Phosphor

Was ist Phosphor?  

Das Wort Phosphor (englisch: phosphorus) kommt von dem Griechischen phosphoros, was „Lichtträger“ bedeutet. Der Name bezieht sich auf das Leuchten von weißem Phosphor, wenn er mit Sauerstoff reagiert.

Phosphor findest du im Periodensystem unter dem Symbol P. In der Natur kommt das chemische Element meist in Form von Phosphaten (PO₄^3-) vor.

Generell sind Phosphorverbindungen essenziell für alle Lebewesen. Das liegt daran, dass sie Bestandteil von Nukleinsäuren und des Energielieferanten Adenosintriphosphat (ATP) sind.

Eine Besonderheit des Elements ist, dass es unterschiedliche Erscheinungsformen (weiß, schwarz, violett, rot) aufweist.

Phosphor Steckbrief

Wir haben dir einige physikalische und chemische Eigenschaften des Elements in einem Steckbrief zusammengestellt:

Geschichtliches

Das Element wurde im Jahr 1669 vom Alchemisten Hennig Brand entdeckt. Er dampfte menschlichen Urin bis zur Trocknung ein. Als Brand den trockenen Urin-Rückstand unter Luftausschluss glühte, entstand eine leuchtende, hochentzündliche Substanz: weißer Phosphor (Phosphor-Leuchten). Die Anerkennung als chemisches Element wird zum Teil Andreas Sigismund Marggraf (1743) aber auch Antoine Lavoisier (1772) zugeschrieben.

Bereits seit dem Ersten Weltkrieg wird weißer Phosphor in Brandbomben verwendet. Im Zweiten Weltkrieg kamen durch die Verbindung von Phosphorbomben mit Luftminen tausende Menschen ums Leben.

Phosphor Eigenschaften  

Besonders ist an dem Element P, dass es unterschiedliche Modifikationen (Erscheinungsformen) hat. Wir betrachten im Folgenden vier davon: weißen, roten, violetten und schwarzen Phosphor.

Weißer Phosphor  

Bei Zimmertemperatur liegt die Erscheinungsform als weiße Masse vor. Durch bestimmte Lagerbedingungen und nach einer gewissen Zeit kann sich die weiße Masse in andere Modifikationen umwandeln. Lagerst du den weißen Phosphor beispielsweise lange Zeit im Wasser, kann er gelb oder orange erscheinen. Daher nennst du weißen Phosphor, der lange gelagert wurde, auch gelben Phosphor. 

Du kannst den weißen Phosphor also in Wasser lagern. Das verrät dir auch schon, dass er sehr schlecht in Wasser löslich ist. Die Schmelztemperatur der weißen Masse liegt bei etwa 44°C. Du erhältst dann flüssigen Phosphor. Den wiederum kannst du auf 280,5°C erhitzen, wodurch die gasförmige Form entsteht. 

Die Struktur der weißen Modifikation kannst du als tetraedrisch bezeichnen. Das heißt, dass die einzelnen Phosphoratome im P₄-Molekül so angeordnet sind, dass vier dreieckige Seitenflächen entstehen. Du kannst es dir also wie ein Pyramide vorstellen.

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Du solltest den weißen Feststoff nicht mit Luft in Kontakt bringen, da dann spontan Phosphorpentoxid (P₄O₁₀)-Rauch entsteht. Der Rauch ist in größeren Mengen gesundheitsschädlich und ätzend. Weißer Phosphor ist also giftig.

Weißer Phosphor ist nicht nur gefährlich, weil er giftig ist. Oberhalb von 50°C kann der Phosphor sich nämlich selbst entzünden und verbrennt mit einer heißen, weiß-gelblichen Flamme zu Phosphorpentoxid:

Aus dem Grund musst du die weiße Masse auch in Wasser aufbewahren. Kommt es nämlich zu einem Brand mit weißem Phosphor, ist er nur sehr schwer zu löschen. Denn nach Verdunsten des Wassers tritt eine erneute Zündung ein.

Wenn es dunkel ist und weißer Phosphor in Kontakt mit Luft kommt, leuchtet er blau. Das liegt daran, dass eine chemische Reaktion stattfindet, bei der sich Phosphortrioxid (P₂O₃) in das stabilere Phosphor(V)-oxid (P₂O₅) umwandelt.

Roter Phosphor  

Erhitzt du weißen Phosphor für längere Zeit bei 450°C, kann roter Phosphor entstehen. Die rote Modifikation ist amorph (glasartig, nicht kristallin) und stabiler als die weiße Form. Sie entzündet sich also erst bei 300°C selbst. Dabei verbrennt sie unter Bildung eines weißen Rauches zu Phosphorpentoxid (P₄O₁₀).

Du kannst die rote auch wieder in die weiße Modifikation umwandeln. Dafür musst du den roten Phosphor unter Luftabschluss in einem Reagenzglas erhitzen.

Die rote Variante mag zwar stabiler als die weiße sein, dennoch bildet sie mit starken Oxidationsmitteln wie Kaliumchlorat (KClO₃) explosionsgefährliche Gemische!

Die Struktur von rotem Phosphor kannst du dir wie ein unregelmäßiges, dreidimensionales Netzwerk vorstellen. Es existiert eine faserförmige Modifikation von rotem Phosphor. Sie besteht aus Doppelröhren und ähnelt damit der Struktur von violettem Phosphor.

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Violetter Phosphor  

Die Erscheinungsform des Elements nennst du auch Hittorf’scher Phosphor. Du kannst ihn gewinnen, indem du weißen Phosphor ein- bis zwei Wochen auf 550°C erhitzt. Das Produkt ist dann ein violetter, kristalliner Feststoff. Die Struktur der Modifikation kannst du dir folgendermaßen vorstellen: Phosphoratome ordnen sich in fünfeckigen Röhren an, die gitterartige Vernetzungen bilden. Die Erscheinungsform des Elements ist ungiftig.

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Schwarzer Phosphor  

Auch schwarzer Phosphor ist nicht giftig. Um ihn zu gewinnen, musst du die weiße Modifikation hohen Temperaturen und einem Druck von bis zu 12.000 Bar aussetzen.

Aber auch ohne hohen Druck kannst du die Phosphor-Farbe von weiß zu schwarz ändern. Dafür musst du die weiße Erscheinungsform mit Quecksilber (Hg) mischen und auf 380°C erwärmen. Dabei entstehen kleine, schwarze Einkristalle (Impfkristalle). Wenn du die Impfkristalle in die Schmelze gibst, erhältst du den schwarzen Phosphor. Du bekommst dann grau-schwarz glänzende Kristalle, die extrem gut Wärme und elektrischen Strom leiten können.

Bei der Modifikation sind die Atome als P₆-Ringe in Sesselform angeordnet. Jedes Phosphoratom hat dabei jeweils drei Nachbaratome.

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Phosphor Giftigkeit

Um die Frage zu beantworten, ob Phosphor giftig ist oder nicht, musst du zwischen den unterschiedlichen Modifikationen unterscheiden. Während violetter, roter und schwarzer Phosphor ungiftig sind, setzt weißer Phosphor bereits bei Zimmertemperatur giftige Dämpfe frei. 

Brennender, weißer Phosphor kann auf deiner Haut schmerzhafte und kaum heilbare Brandwunden hinterlassen. Ist er fein verteilt, kann die weiße Erscheinungsform des Elements auch schwere Augenschäden verursachen. 

Solltest du weißen Phosphor verschlucken, können Symptome wie Magenschmerzen, Erbrechen und Durchfall auftreten. In schweren Fällen können auch Schocksymptome wie zum Beispiel Zittern oder Frieren dazu kommen. Nach oraler Aufnahme tritt der Tod entweder sofort ein, oder es kommt zuerst noch zu einer schweren Leber- und Nierenschädigung. Da die Stoffwechselvorgänge der Leber durch das Element extrem gestört werden, sterben die Betroffenen dann an einem Leberkoma. Schon 50 Milligramm des weißen Phosphors reichen aus, um einen erwachsenen Menschen zu töten. 

Phosphor Vorkommen

Auf unserer Erde kommt Phosphor nicht elementar, sondern in Verbindungen vor. Dabei handelt es sich meistens um Phosphate (PO₄^3-). 

Du findest Phosphor in einigen bedeutenden Mineralien wie den Apatiten (z.B. Fluorapatit Ca₅[F|(PO₄)₃]). Die größten Vorkommen der Mineralien liegen in Afrika, den USA und China.

Aber auch in Klärschlamm kommen Phosphate vor. Aus dem kannst du beispielsweise die Phosphorsäure (H₃PO₄) zurückgewinnen.

Abgelagerter Vogelkot von Meeresvögeln wie Pinguinen enthält auch das Element Phosphor. Du nennst den versteinerten Kot Guano. Es wird unter anderem als phosphorsäurehaltigen Dünger eingesetzt.

Für uns Menschen ist das Element P ebenfalls von großer Bedeutung. Denn Phosphorverbindungen kommen in Nukleinsäuren (in DNA und RNA ) und dem Energieträger Adenosintriphosphat (ATP) vor. Außerdem ist Hydroxylapatit (Ca₅(PO₄)₃OH) einer der Hauptbestandteile der Gerüstsubstanz, die du in unseren Knochen und Zähnen findest. Deshalb ist es wichtig, dass du einem Phosphatmangel (Phosphormangel) durch ausgewogene Ernährung vorbeugst. Phosphathaltige Lebensmittel sind beispielsweise Milch oder Käse. 

Auch Pflanzen können an Phosphatmangel leiden. Denn das Element erfüllt auch in ihnen verschiedene essenzielle Aufgaben. Der Phosphor hat beispielsweise Einfluss auf die Photosynthese . Pflanzen können aber auch mehr des Elements P aufnehmen, als sie eigentlich brauchen (Phosphorüberschuss). Den überschüssigen Phosphor speichern sie dann in ihren Vakuolen . 

Die Pflanzen nehmen also das Element aus dem Boden oder Gewässern auf. Indem wir Pflanzen essen, kommt der Phosphor auch in unseren Körper. Durch Ausscheidungen gelangt er dann wieder in den Boden oder in das Wasser. Das Element befindet sich also in einem ständigen Kreislauf (Phosphorkreislauf).

Phosphor Herstellung

Du kannst das Element technisch aus dem Mineral Fluorapatit (Ca₅[F|(PO₄)₃]) gewinnen. Dafür lässt du es mit Kohlenstoff (C) und Quarzsand (SiO₂) bei einer Temperatur von ca. 1400°C reagieren:

Dabei entstehen neben Phosphor, auch Kohlenstoffmonoxid (CO), Calciumfluorid (CaF₂) und Wollastonit (CaSiO₃).

Phosphor Verwendung

Je nachdem, in welcher Form Phosphor vorliegt, wird er für unterschiedliche Dinge verwendet. Schauen wir uns dafür am besten ein paar Beispiele an:

Weißer Phosphor

• Synthesestoff: Etwa 80 % des weißen Phosphors werden zu Phosphor(V)-oxid (P₂O₅) verbrannt. Das dient als Ausgangsmaterial zur Herstellung von Phosphorsäure (H₃PO₄) und einigen Phosphaten. Außerdem kann Phosphor(V)-oxid als Trockenmittel eingesetzt werden. Der restliche Teil des weißen Phosphors wird zu Phosphortrichlorid (PCl₃) und Phosphor(V)-sulfid (P₄S₁₀) verarbeitet. Sie werden beispielsweise als Grundstoffe zur Herstellung von Flammschutzmitteln, Weichmachern oder Pflanzenschutzmitteln genutzt.
• Phosphorbomben: Da weißer Phosphor dazu in der Lage ist, sich selbst zu entzünden, wird er oft als Brandmunition, wie in Phosphorbomben, verwendet. 

Roter Phosphor

• Nebelmunition: Auch roter Phosphor findet Anwendung für militärische Zwecke. Allerdings nicht für Brand- sondern Nebelmunition.
• Streichholzherstellung: Neben Streichhölzern, können auch Feuerwerkskörper mithilfe der Phosphor-Modifikationen produziert werden. Die Reibfläche einer Zündholzschachtel enthält ein Gemisch aus Glaspulver, Bindemitteln und rotem Phosphor.
• Flammschutzmittel: Obwohl er zur Herstellung von Zündhölzern dient, wird der rote Feststoff in fein verteilter Form Kunststoffen zugesetzt.

Phosphate

• Düngemittel: Die meisten aller Phosphate werden zum Düngen verwendet.
• Waschmittelzusatz: Hier können die Ionen zur Enthärtung von Wasser genutzt werden.
• Lebensmittelzusatz: Phosphate wie Natriumphosphat (Na₃PO₄) dienen in der Lebensmittelindustrie zum Beispiel als Konservierungsmittel. Manche Lebensmittel enthalten aber auch von Natur aus das Element P. Beispiele für phosphathaltige Lebensmittel sind Wurst, Milch, Kekse und Käse. Phosphatarme Lebensmittel hingegen sind Magerquark oder Frischkäse.

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Phosphor Verbindungen

Vom Element P existieren sowohl organische als auch anorganische Verbindungen. Schauen wir uns am besten für beide ein paar Beispiele an:

Organische Phosphor-Verbindungen

• Adenosintriphosphat (ATP) : ATP sorgt dafür, dass dein Körper immer genug Energie hat. Die organische Verbindung enthält drei Phosphatgruppen.
• Nukleinsäuren: Darunter verstehst du chemische Moleküle, die aus organischen Basen , Zuckermolekülen und Phosphatgruppen aufgebaut sind. Dazu zählst du unter anderem die DNA und die RNA.

Anorganische Phosphor-Verbindungen

• Oxide: Mit dem Element Sauerstoff kann Phosphor Oxide bilden. Dazu zählst du beispielsweise Phosphor(V)-oxid (P₂O₅) oder Phosphortetraoxid (P₂O₄). Phosphor(V)-oxid ist das wichtigste Phosphoroxid. Phosphortetraoxid dient zur Herstellung von Tetrachlormethan (CCl₄).
• Sauerstoffsäuren: Die Oxide vom Element P bilden in Wasser Säuren . Die wohl bekannteste ist die Phosphorsäure (H₃PO₄).

Welche Verbindungen Sauerstoff neben Oxiden noch eingehen kann und warum er gleichzeitig lebensnotwendig aber auch gefährlich für uns sein kann, erfährst du in unserem Video!