Die Phosphorelementformen können amorph oder kristallin vorliegen : Dies sind Allotrope von Phosphor . Am häufigsten sind fester weißer Phosphor und roter Phosphor . Es gibt auch lila und schwarze Formen, immer in fester Form. Gasförmiger Phosphor liegt in Form von Diphosphor und atomarem Phosphor vor.
Der weiße Phosphor , der gelbe Phosphor oder Tetraphosphor (P 4) existiert als Moleküle aus 4 Atomen . Die tetraedrische Anordnung führt zu einer kreisförmigen Spannung, die die Instabilität fördert. Das Molekül hat 6 einzelne PP-Bindungen. Es gibt zwei kristalline Formen. Die Form α, die unter normalen Druck- und Temperaturbedingungen stabil ist, ist flächenzentriert kubisch . Bei 192,5 Kelvin ändert es sich reversibel in die β-Form. Letzteres hätte eine hexagonale Kristallstruktur .
Weißer Phosphor ist ein transparenter wachsartiger Feststoff , der sich bei Lichteinwirkung schnell gelb färbt , weshalb er auch als gelber Phosphor bezeichnet wird. Es leuchtet im Dunkeln grün (bei Kontakt mit Sauerstoff ), ist bei Kontakt mit Luft leicht entflammbar und pyrophor (selbstentzündlich). Es ist giftig (verursacht bei Einnahme schwere Leberschäden ) und verursacht eine Nekrose des Kiefers, wenn es chronisch verschluckt oder eingeatmet wird. Der Geruch des Brennens dieser Form ähnelt dem von Knoblauch , und die Proben werden regelmäßig mit einem Film aus weißem Phosphor (di) pentoxid mit der chemischen Formel P 4 O 10 beschichtet. Weißer Phosphor ist in Wasser schwer löslich : Aus diesem Grund wird er häufig in Wasser gelagert. Andererseits ist es in Benzol , Ölen , Schwefelkohlenstoff und Schwefelchlorid löslich .
Die weiße allotrope Form kann mit verschiedenen Methoden hergestellt werden. In einem Verfahren wird Calciumphosphat , das von Phosphorit abgeleitet ist, in einem Ofen in Gegenwart von Kohlenstoff und Siliciumdioxid erhitzt . Elementarer Phosphor wird dann in Form von Dampf freigesetzt und kann mit Phosphorsäure gesammelt werden .
Weißer Phosphor hat bei Raumtemperatur einen hohen Dampfdruck . Seine Dampfdichte zeigt an, dass sein Dampf aus P 4 -Molekülen bestehtbis zu 800 ° C . Bei höheren Temperaturen dissoziieren sie unter Bildung von P 2.
Es entzündet sich spontan an der Luft bei 50 ° C und bei niedrigeren Temperaturen, wenn es zu Pulver reduziert wird. Diese Verbrennung führt zur Bildung von Phosphorpentoxid : P 4+ 5 O 2→ P 4 O 10.
Aufgrund dieser Eigenschaft wird weißer Phosphor in Waffen verwendet .
Obwohl weißen Phosphor abwechselnd in roten Phosphor , was thermodynamisch stabileren, die Bildung von P 8Kubik in der kondensierten Phase wurde 2010 noch nicht beobachtet. Derivate dieses hypothetischen Moleküls wurden jedoch aus Phosphoalkinen hergestellt .
Der rote Phosphor kann durch Erhitzen von weißem Phosphor auf 250 ° C oder durch Sonneneinstrahlung erzeugt werden . Roter Phosphor existiert als amorphes Gitter . Bei weiterer Erwärmung kristallisiert der amorphe rote Phosphor. Bei Temperaturen unter 240 ° C dreht es sich an der Luft nicht spontan .
Roter Phosphor kann sich bei Erwärmung auf 260 ° C in weißen Phosphor verwandeln (wie wenn ein Streichholz angezündet wird).
In den meisten Ländern der ehemaligen Sowjetunion handelt es sich um eine kontrollierte Substanz, da sie zur Herstellung von Amphetaminen verwendet wird .
Der monokline Phosphor oder Purpurphosphor ist auch unter dem Namen Hittorfer Metallphosphor bekannt . 1865 erhitzte Hittorf roten Phosphor in einem verschlossenen Rohr auf 530 ° C. Der obere Teil des Röhrchens wurde bei 444 ° C gehalten . Helle undurchsichtige monokline Kristalle sublimiert . Violetter Phosphor kann auch hergestellt werden, indem weißer Phosphor in geschmolzenem Blei gelöst wird, wobei die Mischung 18 Stunden lang bei 500 ° C in ein verschlossenes Rohr eingeführt wird . Durch langsames Abkühlen kristallisiert die allotrope Form von Hittorf. Kristalle können durch Auflösen von Blei in verdünnter Salpetersäurelösung und anschließendes Kochen in konzentrierter Salzsäurelösung nachgewiesen werden . 1865 entdeckte Hittorf, dass bei der Rekristallisation von Phosphor aus geschmolzenem Blei eine violett / violette Form erhalten wird. Diese Form wird manchmal als Hittorfs Phosphor bezeichnet . Zusätzlich gibt es eine faserige Form , die aus ähnlichen Phosphorkäfigen besteht.
Violetter Phosphor entzündet sich an der Luft erst bei 300 ° C und ist in den meisten Lösungsmitteln unlöslich . Es wird nicht von Laugen angegriffen und reagiert langsam mit Halogenen . Es kann sein , oxidiert von Salpetersäure , immer Phosphorsäure .
Wenn es in einer Inertgasatmosphäre, beispielsweise Stickstoff oder Kohlendioxid , erhitzt wird , sublimiert es und der Dampf kondensiert als weißer Phosphor. Wenn es jedoch unter Vakuum erhitzt wird und der Dampf schnell kondensiert, wird lila Phosphor erhalten. Es scheint, dass violetter Phosphor ein Polymer mit einem relativ hohen Molekulargewicht ist , das unter Hitzeeinwirkung Moleküle P 2 bildet. Beim Abkühlen sollten sie normalerweise Dimere bilden, die sich in P 4 verwandeln (d. h. weißer Phosphor), aber im Vakuum verbinden sie sich, um ein violettes Polymer zu bilden.
Der schwarze Phosphor ist ein thermodynamisch stabiler Phosphor bei normaler Temperatur und normalem Druck und eines seiner vielen Allotrope. Es wird durch Erhitzen von weißem Phosphor unter hohem Druck ( 12.000 atm ) erhalten. Es wurde 1914 von Percy Williams Bridgman synthetisiert .
Es hat verschiedene Eigenschaften von Graphit : schwarz, schuppig. Es hat eine Schichtstruktur und ist ein dünner Halbleiter mit einer scheinbaren Bandabweichung von 0,3 eV. Darüber hinaus werden schwarze Phosphormonoschichten als Phosphoren bezeichnet.
Um dünne Schichten aus schwarzem Phosphor zu isolieren, ist die in der Wissenschaft am weitesten verbreitete Technik das mechanische Peeling. Die wissenschaftliche Gemeinschaft versucht jedoch, einen Plasmaätzprozess zu entwickeln, um Monoschichten aus schwarzem Phosphor zu isolieren.
Schwarzer Phosphor ist ein orthorhombischer Kristall und das am wenigsten reaktive der bekannten Allotrope, da er mehrere miteinander verbundene kreisförmige Ketten aufweist. Jedes Atom ist mit drei anderen Atomen verbunden. 2007 wurde eine Synthese mit einem Metallkatalysator durchgeführt .
Eine der kristallinen Formen von rot / schwarzem Phosphor ist kubisch .
Im Jahr 2014 entdeckte ein Team von Wissenschaftlern, dass diese Art von Phosphor zur Herstellung elektronischer Schaltkreise verwendet werden kann. Das Hauptziel der Forscher war es, ein Element zu finden, das fast identisch mit Graphen ist, aber natürlich ein Halbleiter. Wir wissen derzeit nicht, ob diese Verbindung in großen Mengen und zu geringen Kosten verwendet werden kann. Die Forschung wird jedoch fortgesetzt, und einige Tests (Herstellung von Transistoren usw.) wurden bereits durchgeführt.
Der Diphosphor (P 2) wird nur unter extremen Bedingungen erhalten (z. B. P 4bis 1100 K . Es wurden jedoch einige Fortschritte bei der Herstellung von zweiatomigen Molekülen in homogenen Lösungen für STP erzielt , indem der Komplex von Übergangsmetallen (beispielsweise auf der Basis von Wolfram und Niob ) verwendet wurde.
Die Diphosphor wird die gasförmige Form von Phosphor und thermodynamisch stabile Form oberhalb 1200 ° C und bis zu 2000 ° C . Die Dissoziation des Tetraphosphors (P 4) beginnt bei niedrigeren Temperaturen: der Prozentsatz von P 2bei 800 ° C beträgt ~ 1%. Bei über 2000 ° C beginnen Diphosphormoleküle in atomaren Phosphor zu dissoziieren.
Von Nanostäben wurde Phosphor in Form von Polymeren P 12 - synthetisiert..
Die rotbraune Phase unterscheidet sich von rotem Phosphor und ist auch mehrere Wochen an der Luft stabil. Beobachtungen unter einem Elektronenmikroskop zeigten, dass die rotbraune Form lange parallele Nanostäbe mit einem Durchmesser im Bereich von 0,34 nm bis 0,47 nm enthält .
Bilden | Weiß (α) | Weiß (β) | Lila | Schwarz |
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Symmetrie | Kubisch zentriert | Triklinisch | Monoklin | Orthorhombisch |
Pearson-Notation | aP24 | mP84 | oS8 | |
Raumgruppe | I 4 3m | P 1 Nr.2 | P2 / c Nr. 13 | Cmca Nr. 64 |
Dichte | 1,828 | 1,88 | 2.36 | 2.69 |
Bandlücke (eV) | 2.1 | 1.5 | 0,34 | |
Brechungsindex | 1,8244 | 2.6 | 2.4 |