FOSFOR: SEJARAH, SIFAT, STRUKTUR, PEROLEHAN, KEGUNAAN - KIMIA - 2026

The fosfor adalah elemen non-logam yang diwakili oleh kimia simbol P dan memiliki nomor atom 15. Ini memiliki tiga bentuk allotropic utama: putih, fosfor merah dan hitam. Fosfor putih berpendar, terbakar secara spontan saat terkena udara, dan juga sangat beracun.

Fosfor putih pada suhu 250 ºC menjadi fosfor merah; suatu bentuk polimer yang tidak larut yang tidak terbakar di udara. Pada temperatur dan tekanan yang tinggi, serta dengan ada atau tidaknya katalis, diperoleh fosfor hitam yang menyerupai grafit dan merupakan konduktor listrik yang baik.

Fosfor putih disimpan dalam botol berisi air. Sumber: W. Oelen

Fosfor diisolasi pertama kali oleh H. Brand pada tahun 1669. Untuk ini ia menggunakan air seni sebagai sumber unsur ini. Pada 1770, W. Scheele menemukan bahwa dia juga dapat mengisolasi fosfor dari tulang.

Belakangan, karena pembuatan tungku listrik oleh J. Burgess Readman (1800), batuan fosfat menjadi sumber utama produksi fosfor dari mineral fluoroapatit, yang ada di dalamnya.

Fosfor adalah unsur paling melimpah kedua belas di kerak bumi, terhitung 0,1% dari beratnya. Lebih jauh, itu adalah kelimpahan elemen keenam dalam tubuh manusia; terutama terkonsentrasi di tulang dalam bentuk hidroksilapatit.

Oleh karena itu, ia merupakan elemen penting bagi makhluk hidup, menjadi salah satu dari tiga nutrisi utama tumbuhan. Fosfor adalah bagian dari struktur kimia asam nukleat; senyawa penyimpan energi (ATP), koenzim; dan secara umum, senyawa metabolisme.

Sejarah

- Penemuan

Dalam urin

Lukisan karya Joseph Wright dari Derby menggambarkan penemuan fosfor. Sumber: Joseph Wright dari Derby

Fosfor diisolasi oleh Henning Brand pada tahun 1669, menjadi manusia pertama yang mengisolasi suatu unsur. Brand adalah seorang alkemis Jerman dari Hamburg dan berhasil memperoleh senyawa fosfor dari urin. Untuk melakukan ini, dia mengumpulkan urin dari 50 ember dan membiarkannya membusuk.

Merek kemudian menguapkan urine dan memperoleh residu kehitaman, yang disimpannya selama beberapa bulan. Untuk ini dia menambahkan pasir dan memanaskannya, berhasil menghilangkan gas dan minyak. Akhirnya, dia mendapatkan padatan putih yang bersinar hijau dalam gelap, yang disebutnya "api dingin".

Istilah 'fosfor', kebetulan berasal dari kata Yunani "fosfor" yang berarti pembawa cahaya.

Brand tidak mempublikasikan hasil eksperimennya dan menjualnya ke berbagai alkemis, termasuk: Johann Kraft, Kunckel Lowenstern, dan Wilhelm Leibniz. Mungkin beberapa dari mereka melaporkan karya Brand ke Paris Academy of Sciences, sehingga penelitian mereka tersebar.

Namun, Brand sebenarnya tidak mengisolasi fosfor, melainkan amonia natrium fosfat. Pada tahun 1680, Robert Boyle memperbaiki prosedur Brand, dimana dia dapat memperoleh suatu bentuk alotropik fosfor (P ₄ ).

Di tulang

Johan Gottlieb Gahn dan Carl Wihelm Scheele menetapkan pada tahun 1769 bahwa senyawa fosfor, kalsium fosfat, ditemukan di tulang. Tulang yang dihilangkan lemaknya mengalami proses pencernaan dengan asam kuat, seperti asam sulfat.

Kemudian produk penguraian dipanaskan dalam wadah baja dengan batubara dan batubara, sehingga diperoleh fosfor putih dengan distilasi dalam retort. Tulang adalah sumber utama fosfor hingga tahun 1840, ketika digantikan oleh guano untuk tujuan ini.

Di guano

Guano merupakan campuran kotoran burung dan produk dekomposisi burung. Itu digunakan sebagai sumber fosfor dan pupuk di abad ke-19.

- Pengembangan industri

Batuan fosfat mulai digunakan pada tahun 1850 sebagai sumber fosfor. Hal ini, bersama dengan penemuan tungku listrik untuk batuan kalsinasi oleh James Burgess Readman (1888), menjadikan PR sebagai bahan baku utama untuk produksi fosfor dan pupuk.

Pada tahun 1819, pabrik korek api didirikan, memulai pengembangan industri penggunaan fosfor.

Sifat fisik dan kimia

Penampilan

Bergantung pada bentuk alotropiknya, bisa tidak berwarna, putih lilin, kuning, merah tua, merah, ungu, atau hitam.

Berat atom

30.973 u

Nomor atom (Z)

limabelas

Titik lebur

Fosfor putih: 44,15 ºC

Fosfor merah: ~ 590 ºC

Titik didih

Fosfor putih: 280,5 ºC

Densitas (suhu kamar)

Putih: 1.823 g / cm ³

Merah: 2,2-2,34 g / cm ³

Violet: 2,36 g / cm ³

Hitam: 2,69 g / cm ³

Panas fusi

Fosfor putih: 0,66 kJ / mol

Panas penguapan

Fosfor putih: 51,9 kJ / mol

Kapasitas kalori molar

Fosfor putih: 23,824 J / (mol.K)

Status oksidasi

-3, -2, -1, +1, +2, +3 , +4 dan +5

Bergantung pada keelektronegatifan unsur-unsur yang digabungkannya, fosfor dapat menunjukkan bilangan oksidasi +3 atau -3. Fosfor, tidak seperti nitrogen, cenderung bereaksi secara istimewa dengan bilangan oksidasi +5; seperti kasus fosfor pentoksida (P ₂ O ₅ atau P ₂ ⁵⁺ O ₅ ²⁺ ).

Elektronegativitas

2.19 pada skala Pauling

Energi ionisasi

-Pertama: 1.101 kJ / mol

-Kedua: 2.190,7 kJ / mol

-Tiga: 2.914 kJ / mol

Konduktivitas termal

Fosfor putih: 0,236 W / (mK)

Fosfor hitam: 12,1 W / (mK)

Ditunjukkan bagaimana fosfor hitam melakukan panas hampir enam kali lebih banyak daripada fosfor putih.

Urutan magnetis

Fosfor putih, merah, ungu dan hitam bersifat diamagnetik.

Isotop

Fosfor memiliki 20 isotop, yang utama adalah: ³¹ P, satu-satunya isotop stabil dengan kelimpahan 100%; ³² P emitor isotop β ^- dan dengan waktu paruh 14,28 hari; dan ³³ P, isotop pemancar β ^- dan dengan waktu paruh 25,3 hari.

Pendar

Fosfor putih berpendar dan memancarkan cahaya hijau dalam gelap.

Perubahan alotropik

Fosfor putih tidak stabil dan berubah pada suhu mendekati 250ºC menjadi bentuk polimerik yang dikenal sebagai fosfor merah, yang dapat bervariasi dari jingga hingga ungu. Ini adalah zat amorf, tetapi bisa menjadi kristal; tidak menyala dalam gelap atau terbakar di udara.

Fosfor putih pada suhu dan tekanan tinggi, atau dengan adanya katalis, berubah menjadi bentuk polimer selain fosfor merah: fosfor hitam. Ini adalah zat kristal berwarna hitam, inert, mirip dengan grafit, dan memiliki kemampuan untuk menghantarkan listrik.

Kelarutan

Fosfor putih dalam bentuk murni tidak larut dalam air, meski bisa dilarutkan dalam karbon sulfida. Sementara itu, fosfor merah dan hitam tidak larut dalam air dan kurang mudah menguap dibandingkan fosfor putih.

Reaktivitas

Fosfor terbakar secara spontan di udara untuk membentuk P ₂ O _5, yang selanjutnya dapat bereaksi dengan tiga molekul air membentuk asam ortofosfat atau asam fosfat (H ₃ PO ₄ ).

Melalui aksi air panas, fosfin (PH ₃ ) dan asam oksida fosfor berasal .

Asam fosfat bekerja pada batuan fosfat menyebabkan dihidrogen kalsium fosfat atau superfosfat.

Ia dapat bereaksi dengan halogen untuk membentuk halida PX ₃ , dengan X mewakili F, Cl, Br atau I; atau halida dengan rumus PX ₅ , dengan X adalah F, Cl atau Br.

Demikian pula, fosfor bereaksi dengan logam dan metaloid membentuk fosfida, dan dengan belerang membentuk berbagai sulfida. Di sisi lain, ia mengikat oksigen untuk membuat ester. Dengan cara yang sama, ia bergabung dengan karbon untuk membentuk senyawa fosfor organik.

Struktur dan konfigurasi elektronik

- Tautan dan unit tetrahedral

Atom fosfor memiliki konfigurasi elektronik berikut:

3s ² 3p ³

Karenanya ia memiliki lima elektron valensi, seperti nitrogen dan unsur-unsur lain dari golongan 15. Karena ia adalah unsur non-logam, atom-atomnya perlu membentuk ikatan kovalen sampai oktet valensi selesai. Nitrogen mencapai ini dengan menetapkan dirinya sebagai molekul diatomik N ₂ , dengan ikatan rangkap tiga, N≡N.

Hal yang sama terjadi pada fosfor: dua atom P berikatan dengan ikatan rangkap tiga membentuk molekul P ₂ , P≡P; yaitu, alotrop difosfor. Akan tetapi, fosfor memiliki massa atom yang lebih tinggi daripada nitrogen, dan orbital 3pnya, lebih berdifusi daripada 2p nitrogen, tumpang tindih kurang efisien; oleh karena itu, P ₂ hanya ada dalam bentuk gas.

Sebaliknya, pada suhu kamar atom P lebih suka mengatur secara kovalen dengan cara lain: dalam molekul tetrahedron P ₄ :

Unit molekul P4 dalam kristal fosfor putih. Sumber: Benjah-bmm27 melalui Wikipedia.

Perhatikan bahwa pada gambar di atas semua atom P memiliki tiga ikatan tunggal, bukan satu ikatan rangkap tiga. Jadi, fosfor dalam P ₄ melengkapi oktet valensinya. Akan tetapi, pada P ₄ terdapat tegangan pada ikatan PP, karena sudutnya jauh dari 109,5º dengan mata telanjang.

- Alotrop

Fosfor putih

Gambar yang sama dari unit P ₄ dan ketidakstabilannya menjelaskan mengapa fosfor putih adalah alotrop paling tidak stabil dari elemen ini.

Unit P ₄ disusun di ruang angkasa untuk menentukan kristal bcc (fase α) dalam kondisi normal. Ketika suhu turun menjadi -77,95 ºC, kristal bcc berubah menjadi hcp (mungkin), lebih padat (fase β). Artinya, unit P ₄ disusun dalam dua lapisan bergantian, A dan B, untuk membentuk sekuens ABAB….

Fosfor merah

Struktur seperti rantai untuk fosfor merah. Sumber: Gabriel Bolívar.

Pada gambar di atas, hanya sebagian kecil dari struktur fosfor merah yang ditampilkan. Karena ketiga unit tersebut disejajarkan "secara simetris", dapat dikatakan bahwa ini adalah struktur kristal, yang diperoleh dengan memanaskan fosfor ini di atas 250 ºC.

Fosfor merah, bagaimanapun, sebagian besar waktu terdiri dari padatan amorf, sehingga strukturnya berantakan. Kemudian, rantai polimer P4 _akan disusun tanpa pola yang jelas, beberapa di atas dan lainnya di bawah bidang sembarang yang sama.

Perhatikan bahwa ini adalah perbedaan struktural utama antara fosfor putih dan merah: yang pertama, P ₄ ditemukan secara individual, dan yang kedua, membentuk rantai. Hal ini dimungkinkan karena salah satu ikatan PP dalam tetrahedron diputus untuk mengikat tetrahedron tetangga. Dengan demikian, tegangan cincin berkurang dan fosfor merah memperoleh stabilitas yang lebih baik.

Ketika ada campuran dari kedua alotrop, itu ditawarkan ke mata sebagai fosfor kuning; campuran tetrahedra dan rantai fosfor amorf. Faktanya, fosfor putih berubah menjadi kekuningan saat terkena sinar matahari, karena radiasinya mendukung putusnya ikatan PP yang telah disebutkan.

Violet atau Hittorf fosfor

Struktur molekul fosfor ungu. Sumber: Cadmium di Wikipedia bahasa Inggris

Violet fosfor adalah evolusi terakhir dari fosfor merah. Seperti terlihat pada gambar di atas, masih terdiri dari rantai polimer; tapi sekarang strukturnya lebih rumit. Nampaknya satuan struktur bukan lagi P ₄ melainkan P _{2 yang} disusun sedemikian rupa sehingga membentuk cincin pentagonal tak beraturan.

Meskipun strukturnya terlihat asimetris, rantai polimer ini berhasil mengatur dirinya sendiri dengan cukup baik dan dengan periodisitas untuk fosfor ungu membentuk kristal monoklinik.

Fosfor hitam

Struktur fosfor hitam dilihat dari berbagai sudut. Sumber: Benjah-bmm27.

Dan akhirnya kita memiliki alotrop fosfor paling stabil: yang hitam. Ini dibuat dengan memanaskan fosfor putih di bawah tekanan 12.000 atm.

Pada gambar atas (bawah), terlihat bahwa strukturnya, dari bidang yang lebih tinggi, memiliki kemiripan tertentu dengan grafit; ini adalah jaringan cincin heksagonal (meskipun terlihat seperti persegi).

Di sudut kiri atas gambar, apa yang baru saja dikomentari bisa lebih dihargai. Lingkungan molekul atom P adalah piramida trigonal. Perhatikan bahwa struktur dilihat dari samping (sudut kanan atas), disusun dalam lapisan yang pas satu di atas yang lain.

Struktur fosfor hitam cukup simetris dan teratur, yang konsisten dengan kemampuannya untuk membentuk dirinya sebagai kristal ortorombik. Penumpukan lapisan polimernya membuat atom P tidak tersedia untuk banyak reaksi kimia; dan itulah mengapa sangat stabil dan tidak terlalu reaktif.

Meskipun perlu disebutkan, gaya dispersi London dan massa molar padatan fosfat ini mengatur beberapa sifat fisiknya; sedangkan struktur dan ikatan PP-nya, menentukan sifat kimia dan lainnya.

Di mana menemukan dan memperoleh

Apatite dan fosforit

Ini adalah elemen kedua belas kerak bumi dan mewakili 0,1% beratnya. Terdapat sekitar 550 mineral yang mengandung fosfor, apatit merupakan mineral terpenting untuk memperoleh fosfor.

Apatite adalah mineral fosfor dan kalsium yang dapat mengandung sejumlah variabel fluor, klorida dan hidroksida, yang rumusnya adalah sebagai berikut :. Selain apatit, ada mineral fosfor lain yang memiliki kepentingan komersial; seperti kasus wavelite dan vivianita.

Batuan fosfat atau fosforit merupakan sumber utama fosfor. Ini adalah batuan sedimen non-detrital yang memiliki kandungan fosfor 15-20%. Fosfor biasanya hadir sebagai Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ F ₂ (fluoroapatite). Ia juga hadir sebagai hidroksiapatit, meskipun pada tingkat yang lebih rendah.

Selain itu, fluoroapatit dapat ditemukan sebagai bagian dari batuan beku dan metamorf, serta batugamping dan sekis.

Reduksi elektrotermal fluoroapatit

Batuan fosfat yang dipilih dipindahkan ke pabrik pengolahan untuk diproses. Awalnya, mereka dihancurkan untuk mendapatkan pecahan batuan yang kemudian digiling di ball mill dengan kecepatan 70 putaran per menit.

Kemudian hasil penggilingan fragmen batuan diayak agar dapat difraksinasi. Fraksi-fraksi dengan kandungan fosfor 34% dipilih sebagai fosfor pentoksida (P ₂ O ₅ ).

Fosfor putih (P ₄ ) diperoleh secara industri dengan reduksi elektrotermal fluoroapatit dengan karbon pada suhu 1.500 ºC dengan adanya silikon oksida:

2Ca ₃ (PO ₄ ) ₂ (s) + 6SiO ₂ (s) + 10 C (s) => P ₄ (g) + CaSiO ₃ (l) + CO (g)

P ₄ dalam bentuk gas, setelah kondensasi, dikumpulkan dan disimpan sebagai padatan putih yang direndam dalam air untuk mencegahnya bereaksi dengan udara luar.

Paduan

Tembaga

Penutup fosfor dibuat dengan persentase tembaga dan fosfor yang berbeda: Cu 94% - P 6%; Cu 92% - P 8%; Cu 85% - P 15%, dll. Paduan tersebut digunakan sebagai deoxidizer, wetting agent untuk industri tembaga dan juga sebagai nuklean dalam industri aluminium.

Perunggu

Mereka adalah tembaga, fosfor dan paduan timah yang mengandung 0,5 - 11% fosfor dan 0,01 - 0,35% timah. Timah meningkatkan ketahanan terhadap korosi, sedangkan fosfor meningkatkan ketahanan aus paduan dan memberikan kekakuan.

Ini digunakan dalam pembuatan pegas, baut dan, secara umum, pada barang yang membutuhkan ketahanan terhadap kelelahan, keausan dan korosi kimia. Penggunaannya direkomendasikan di baling-baling kapal.

Berlapis nikel

Paduan paling terkenal adalah NiP ₂₀ , dengan nikel fosfor digunakan dalam paduan mematri untuk meningkatkan ketahanannya terhadap erosi kimiawi, oksidasi, dan suhu tinggi.

Paduan ini digunakan dalam turbin gas dan komponen mesin jet, pelapisan listrik, dan dalam produksi elektroda pengelasan.

Resiko

Fosfor putih menyebabkan luka bakar kulit yang parah dan merupakan racun kuat yang bisa berakibat fatal pada dosis 50 mg. Fosfor menghambat oksidasi sel, mengganggu pengelolaan oksigen seluler, yang dapat menyebabkan degenerasi lemak dan kematian sel.

Keracunan fosfor akut menyebabkan sakit perut, rasa terbakar, napas berbau bawang putih, muntah berpendar, berkeringat, kram otot, dan bahkan keadaan syok dalam empat hari pertama setelah menelan.

Kemudian, penyakit kuning, petechiae, perdarahan, keterlibatan miokard dengan aritmia, perubahan sistem saraf pusat dan kematian pada hari kesepuluh setelah konsumsi terwujud.

Manifestasi paling jelas dari keracunan fosfor kronis adalah kerusakan struktur tulang rahang.

Peningkatan konsentrasi fosfor plasma (hyperphosphatemia), biasanya terjadi pada pasien gagal ginjal. Hal ini menyebabkan simpanan fosfat yang tidak normal di jaringan lunak, yang dapat menyebabkan disfungsi vaskular dan penyakit kardiovaskular.

Aplikasi

Fosfor merupakan elemen penting bagi tumbuhan dan hewan. Ini adalah salah satu dari tiga nutrisi utama tanaman, yang diperlukan untuk pertumbuhan dan kebutuhan energinya. Selain itu, ini adalah bagian dari asam nukleat, fosfolipid, produk antara dari proses metabolisme, dll.

Pada vertebrata, fosfor terdapat pada tulang dan gigi dalam bentuk hidroksilapatit.

- Unsur fosfor

Sekotak korek api atau "korek api". Sumber: Pxhere.

Dengan fosfor, enamel kimiawi dibuat yang digunakan untuk menerangi tanda-tanda yang ditempatkan pada aluminium dan paduannya; serta tembaga fosfor dan perunggu.

Itu juga digunakan untuk membuat bom pembakar, granat, bom asap, dan peluru pelacak. Fosfor merah digunakan dalam membuat korek api atau korek api pengaman.

Fosfor putih digunakan untuk membuat organofosfat. Selain itu, digunakan dalam produksi asam fosfat.

Sejumlah besar fosfor yang dihasilkan diinsinerasi untuk produksi fosfor tetraoksida (P ₄ O ₁₀ ), diperoleh sebagai bubuk atau padatan.

- Senyawa

Fosfin

Ini adalah bahan mentah untuk elaborasi berbagai senyawa fosfor. Bertindak sebagai agen doping untuk komponen elektronik.

Asam fosfat

Ini digunakan dalam produksi minuman ringan karena rasa khas yang diberikannya. Ia bekerja pada batuan fosfat untuk membentuk dihidrogen kalsium fosfat, juga dikenal sebagai superfosfat, yang digunakan sebagai pupuk.

Asam fosfat adalah elemen pengkondisi enamel gigi untuk memfasilitasi adhesi bahan restorasi Anda. Itu juga digunakan, dicampur dengan minyak, urea, tar, bitumen dan pasir, untuk membentuk aspal; bahan yang digunakan dalam perbaikan jalur komunikasi darat.

Organofosfat

Senyawa organofosfat memiliki banyak aplikasi; seperti: penghambat api, pestisida, agen ekstraksi, agen aksi saraf dan untuk pengolahan air.

Dihidrogen kalsium fosfat dihidrat

Ini digunakan sebagai pupuk, baking powder, aditif pakan ternak, dan dalam membuat pasta gigi.

Fosfor pentoksida

Ini digunakan dalam analisis kimia sebagai agen dehidrasi dan dalam sintesis organik sebagai agen kondensasi. Senyawa ini terutama ditujukan untuk produksi asam ortofosfat.

Sodium tripolyphosphate

Ini digunakan dalam deterjen dan sebagai pelembut air, yang meningkatkan aksi deterjen dan membantu mencegah korosi pada pipa.

Trisodium fosfat

Ini digunakan sebagai agen pembersih dan pelembut air.

Natrium fosfat

Natrium fosfat dibasa (Na ₂ HPO ₄ ) dan natrium fosfat monobasa (NaH ₂ PO ₄ ) adalah komponen dari sistem penyangga pH, yang bahkan bekerja pada makhluk hidup; termasuk manusia.

Referensi

1. Reid Danielle. (2019). Alotrop Fosfor: Bentuk, Kegunaan & Contoh. Belajar. Diperoleh dari: study.com
2. Prof Robert J. Lancashire. (2014). Kuliah 5c. Struktur elemen, lanjutan P, S dan I. Diperoleh dari: chem.uwimona.edu.jm
3. BYJU'S. (2019). Fosfor Merah. Diperoleh dari: byjus.com
4. Bing Li, Ceng-Ceng Ren, Shu-Feng Zhang, dkk. (2019). Sifat Struktural dan Optik Elektronik dari Fosfor Biru Multilayer: Studi Prinsip Pertama. Jurnal Nanomaterials, vol. 2019, ID Artikel 4020762, 8 halaman. doi.org/10.1155/2019/4020762
5. Dr. Dough Stewar. (2019). Fakta Elemen Fosfor. Chemicool. Diperoleh dari: chemicool.com
6. Wikipedia. (2019). Fosfor. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (03 Juli 2019). Fakta Fosfor (Nomor Atom 15 atau Simbol Unsur P). Diperoleh dari: thinkco.com
8. Institut Linus Pauling. (2019). Fosfor. Dipulihkan dari: lpi.oregonstate.edu
9. Bernardo Fajardo P. & Héctor Lozano V. (nd). Pengolahan batuan fosfat nasional untuk produksi superfosfat. . Diperoleh dari: bdigital.unal.edu.co
10. Editor Encyclopaedia Britannica. (16 November 2018). Unsur Kimia Fosfor. Encyclopædia Britannica. Diperoleh dari: britannica.com
11. Reade International Corp. (2018). Paduan Tembaga Fosfor (CuP). Diperoleh dari: reade.com
12. KBM Affilips. (27 Desember 2018). Paduan Master Nickel Phosphorus (NiP). AZoM. Diperoleh dari: azom.com
13. Lenntech BV (2019). Tabel periodik: fosfor. Diperoleh dari: lenntech.com
14. Abhijit Naik. (21 Februari 2018). Penggunaan fosfor. Diperoleh dari: sciencestruck.com