CC BY
134УДК 613.1+ 614.7
ЗНАЧЕНИЕ ФОСФОРА В ПРИРОДЕ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)
Аширбекова Куралай Жумахановна
РГП «Республиканский клинический госпиталь для инвалидов отечественной войны» МЗиСЗ РК,
г. Алматы
Резюме: В данной статье описан кругооборот фосфора в природе, с его положительными и отрицательными свойствами на биоценоз.
Ключевые слова: фосфор, свойства, кругооборот в природе, биоценоз
Табияттагы фосфордун мааниси (илимий адабияттардын обзору)
Аширбекова К.Ж.
Корутунду: Макалада фосфордун биоценозго карата оц жана терс таасири менен болгон айланып жYPYYCY баяндалган.
Негизги сездер: фосфор, табияттагы айланып жYPYYCY, биоценоз
The importance of phosphorus in nature (literature review)
Ashirbekova K.Zh.
Republican Clinical Hospital for WWII disabled veterans of the Ministry of Health and Social Development of
the Republic of Kazakhstan, c. Almaty
Abstract. The article describes phosphorus circulation in nature, with its positive and negative properties on the biocenosis
Key words: phosphorus, properties, circulation in nature, biocenosis
Красный фосфор - это более термодинамически 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 [1].
Фосфор (от греч. phosphoros - светоносный; лат. Phosphorus) - один из самых распространённых элементов земной коры, находящийся в 3 периоде, в 5 группе главной подгруппе. Его содержание составляет 0,08-0,09% её массы.
Фосфор - шестой по содержанию элемент в организме человека после кислорода, водорода, углерода, азота и кальция. Количество фосфора составляет 1-1,5% от массы тела.
Концентрация в морской воде 0,07 мг/л. В свободном состоянии не встречается из-за высокой химической активности. Образует около 190 минералов, важнейшими из которых являются апатит Ca5(PO4)3 (F, Cl, OH) фосфорит Ca3(PO4)2 и другие. Фосфор содержится во всех частях зелёных растений, ещё больше его в плодах и семенах. Содержится в животных тканях, входит в состав белков и других важнейших органических соединений (АТФ, ДНК), является элементом жизни.
Фосфор получают из апатитов или фосфоритов в результате взаимодействия с коксом и кремнезёмом при температуре 1600°С:
2Ca3(PO4)2 + 10C + 6SiO2 ^ P4 + 10C0 + 6CaSiO3
Элементарный фосфор в обычных условиях представляет собой несколько устойчивых аллотропических модификаций; вопрос аллотропии фосфора сложен и до конца не решён. Обычно выделяют четыре модификации простого вещества - белый, красный, черный и металлический фосфор. Иногда их ещё называют главными аллотропными модификациями, подразумевая при этом, что все остальные являются разновидностью указанных четырёх. В обычных условиях существует только три аллотропических модификации фосфора, а в условиях сверхвысоких давлений - также металлическая форма. Все модификации различаются по цвету, плотности и другим физическим характеристикам; заметна тенденция к резкому убыванию химической активности при переходе от белого к металлическому фосфору и нарастанию металлических свойств.
Красный фосфор, также называемый фиолетовым фосфором, - это более термодинамически стабильная модификация элементарного фосфора. Красный фосфор имеет формулу Pn и представляет собой полимер со сложной структурой. В зависимости от способа получения и степени дробления красного фосфора, имеет оттенки от пурпурно-красного до фиолетового, а в литом состоянии - тёмно-фиолетовый с медным оттенком (металлический блеск) [2].
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
ГОПРОФИЛЬНЫИ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИИ МЕДИЦИНСКИМ ЖУРНАЛ
поверхность коробков).
Плотность красного фосфора также выше, и достигает 2400 кг/му в литом виде. При хранении на воздухе красный фосфор в присутствии влаги постепенно окисляется, образуя гигроскопичный оксид, поглощает воду и отсыревает («отмокает»), образуя вязкую фосфорную кислоту; поэтому его хранят в герметичной таре. При «отмокании» - промывают водой от остатков фосфорных кислот, высушивают и используют по назначению.
Химическая активность фосфора значительно выше, чем у азота. Химические свойства фосфора во многом определяются его аллотропной модификацией. Белый фосфор очень активен, в процессе перехода к красному и чёрному фосфору химическая активность резко снижается. Белый фосфор на воздухе светится в темноте, свечение обусловлено окислением паров фосфора до низших оксидов. В жидком и растворенном состоянии, а также в парах до 800°С фосфор состоит из молекул Р4. При нагревании выше 800°С молекулы диссоциируют: Р4 = 2Р2. При температуре выше 2000°С молекулы распадаются на атомы.
Взаимодействие с простыми веществами фосфор легко окисляется кислородом: 4Р + 502 ^ 2Р205 (с избытком кислорода), 4Р + 302 ^ 2Р203 (при медленном окислении или при недостатке кислорода).
Взаимодействует со многими простыми веществами - галогенами, серой, некоторыми металлами, проявляя окислительные и восстановительные свойства: с металлами - окислитель, образует фосфиды: 2Р + 3Са ^ Са3Р2; 2Р + 3Мд ^ Мд3Р2
Фосфиды разлагаются водой и кислотами с образованием фосфина с неметаллами - восстановитель: 2Р + 3S ^ Р2Э3, 2Р + 3С12 ^ 2РС13 Не взаимодействует с водородом.
Взаимодействует с водой, при этом диспропорционирует: 8Р + 12Н2О = 5РН3 + 3Н3РО4 (фосфорная кислота).
Восстановительные свойства - сильные окислители превращают фосфор в фосфорную кислоту: 3Р + 5HNO3 + 2Н20 ^ 3Н3Р04 + 5NO; 2Р + 5Н^04 ^ 2Н 3Р04 + 5 SO2 + 2Н20
Реакция окисления также происходит при поджигании спичек, в качестве окислителя выступает бертолетова соль:
6Р + 5КСЮ3 ^ 5КС1 + 3Р205.
3 2 5
Фосфор является важнейшим биогенным элементом и в то же время находит очень широкое применение в промышленности. Красный фосфор, как говорилось выше, применяют в производстве спичек. Его вместе с тонко измельчённым стеклом и клеем наносят на боковую поверхность коробка. При трении спичечной головки, в состав которой входят хлорат калия и сера, происходит воспламенение, так же в различных типов топлива, противозадирных смазочных материалов, в качестве газопоглотителя в производстве ламп накаливания.
В промышленности, фосфаты широко используются в качестве комплексообразователей (средства для умягчения воды), в составе пассиваторов поверхности металлов (защита от коррозии - «мажеф»).
Некоторые соединения фосфора (фосфин) очень токсичны. Боевые отравляющие вещества зарин, зоман, табун, ^газы являются соединениями фосфора [3].
Во всех живых организмах элемент № 15 находится исключительно в виде ортофосфат-аниона или органических эфиров фосфорной кислоты (фактически в виде неорганического фосфата), поэтому, наряду с термином «фосфор», при обсуждении биологической роли элемента, часто используют понятие «неорганический фосфат».
Жизнь не может существовать без фосфора, этот элемент необходим как субмикроскопическим частицам - вирусам, так и высокоорганизованным живым системам - животным и человеку. Участвует (около 1% Р в организме) в создании буферной емкости жидкостей и клеток тела.
Участие в катаболических и анаболических реакциях. Особенно важны содержащие фосфор ко-ферменты - низкомолекулярные вещества небелковой природы, действующие в составе ферментов и необходимые при специфических каталитических превращениях. Некоторые коферменты многим хорошо известны - это аденозинтрифосфат (АТФ), никотинамидадениндинуклеотид- фосфат (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.
Фосфор (в виде фосфатов) - один из трёх важнейших биогенных элементов ^РК), участвует в синтезе АТФ. Служит предшественником в синтезе фосфолипидов - эфиров 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.
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 двух-цепочечные 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.
Кости человека состоят из гидроксилапатита 3Са3(РО4)3Са(ОН)2. В состав зубной эмали входит фторапатит. Основную роль в превращениях соединений фосфора в организме человека и животных играет печень. Обмен фосфорных соединений регулируется гормонами и витамином D. Суточная потребность человека в фосфоре 800-1500 мг. При недостатке фосфора в организме развиваются различные заболевания костей. В костях содержится примерно 85% от общего количества фосфора (в виде гидроксиапатита) в организме.
Значение фосфатов в питании человека огромно. Практически весь фосфор усваивается организмом человека в виде неорганических фосфатов, в среднем всасывается около 70% потребляемого с пищей фосфора. Суточная потребность в элементе для беременных и кормящих женщин составляет 1500 мг, для детей 2-6 лет 800 мг, детей 10-12 лет - 1200 мг, взрослого человека 800 мг.
Известны и некоторые заболевания, связанные с избытком неорганического фосфата в пище.
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, белый фосфор дает 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. ПДК паров фосфора в воздухе производственных помещений - 0,03 мг/му, временно допустимая концентрация в атмосферном воздухе - 0,0005 мг/му, ПДК в питьевой воде - 0,0001 мг/дму.
Молекула РН3 полярна и имеет структуру треугольной пирамиды с атомов Р в вершине. Фосфин (точ. пл. - 133, точ. кип. - 88 °С) довольно неустойчив, но при обычных температурах самопроизвольно не разлагается. На воздухе он воспламеняется около 150 °С. При отравлении фосфином прежде всего страдает нервная система (одышка, слабость, конвульсии). В качестве средства первой помощи рекомендуется вдыхание кислорода. Предельно допустимой концентрацией РН3 в воздухе производственных помещений считается 110-4 мг/л. [2].
В сельском хозяйстве, большая часть производимой фосфорной кислоты идёт на получение фосфорных удобрений - суперфосфата, преципитата, аммофоски и др. 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:
Са^РО^ + 7Н^04 = 3Са(Н2Р04)2 + 7CaSO4 + 2HF
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:
Са10(РО4^2 + 14Н3РО4 +10Н20 = 10Са(Н2Р04)2Н20 +2НР
Под действием дождей азотные соединения из гуано вымываются, а большая часть производных фосфора остаётся на месте, постепенно образуя залежи фосфоритов. Поэтому фосфориты могут образовываться и в местах массовой гибели различных животных. Такое происхождение (из экскрементов или трупов животных) для отдельных месторождений фосфоритов доказано. Другие месторождения образовывались в результате жизнедеятельности "фосфоробактерий", массовое развитие которых име-
ГОПРОФИЛЬНЫЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ ЖУРНАЛ
Кыргызстана
ло место в некоторых древних морях. Наконец, существуют месторождения фосфоритов, для которых вероятно чисто минеральное происхождение.
Фосфориты и апатиты являются исходными продуктами для получения фосфорных минеральных удобрений, поэтому достаточные запасы этих минералов чрезвычайно важны для развития сельского хозяйства страны. В России известен ряд крупных месторождений фосфоритов, а на Кольском полуострове имеются громадные месторождения апатита. Апатит представляет собой минерал неорганического происхождения и находит многообразное использование [4-5].
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%.
Подобно азоту, фосфор проходит в природе определённый цикл превращений. При образовании земной коры часть фосфора была, вероятно, связана металлами, причём получившиеся фосфиды вошли в состав более глубоких слоёв земной оболочки. Другая часть соединилась с кислородом в Р2О5. Этот кислотный ангидрид, комбинируясь с оксидами металлов, образовал затем ряд минералов, в большинство которых наряду с Р2О5 оказались включёнными и другие кислотные оксиды. Подобные фосфорнокислые или смешанные минералы в последующие геологические эпохи постепенно разлагались под действием воды и углекислого газа с частичным выделением растворимых солей фосфорной кислоты.
Последние, вероятно, играли значительную роль при возникновении простейших живых организмов. Дальнейшее развитие на Земле растительного покрова повело к извлечению фосфорнокислых солей из почвы с переводом их в сложные фосфорсодержащие белковые вещества, которые с растительной пищей попадали затем в организмы животных и подвергались там дальнейшей переработке. После отмирания животных и растений их останки попадали в почву, где фосфорсодержащие соединения постепенно распадались с образованием в конечном счёте солей фосфорной кислоты. Таким путём весь круговорот фосфора в природе может быть выражен простой суммарной схемой: Рпочвы ^ Рбелка.
Почва, следовательно, получает обратно столько же фосфора, сколько было из него взято. Так как фосфорнокислые соли прочно удерживаются ею и почти не вымываются водой, содержание фосфора на том, или ином участке земной поверхности при свободном протекании природных процессов с течением времени либо не изменяется, либо изменяется лишь незначительно.
Существенную поправку в этот баланс вносит сознательная деятельность человека. Культурные растения при своём произрастании извлекают из почвы определённые количества фосфора. В результате урожаи всего мира ежегодно уносят с полей около 10 млн. т фосфора. Так как природных источников пополнения почвы его соединениями почти не существует, постепенно развивающийся в ней "фосфорный голод" проявляется более остро, чем азотный [6-7].
Литература
1. Encyclopedia of explosives and related items / B.T. Fedoroff, H.A. Aaronson, E.F. Reese, O.E. Sheffield, G.D. Clift. - Vol.1-10. -1960. - Р486.
2. Фосфор в окружающей среде / Под ред. Э.Гриффита. - М.: Мир, 1977.
3. Фигуровский Н.А. Открытие элементов и происхождение их названий. -М.: Наука, 1970. - С.47-52.
4. Корбридж Д. Фосфор: основы химии, биохимии, технологии. -М.: Мир, 1982. - С.146.
5. Популярная библиотека химических элементов. - М.: Наука, 1983. - С.96.
6. Багал Л.И. Химия и технология инициирующих взрывчатых веществ. - М., 1975. - С.56.
7. Энергетические конденсированные системы / Под ред. Б.П. Жукова. - 2-е изд. - М.: Янус-К, 2000. - С. 88.
Сведения об авторе:
Куралай Жумахановна Аширбекова - заведующая терапевтическим отделением Республиканского клинического госпиталя для инвалидов отечественной войны.
Домашний телефон - 299-15-13, рабочий - 395-15-42 Сот. 8-777-257-15-21
