий), меченными радиофосфором. Их назвали фагами-самоубийцами, так как по мере распада радиоактивного фосфора, структура нуклеиновой кислоты повреждалась настолько, что это становилось летальным для вируса.

Другими словами, фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, принимающих участие в процессах роста, деления клеток, хранения и использования генетической информации.

6. Передача нервных импульсов.

Учёные доказали, что без фосфора невозможен процесс мышления, так как для работы мозга необходимо наличие фосфорных соединений.

Вместе с белками и жирными кислотами фосфор образует высокоактивные соединения - например, лецитин, являющийся смесью фосфолипидов, и необходимый для формирования клеточных и мозговых оболочек. Известно, что лецитин в огромных количествах расходуется организмом при нагрузках, не только физических, но и психоэмоциональных, поэтому без достаточного количества фосфора, необходимого для его синтеза, наши клетки останутся незащищёнными.

7. Помощь обмену жиров и крахмалов в организме.

Фосфор играет важную роль в обмене углеводов -- фосфаты усиливают всасывание глюкозы в кишечнике. Фосфор принимает участие и в жировом обмене, при этом жирные кислоты, поступая в кровь из пищеварительного тракта, соединяются с фосфорной кислотой и холином, образуя лецитин. Эта фаза фосфорилирования жира идет в кишечнике, печени и почках и является промежуточной при образовании жира из углеводов у откармливаемых и при образовании жира молока -- у лактирующих животных.

8. Обеспечение правильной работы сердца и почек.

Находящийся в почках фосфор снижает вероятность образования почечных камней.

Основную роль в превращения соединений фосфора в организме человека и животных играет печень. Обмен фосфорных соединений и содержание фосфора в организме регулируется паратгормоном, кальцитонином и витамином D.

фосфор окислительный восстановительный биогенный

9. Продукты, содержащие фосфор

Для правильного протекания множества химических реакций в организме необходимо постоянно восполнять запасы фосфора. Для этого нужно знать, где он содержится.

Фосфором богаты такие продукты как молоко, мясо домашней птицы, рыба, мука, хлеб, семечки, овощи.

Фосфор также содержится в шпинате, чесноке, моркови, капусте, петрушке, ягодах и грибах. Наиболее богаты фосфором икра осетровых и фасоль, желток яйца и различные сыры, говяжья печень, овсяная и гречневая крупы, какао и грецкие орехи, тыква. Консервы, в которые добавляются фосфаты, тоже являются источником фосфора - это необходимо учитывать.

В среднем, взрослый человек должен ежедневно получать с пищей 800 - 1500 мг фосфора. Для лиц, занятых тяжелым физическим трудом, норма фосфора должна быть увеличена.

Для правильного функционирования фосфора в организме важно достаточное количество кальция и витамина D. Оптимальным соотношением содержания кальция и фосфора принято считать 2:1.

Рисунок 5



Рисунок 6

Рисунок 7

Таблица 2

Продукт	Ca, мг/100г	P, мг/100г	Ca/P
Жареная говядина	12	250	0,05
Цельное молоко	118	93	1,26
Вареная фасоль	50	37	1,35
Жареная треска	31	274	0,11
Пшеничный хлеб	84	254	0,33
Картофель	7	53	0,13
Яблоки	7	10	0,70
Яйцо куриное	54	205	0,26

10. Болезни, связанные с недостатком и избытком фосфора

Рисунок 8

У взрослого человека редко развивается фосфорный дефицит. Чаще всего причина этого заключается длительном приёме антацидных (понижающих кислотность) лекарственных препаратов.

Также снижение уровня фосфора в организме может происходить в следствие:

§ диетического питания с низким содержанием белка

§ повышенного поступления в организм Mg, Fe, Al, Ba, Ca

§ алкоголизма

§ эндокринных заболеваний, нарушающих нормальную регуляцию фосфорного обмена

§ употребления в больших количествах лимонадов

§ хронического заболевания почек.

Определение фосфора в биохимическом анализе - необходимый этап диагностики заболевания костей, почек, паращитовидных желез.

Недостаток фосфора.

Если всё-таки недостаток фосфора в организме возникает, то человек ощущает слабость и общее недомогание. При дисбалансе фосфора также могут проявляться всплески интеллектуальной активности, на смену которым приходит нервное истощение. Такие люди могут активно реагировать на окружающее, а затем впадать в апатию и депрессию.

У маленьких детей недостаток фосфора может возникнуть при искусственном вскармливании - это чревато развитием рахита.

Кроме слабости и утомляемости, недостаток фосфора может выражаться снижением внимания и аппетита, болями в мышцах и костях, частыми инфекциями и простудами, нарушениями работы печени, серьёзными сбоями в обмене веществ, кровоизлияниями, патологическими изменениями в сердце.

Некоторые заболевания, связанные с понижением уровня фосфора:

· недостаток гормона роста

· дефицит витамина D (рахит)

· пародонтоз (воспаление околозубной десны)

· нарушение всасывания фосфора, тяжелый понос, рвота

· гиперкальцемия (избыток Ca) - приводит к хрупкости и ломкости костей

· повышенная функция паращитовидных желез (гиперпаратиреоз)

· гиперинсулинемия (при лечении сахарного диабета)

Избыток фосфора.

При избытке фосфора может возникнуть почечнокаменная болезнь, поражается печень и кишечник, развивается анемия и лейкопения - уменьшается содержание лейкоцитов; появляются кровоизлияния, возникают кровотечения, костная ткань теряет кальций, а фосфаты, наоборот, откладываются в костях.

При отравлении фосфором нарушается работа всей пищеварительной системы, печени, почек, сердца, появляются геморрагии - мелкие кровоизлияния, в том числе и на сетчатке глаз.

Некоторые заболевания, связанные с повышением уровня фосфора:

· нарушение костной ткани (развитие опухолей, лейкоза, саркоидоза)

· избыток витамина D

· воспаление слизистых оболочек верхних дыхательных путей

· нарушения заживления переломов костей

· понижение функции паращитовидных желез (гипопаратиреоз)

· острая и хроническая почечная недостаточность

· остеопороз (ломкость и хрупкость костей в возрасте) - происходит вымывание Ca из костей

· ацидоз (накопление кислот фосфора в организме)

· цирроз (в печени печёночная ткань заменяется на соединительную).

Важно: прежде чем принимать препараты, содержащие фосфор, необходимо обязательно пройти обследование, сдать анализы и получить консультацию врача!

11. Токсикология фосфора

Красный фосфор практически нетоксичен (токсичность ему придают примеси белого фосфора). Пыль красного фосфора, попадая в легкие, вызывает пневмонию при хроническом действии.

Белый фосфор очень ядовит, растворим в липидах. Смертельная доза белого фосфора -- 50--150 мг. Попадая на кожу, тлеющий белый фосфор даёт тяжелые ожоги.

Острые отравления фосфором проявляются жжением во рту и желудке, головной болью, слабостью, рвотой. Через 2--3 суток развивается желтуха. Для хронических форм характерны нарушение кальциевого обмена, поражение сердечно-сосудистой и нервной систем. Первая помощь при остром отравлении -- промывание желудка, слабительное, очистительные клизмы, внутривенно растворы глюкозы. При ожогах кожи обработать пораженные участки растворами медного купороса или соды.

Наиболее активный химически, токсически и наиболее подверженный возгоранию белый («жёлтый») фосфор часто применяется в зажигательных бомбах и пр. Боевые отравляющие вещества зарин, зоман, табун, V-газы являются соединениями фосфора.

12. Условия для правильного усвоения фосфора в организме

Избыточное содержание в пище магния, алюминия и железа препятствуют усвоению фосфора и делают его влияние на организм неэффективным. А при избытке фосфора теряется кальций. Всасывание магния при избытке фосфора тоже нарушается - а это грозит мигренями, болями в спине, аритмией и другими проблемами со здоровьем. Артриты не будут быстро развиваться у тех людей, которые всегда получают достаточно фосфора, а при уже имеющихся заболеваниях суставов дополнительный приём фосфора уменьшает боли.

Для правильного усвоения фосфора в организме следует просто отрегулировать своё питание: например, после 40 лет стоит есть больше листовых зелёных овощей и молочных продуктов, чем мяса, чтобы не затруднять работу почек, и не мешать им, выделять лишний фосфор.

Без фосфора не усваивается ниацин - витамин , необходимый для работы сердца и почек, обменных процессов, дыхания клеток и обеспечения их энергией, передачи нервных импульсов.

Потребность в фосфоре повышается при физических нагрузках и недостатке белка, чрезмерном употреблении сахара, приёме некоторых гормональных препаратов. Усвоению этого элемента способствуют витамины А, D и F, калий, а также железо, магний и кальций в сбалансированных количествах.

Восполнять дефицит фосфора в организме лучше всего с помощью продуктов питания или биологически активных добавок (БАД), однако иногда требуется назначение лекарственных препаратов: рибоксина, фитина, фосфоколина, АТФ и других.

При избытке фосфора могут назначить введение специальных растворов, или приём гидроокиси алюминия - она связывает фосфаты и замедляет их всасывание.

13. Значение фосфора для животных и растений

а) в сельском хозяйстве.

В сельском хозяйстве фосфор находит широкое применение. Его соединения включают в рацион сельскохозяйственных животных, для повышения урожайности и защиты растений вносят в почву как удобрения.

ь Значение минеральных веществ в питании животных.

Животный организм без органических веществ может прожить до 40 суток в зависимости от запаса белков, жиров и углеводов; без воды -- до 10 суток в зависимости от содержания жира в организме (жир является депо воды); без минеральных веществ -- не более 5 суток. Минеральные вещества входят в состав структурных элементов тела животного. Каждая клетка содержит те или иные минеральные элементы. Образование новых клеток у растущих животных невозможно без отложения в них минеральных веществ. Эти отложения содержатся главным образом в костях и других тканях организма.

Минеральные вещества необходимы для синтеза жизненно важных соединений и входят в состав молекул сложных органических структур. Так фосфор входит в состав таких органических соединений, как казеин, нуклеиновые кислоты, фосфиды и др.

Минеральные вещества необходимы для поддержания животных в здоровом состоянии, для правильного развития молодняка и нормального размножения. Минеральные вещества также необходимы беременным животным для нормального развития плода. При их недостатке снижается плодовитость, возможны аборты и появление мертворожденного потомства.

Значительна потребность в минеральных веществах, которые выделяются в молоке, у лактирующих животных. Например, корова при удое 8 тыс. кг молока в год выделяет в молоке до 65 кг минеральных элементов, это в 2-3 раза больше, чем их содержится в ее теле; в том числе выделяется до 10 кг калия, 8,5 кг кальция, 8 кг хлора, 7 кг фосфора, 3,5 кг серы, 1 кг магния и др. При недостатке отдельных веществ в кормовых рационах коров, например фосфора, снижение удоев молока доходит до 800 кг в год.

Обеспечение в полной норме минеральными веществами животных при откорме способствует ускорению сроков откорма и снижению расхода кормов на прирост массы тела.

Таким образом, минеральная часть кормового рациона играет важную роль в организации полноценного кормления животных. Только при наличии в рационе необходимого количества минеральных веществ организм животного наиболее полно использует питательные вещества корма, сохраняет здоровье и дает максимальную продуктивность.

ь Фосфор в кормах животных.

Фосфаты натрия и калия являются важными буферными веществами, поддерживающими определенную концентрацию водородных ионов (рН) в крови и в тканях, участвуют в процессах всасывания питательных веществ в кишечнике и выделения из организма продуктов клеточного обмена веществ. Если кормового фосфора животному недостает, то он мобилизуется из костной ткани. Фосфор выделяется из организма у травоядных животных преимущественно с калом, у плотоядных -- с мочой.

В кормах фосфор находится в основном в форме органических соединений фосфорной кислоты. Содержание фосфора в кормах, так же как и кальция, изменяется в зависимости от почвы, удобрений, климата, фазы развития растений и др. Из растительных кормов удовлетворительным источником фосфора являются злаковые корма -- овес, ячмень, кукуруза. В сене и соломе фосфора мало. Сравнительно много фосфора в отрубях, жмыхах, шротах, кормах животного происхождения -- мясокостной, рыбной и мясной муке.

Потребность сельскохозяйственных животных в фосфоре, так же как и в кальции, неодинакова и зависит от вида животного, физиологического состояния, уровня продуктивности и др. Например, дойной корове с удоем 10 кг в день требуется фосфора 40-45 г в сутки, молодняку крупного рогатого скота -- 6-15 г на 100 кг живой массы. А вот овцам-маткам -- 2,6-6,8 г, свиньям-маткам -- 30-40 г, курам-несушкам -- 0,8% от сухого корма.

Помимо норм потребности животных в фосфоре в кормовых рационах необходимо учитывать соотношение фосфора и кальция. В среднем это 1,5 : 2, т. е. на 2 части кальция должно приходиться 1,5 части фосфора. При несоблюдении этого соотношения в кормовых рационах у животных наблюдаются тяжелые расстройства минерального обмена и усугубляются болезни остеодистрофического характера. Чаще всего в кормах наблюдается излишнее количество кальция при недостатке фосфора. В этом случае в рационы добавляют кормовые фосфаты, не содержащие кальций (мононат-рийфосфат, динатрийфосфат, диаммонийфосфат и др.) до нормы, а лишний кальций в процессе пищеварения выделяется из организма с калом.

Ежедневное применение кормовых фосфатов в кормлении животных способствует:

· нормализации минерального обмена веществ

· повышению продуктивности

· сокращению периода откорма

· получению здорового потомства

· сохранению молодняка и профилактике рахита

· улучшению питательной ценности мяса, молока

· снижению расхода кормов и, в конечном итоге, увеличению доходности хозяйства.

Важно:

!!! Фосфор, содержащийся в кормовых фосфатах, лучше усваиваются организмом животных, чем фосфор кормов. Например, фосфор зерновых усваивается не более чем на 17-23 %, а фосфор фосфатов способен переходить в кровяное русло более чем на 90% от исходного количества его в добавке. К тому же кормовые фосфаты пригодны для использования всем видам сельскохозяйственных животных и большинству половозрастных групп.

!!! Так, при добавлении кормовых фосфатов к основным кормам в среднем увеличиваются: удои коров на 8-12%, а суточные привесы телят - на 7-12% (при снижении затрат кормов на единицу привеса на 7-11%).

ь Потребность растений в фосфоре.

Фосфор в растениях встречается в виде органических соединений, а также фосфатов кальция, калия, магния и натрия. Значение фосфора в жизнедеятельности растений очень разнообразно. Он входит в состав нуклеиновых кислот, витаминов, ферментов и других биологически активных соединений, играющих важную роль в превращении вещества и энергии.

Фосфор - необходимый элемент питания, без него растения гибнут. Фосфор ускоряет и улучшает цветение, способствует его обилию и продолжительности, ускоряет развитие корневой системы. При недостатке фосфора листья многих растений приобретают серо-зеленую или красноватую окраску, нижние листья желтеют и буреют, а затем отмирают. Развитие растений замедляется, их созревание затягивается, они имеют угнетенный вид. Крайне необходим фосфор молодым растениям. При избытке фосфора наблюдается уменьшение размеров растения, сморщивание нижних листьев, их пожелтение, отмирание и преждевременное отделение от стебля.

Фосфор в жизни растений влияет на многосторонние физиологические и биохимические функции. Фосфорные соединения влияют на важные функции метаболизма в растительном организме, имеют исключительно важное значения для формирования органов и тканей сельскохозяйственных культур, благоприятно влияют на количество и качество выращиваемой продукции: ускоряют рост коренной системы молодых растений, уменьшают младенческий возраст плодовых культур, ускоряет цветение и созревание плодов. Растения становятся устойчивыми к болезням и заморозкам из-за высокой жизнеспособности и уменьшения влаги в тканях растений.

Фосфорные соединения улучшают качество картофеля, сахарной свеклы, винограда, плодов плодово-ягодных и овощных культур и других технических культур. Так, например, в картофеле увеличивается содержание крахмала, в плодах свеклы, винограда, плодово-ягодных и овощных культур увеличивается содержание сахара, увеличивается аромат табака, качество хлопка и т. д.

Большая часть фосфора находится в репродуктивных органах и молодых интенсивно растущих частях растений. Основное количество фосфора растения потребляют в первые фазы роста и развития, создавая его определенные запасы. В дальнейшем фосфор легко передвигается из старых тканей в молодые.

Фосфор положительно влияет при одностороннем внесении азота: уменьшает период созревания плодов, ограничивает склонность зерновых культур к полеганию и соотношение зерна к соломе в пользу зерна, увеличивает содержание азотных соединений в корнеплодах свеклы и семенах ячменя.

Особая роль фосфора в жизни растений состоит в том, что без него невозможен энергетический обмен растительной клетки. Главное значение здесь принадлежит аденозинфосфатам, в составе которых имеются остатки фосфорной кислоты, связанные между собой макроэргическими связями, способными при гидролизе выделять большое количество энергии.

В зависимости от количества остатков фосфорной кислоты различают аденозинмонофосфат (АМФ), аденозиндифосфат (АДФ) и аденозинтрифосфат (АТФ), который по запасу энергии превосходит первые два. АТФ состоит из пуринового основания (аденина), сахара (рибозы) и трех остатков ортофосфорной кислоты:

Богатые энергией фосфатные макроэргические связи (волнистая линия) содержат по 50 280 Дж, при их разрыве выделяется 31 425 Дж. Отдав одну молекулу фосфорной кислоты, АТФ переходит в АДФ, последний также может отдать одну молекулу фосфорной кислоты и перейти в АМФ.

Таким образом, аденозинфосфатные соединения в растительной клетке представляют собой своеобразный аккумулятор энергии, которая поставляется по мере необходимости для осуществления всех жизненно важных процессов в клетке: биосинтеза белков, жиров, крахмала, сахарозы, аспарагина и глютамина, ряда аминокислот и многих других соединений.

Синтез АТФ в растениях осуществляется в процессе дыхания. Известны и другие соединения, имеющие макроэргические связи, в состав большинства из которых входит фосфор. Однако основная роль среди них принадлежит АТФ.

Недостаток фосфора влияет на множество функций в растительном организме: растения приобретают ненормальный цвет, листья засыхают и преждевременно опадают, стебель становится тонким, коренная система и другие органы не развиваются, цветение запоздалое, происходит задержка в образовании и созревании плодов.

При сильном дефиците фосфора в питательной среде - растения приобретают сине-зеленый или темно-зеленый цвет с бронзовым или фиолетово-красным оттенком. Эти признаки проявляются, когда недостаток фосфора влияет на вегетативные органы. Относительно высокая концентрация сахаров придает пурпурный оттенок растениям. Листья становятся мелкими, сине-зеленными, матовыми. Периферия листа подсыхает, покрывается широкими фиолетовыми или коричневыми пятнами, пораженные ткани быстро отмирают и высыхают. С нижней стороны листьев томата могут появиться пятна с ярко выраженным фиолетовым или лиловым цветом, которые после бутонизации исчезают.

При среднем дефиците фосфора, внешние признаки не проявляются, но рост растения затормаживается, в первую очередь сильно отстает в развитии корневая система растений. Происходит задержка в развитии, цветении и созревании, выращенная продукция сильно отстает как в качественном, так и в количественном отношении.

Рисунок 9. Виноградник со следами поражения при фосфорном дефиците

Рисунок 10. Листья винограда со следами поражения при фосфорном дефиците



Рисунок 11. Куст кукурузы со следами поражения при фосфорном дефиците

Рисунок 12. Подсолнечник, выращенный на почве с фосфорным дефицитом.

Рисунок 13. Листья сахарной свеклы с разной степенью поражения при фосфорном дефиците

Как дефицит, так и избыток фосфора вреден для роста, развития и продуктивности сельскохозяйственных культур. При высокой концентрации фосфатов в тканях, растения страдают от хлорозы, вызванной трудно растворимыми соединениями в результате химического взаимодействия между фосфатами и микроэлементными металлами, такими как цинк, железо и т. д.

Количество фосфора в не удобренных почвах обуславливается содержанием фосфора в материнской скале и от процессов почвообразования. Фосфор в почве находится в форме неорганических и органических фосфатов, соотношение между которыми зависит от содержания гумуса в почве, минерализации органических веществ и т. д.

Почвы богатые органическими веществами содержат больше органического фосфора. Большое колебание фосфорного содержания в гумусе можно объяснить различным происхождением почвенных органических соединений. Часть фосфора высвобождается при разложении растительных остатков, содержание которого очень низкое, а наиболее богатая часть фосфора синтезирована почвенными микроорганизмами. Для сравнения: в сухом веществе корневой системы пшеницы содержится около 0,10% фосфора, а в бактериях - около 1,5-2,5% фосфора.

14. Удобрения

Большинство (80-90%) добываемой фосфатной руды идет на получение удобрений. В 1799 было доказано, что фосфор необходим для нормальной жизнедеятельности растений. Накапливаясь в биомассе, фосфор исчезает из почвы. Ежегодно мировой урожай уносит с полей несколько миллионов тонн фосфора, наряду с азотом и калием, поэтому необходимо возобновление его ресурсов в плодородном слое. В древние времена люди удобряли почву навозом, костями и гуано.

Первое искусственное фосфорное удобрение - суперфосфат - было получено в Англии в 1839 Лаузом, а в 1842 там же было организовано его первое промышленное производство. В России первое предприятие по производству суперфосфата появилось в 1868. Сейчас его получают, обрабатывая апатит серной кислотой:

+ 7 = 3 + 7 + 2 HF

Суперфосфат - смесь солей.

Побочно получающийся сульфат кальция не отделяют.

Более ценный продукт - двойной суперфосфат, так как в нем содержится в три раза больше фосфора по массе, его получают обработкой апатита фосфорной кислотой:

+ 14 + 10 = 10 + 2 HF

Также в промышленности в качестве удобрения получают аммофос и преципитат, нерастворимый в воде. Преципитат используют только на кислых почвах:

+ = + 2

3 + 2 = +

Доля производства удобрений, содержащих в своем составе только один фосфор, падает, и все больше производится комплексных удобрений, содержащих два или три питательных элемента. Большая часть фосфорных удобрений, производимых в России, приходится на аммофос, диаммофос и азофоску.

Необходимый состав вносимого удобрения и его эффективность зависят от характеристик почвы, например, рН, но растворимость фосфатных удобрений определяет время, за которое происходит его усвоение растениями, и долю усвоенного фосфора, которая обычно мала и составляет около 20%.

Вывод

Область применения соединений фосфора огромна и дать все охватывающий ее обзор непросто. Определение А.Е. Ферсмана: «Фосфор - элемент жизни и мысли» находит повсеместное подтверждение. Фосфор - элемент не только биологической жизни, но и повседневной. Действительно, фосфорсодержащие соединения используются в сельском хозяйстве, медицине, фармакологии, научных исследованиях, пищевой и химической промышленности, строительстве, металлургии, технике и в повседневном быту.

Литература

1. О.С. Габриелян, И.Г. Остроумов. Настольная книга учителя. Химия 9 класс. М.: Дрофа. 2002г.

2. О.С. Габриелян. Химия. 9 класс: Учебник для общеобразовательных учреждений. - М.: Дрофа, 2003.

3. А.С. Егоров, Н.М. Иванченко, К.П. Шацкая. Химия внутри нас: Введение в бионеорганическую и биоорганическую химию. - Ростов н/Д: Феникс, 2004.

4. Фигуровский Н.А. Открытие элементов и происхождение их названий. М., Наука, 1970.

5. Фосфор в окружающей среде. Под ред. Э. Гриффита. М., «Мир», 1977.

Размещено на Allbest.ru

...