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Fosforo: caratteristiche, composti, utilizzo e metodo di produzione del Fosforo

Il termina fosforo deriva dal greco "fosforos" che significa portatore di luce. Questo nome gli fu attribuito in seguito alla sua capacità di emettere luce e incendiarsi all'aria: infatti il fosforo nella sua forma allotropica denominata fosforo bianco o fosforo giallo, si ossida emettendo una luminescenza abbastanza intensa. L'elemento chimico fu ottenuto per la prima volta nel 1669 dal tedesco H.Brand che lo ricavò dai sali fosfatici contenuti nell'urina volta.

Allo Stato elementare e a temperatura ambiente è un solido che si presenta in diverse forme allotropiche. Il fosforo bianco, cristallino, di consistenza cerosa, si presenta sotto forma di una massa bianca traslucida ed è costituito da molecole tetratomiche P4. È estremamente tossico per gli organismi animali, facilmente infiammabile, così che deve essere mantenuto sott'acqua. Lentamente alla luce e rapidamente al calore si trasforma nella forma rossa (fosforo rosso) che a differenza della bianca non è facilmente infiammabile, non è velenosa e si ossida molto lentamente all'aria. Altre forme allotropiche, più rare delle precedenti, sono il fosforo violetto e quello nero. Il primo si ottiene riscaldando in tubo chiuso a 550 °C il fosforo rosso, il secondo si ottiene sempre dal fosforo rosso per riscaldamento ad altissima pressione (12000 atm) e costituisce la forma  termodinamicamente più stabile.

Data la sua elevata reattività il fosforo non si trova libero in natura ma combinato principalmente sotto forma di minerali e costituisce lo 0,11% della crosta terrestre, nella quale è il dodicesimo elemento in ordine di abbondanza. Il fosforo è un elemento indispensabile per le trasformazioni energetiche cellulari: si ritrova nelle catene dei nucleotidi e nelle molecole fosfolipidiche; è presente nelle ossa, nel tessuto nervoso e nelle membrane cellulari.

Fosforo: composti

Il fosforo è un tipico non-metallo e (come l'azoto) forma quasi esclusivamente legami di tipo covalente. Nei suoi composti può avere numeri di ossidazione compresi tra -5 e +5; i composti più importanti sono quelli corrispondenti ai valori -3,+1,+3 e+5.

Il triidruro di fosforo PH3, gas incolore, meglio noto come fosfina, ha un caratteristico odore di pesce marcio. Si forma spontaneamente dalla decomposizione di sostanze organiche fosforate e per reazione a caldo tra fosforo giallo e soda caustica: non è spontaneamente infiammabile all'aria ma mescolato ad altri composti lo può diventare. Alla fosfina si attribuisce il fenomeno dei "fuochi fatui".

I fosfuri sono i composti del fosforo con i metalli; si possono formare per reazione diretta tra metalli e fosforo o per gorgogliamento di fosfina nelle soluzioni dei sali di alcuni metalli come argento, nichel e rame, che formano fosfuri insolubili. I fosfuri dei metalli alcalino e alcalino-terrosi e di altri metalli molto elettropositivi (p.e. Li3P, Na3P, Ca3P2) tendono a decomporsi in presenza di aria umida formando fosfina.

Il tricloruro di fosforo PCl3, che può essere preparato per reazione diretta tra fosforo liquido e cloro gassoso anidro, viene usato come agente di alogenazione e per la preparazione di derivati organici del fosforo.

Il pentacloruro PCl5, usato come reattivo clorurante in chimica organica.

Il fosforo, reagendo in opportune condizioni direttamente con lo zolfo, forma i solfuri. Sono stati descritti almeno quattro solfuri (P4S3, P4S5, P4S7, P4S10), tutti solidi e facilmente infiammabili per sfregamento.

Con ossigeno forma principalmente due composti: il triossido dimero P4O6, o anidride fosforosa, e il pentossido P2O5, o anidride fosforica, nei quali rispettivamente ha numero di ossidazione +3 e +5; entrambi hanno il carattere di ossidi acidi e danno con acqua gli acidi fosforoso e fosforico.

L'anidride fosforica P2O5, nome tradizionale del pentossido di difosforo, è una polvere bianca cristallina che sublima a 360°C, si scioglie in acqua formando acido metafosforico HPO3. Trova impieghi come agente disidratante, come intermedio per la preparazione di alcuni composti del fosforo e come catalizzatore in alcune reazioni organiche.

L'acido fosforoso o acido fosfonico H3PO3, è un solido cristallino, incolore, che si prepara scomponendo il tricloruro PCl3 con acqua o trattando con acqua il triossido di fosforo; per riscaldamento si trasforma in acido fosforico e fosfina. Per la sua spiccata tendenza a ossidarsi ad acido fosforico è un energico riducente.

L'acido fosforico H3PO4, allo stato anidro si presenta in cristalli. Fonde a alla temperatura di 42°C formando un liquido molto denso. E' più propriamente detto acido ortofosforico, per distinguelo dagli altri ossiacidi tutti derivanti dalla reazione dell'anidride fosforica con acqua. E' un acido estremamente corrosivo e attacca quasi tutti i metalli (a 100°C anche l'oro e il platino): per riscaldamento perde acqua e si trasforma in acido pirofosforico H4P2O7 e metafosforico HPO3. E' impiegato nella produzione di concimi fosfatidici ad alto titolo di P2O5, nella fabbricazione di cariche per detergenti (polifosfati) e di fosfato sodico; ha applicazioni dirette nel decappaggio e nella sgrassatura delle superfici metalliche.

I fosfati sono i sali degli acidi fosforici. Sono degli ottimi concimi (concimi fosfatidici), in quanto il fosforo costituisce un elemento essenziale per lo sviluppo delle piante.

Fosforo: utilizzo

Il fosforo rosso utilizzato nella preparazione dei fiammiferi, in pirotecnica, come disossidante nella metallurgia dei bronzi e di certi tipi di acciaio e nella fabbricazione di svariati composti del fosforo. Il fosforo bianco viene invece largamente utilizzato per la produzione dell'acido fosforico e nella fabbricazione delle bombe incendiarie.

Fosforo: metodo di produzione

Il fosforo bianco viene prodotto in un forno ad arco elettrico, riscaldando alla temperatura di 1450 °C una miscela formata da fosfato di calcio, carbone e silice (reazione di Wohler):

2 Ca3(PO4)2  +  10C  +  6SiO2  →  6 CaSiO3 + 10 CO + P4

I vapori di fosforo che si sviluppano dalla reazione chimica, vengono raccolti allo stato fuso sotto uno strato di acqua, in modo da evitare l'ossidazione da parte dell'ossigeno presente nell'aria.