Phosphor
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Struktur, Eigenschaften und Reaktivität von rotem und weißem Phosphor
Weißer Phosphor
Weißer Phosphor ist eine von mehreren allotropen Formen des Elements Phosphor. Er ist bekannt für seine P4-Tetraederstruktur, wobei jedes Phosphoratom mit drei weiteren Phosphoratomen über einfache Bindungen vernetzt ist. Diese Struktur ist besonders interessant, da jedes Phosphoratom ein freies Elektronenpaar besitzt, welches die Reaktivität von weißem Phosphor stark erhöht. Der Bindungswinkel im P4-Tetraeder beträgt etwa 60 Grad, was zu einer hohen Ringspannung führt. Dies erklärt die hohe Reaktivität und Flüchtigkeit des weißen Phosphors.
Das freie Elektronenpaar bei jedem Phosphoratom im P4-Tetraeder ist der Schlüssel zur hohen chemischen Reaktivität des weißen Phosphors.
Eine weitere bemerkenswerte Eigenschaft von weißem Phosphor ist seine Pyrophorie: Er entzündet sich selbstständig an der Luft. An der Luft verbrennt weißer Phosphor zu Phosphorpentoxid (\(\mathrm{P_4O_{10}}\)), einer stark hygroskopischen Substanz, die als Trockenmittel genutzt wird.
Weißer Phosphor ist selbstentzündlich an der Luft und verbrennt dabei zu Phosphorpentoxid (\(\mathrm{P_4O_{10}}\)), nicht zu Phosphorsäure. Dieses Verhalten zeigt die hohe Reaktivität von weißem Phosphor.
Hier noch einmal die wichtigsten Fakten:
- weißer Phosphor ist extrem reaktiv (deutlich reaktiver als der rote Phosphor). Er ist so reaktiv, dass er sich an der Luft einfach von selbst entzündet.
- weißer Phosphor ist extrem giftig
- weißer Phosphor verbrennt unter Luftathmosphäre zu Phosphorpentoxid \(P_4O_10\)
- Unter 800°C besteht weißer Phosphor aus tetraedrischen \(P_4\)-Molekülen
- weißer Phosphor löst sich in Kohlenstoffdisulfid auf
- weißer Phosphor kann in einer Reaktion mit NaOH zu Phosphorwasserstoff und Phosphinat disproportionieren
Roter Phosphor
Im Gegensatz zu weißem Phosphor ist die Struktur von rotem Phosphor komplexer und nicht so gut definiert. Er entsteht aus weißem Phosphor durch Erhitzen oder unter Lichteinfluss und ist wesentlich weniger reaktiv. Roter Phosphor ist stabiler, da die Atome polymerartig vernetzt sind und somit keine freien Elektronenpaare wie bei weißem Phosphor vorliegen.
Reaktivität und Vergleich
Beispielhafte Reaktionen von weißem Phosphor zeigen dessen hohe Affinität zu Sauerstoff. Auch Reaktionen mit Halogenen sind möglich, wobei beispielsweise aus der Reaktion mit Chlor das Phosphorpentachlorid (\(\mathrm{PCl_5}\)) entsteht.
Roter Phosphor zeigt eine solche Reaktivität nicht. Er dient in der Industrie etwa zur Herstellung von Sicherheits-Zündhölzern, da er erst bei Reibung mit weißem Phosphor reagiert und sich dann entzündet. Die Reaktionsprodukte und ihre Beschaffenheit hängen stark von der Allotropie des Phosphors ab.
Gefährdung und Sicherheit
Bei der Handhabung von weißem Phosphor ist Vorsicht geboten, da er nicht nur sehr reaktiv ist, sondern auch äußerst giftig. Schon geringe Mengen können zu schweren Vergiftungen führen.
Die hohe Toxizität von weißem Phosphor ist besonders relevant, da bereits kleinste Mengen gesundheitsschädlich sind.
Bedeutung für die Chemie
Die unterschiedlichen Oxidationsstufen des Phosphors spielen eine wesentliche Rolle bei der Bildung verschiedener Verbindungen. Phosphor kann zum Beispiel als \(\mathrm{PH_3}\) auftreten oder in der Oxidationsstufe +V im Phosphorpentachlorid (\(\mathrm{PCl_5}\)). Die Verbindungen zeigen unterschiedliche Strukturen und Eigenschaften je nach Oxidationszustand des Phosphors.
Das VSEPR-Modell ist ein wichtiges Werkzeug, um die Strukturen von Phosphorverbindungen sowie die Unterschiede in deren Reaktivität und Stabilität zu verstehen. Nach diesem Modell wird die räumliche Anordnung der Valenzelektronenpaare um ein Atom durch Abstoßungskräfte bestimmt, was auf die Strukturen von Phosphorverbindungen angewendet wird.
Industrielle Anwendungen
Neben \(\mathrm{P_4O_{10}}\), das als Trockenmittel dient, ist das Phosphortrichlorid (\(\mathrm{PCl_3}\)) eine wichtige Substanz in der chemischen Industrie. Es wird zur Herstellung von anderen Phosphorverbindungen verwendet und hat eine trigonal-pyramidale Struktur.
Beim Phosphorpentachlorid (\(\mathrm{PCl_5}\)) ist die Unterscheidung von Phosphorylchlorid (\(\mathrm{POCl_3}\)) bedeutend, da beide unterschiedliche Eigenschaften und Anwendungen haben und nicht verwechselt werden dürfen.
Phosphor in Biologie und Technologie
Phosphor ist auch für biologische Systeme von großer Bedeutung, so zum Beispiel in ATP, dem Energieträger der Zellen. In der Technologie finden sich Anwendungen von Phosphorverbindungen in der Elektronik, der Landwirtschaft und vielen anderen Bereichen.
Phosphorsäure ist als dreibasige Säure wichtig und besitzt drei Dissoziationsstufen mit verschiedenen pKs-Werten, was für Anwendungen in Chemie und Technik von Bedeutung ist.
Phosphor nimmt in der Biologie eine zentrale Rolle bei Energieübertragungen ein, vor allem in Form von Phosphatgruppen in ATP.
Zusammenfassung
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Footnotes
Credits Aussehen von weißem Phosphor Grafik: BXXXD, Weißer Phosphor, CC BY-SA 3.0↩︎
Credits Struktur von Phosphorpentachlorid Grafik: Andel Früh, Phosphorus pentachloride, als gemeinfrei gekennzeichnet, Details auf Wikimedia Commons↩︎
