هر آنچه باید در مورد فسفر و موارد استفاده آن بدانید
حتما شما هم شنیده‌اید که وقتی از مغزمان زیاد کار می‌کشیم، می‌گویند زیادی فسفر سوزانده‌ایم. سوال اینجاست که این عنصر مهم در جدول مندلیف چیست و چرا تا به این حد در علم، طب و صنعت اهمیت دارد؟ پانزدهمین عنصر جدول تناوبی که معمولا با علامت P نمایش داده می‌شود، فسفر نام دارد. این ماده شگفت‌انگیز، یکی از پایه‌ای‌ترین عناصر در سطح کره زمین به شمار می‌رود و ویژگی‌های بسیار منحصر‌به‌فردی دارد که باعث شده در صنایع مختلف، از کشاورزی گرفته تا پزشکی، کاربردهای زیادی داشته باشد.
فسفر از خانواده نیتروژن و دوازدهمین عنصر فراوان در کره زمین است، به طوری که حدود ۵۵۰ ماده معدنی مختلف حاوی آن کشف شده است. در این مطلب قصد داریم بیشتر در خصوص این ماده جادویی و موارد متعدد کاربرد آن با شما صحبت کنیم.
فسفر چیست و در کجا یافت می شود؟
همانطور که گفتیم فسفر یکی از رایج‌ترین عناصر موجود در سطح کره زمین به شمار می‌رود، به گونه‌ای که از هر یک کیلوگرم خاک این سیاره، یک گرم آن فسفر است. جالب اینجاست که برخی از تحقیقات نشان می‌دهند این ماده در واقع میلیون‌ها سال پیش توسط شهاب‌سنگ‌های فضایی وارد زمین شده و به شکل گیری حیات کمک کرده است. شما می‌توانید این عنصر را حتی در بدن موجودات زنده هم ببینید.
فسفر را نمی‌توان به صورت خالص در طبیعت پیدا کرد اما معمولا می‌توان آن را به صورت فسفات در مواد معدنی مختلف یافت. امروزه اصلی‌ترین منبع این عنصر در جهان، سنگ فسفات معدنی به حساب می‌آید که حاوی مقداری آپاتیت است. در زمان‌های قدیم ادرار، خاکستر استخوان و چلغوز اصلی‌ترین منابع این عنصر بودند.
از آنجایی که ادرار (به ویژه انسانی) حاوی مقدار قابل توجهی فسفر است، از گذشته به عنوان یکی از بهترین کودهای طبیعی شناخته می‌شده که هنوز هم به صورت گسترده، چنین کاربردی دارد.
چه کسی فسفر را کشف کرد؟
فسفر در واقع تاریخچه بسیار جالبی دارد و به قدری این داستان جذاب است که داستان‌های گوناگونی پیرامون آن نوشته شده است.
گرچه به صورت دقیق مشخص نیست اما به احتمال قوی اولین کسانی که فسفر را کشف کردند، کیمیاگران عرب در قرن دوازدهم میلادی بودند که به صورت تصادفی آن را جداسازی نمودند. به هر شکل کشف رسمی این عنصر در سال ۱۶۶۹، به نام هنیگ براند، که یک تاجر آلمانی و کیمیاگر تفریحی بود، ثبت شد.
براند که فسفر را با تبخیر ادرار در مدت‌زمان طولانی کشف کرده بود، در ابتدا پیرو اساطیر آن زمان باور داشت که سنگ کیمیا را پیدا کرده است و می‌تواند با استفاده از آن فلزات را به طلا تبدیل کند. به همین خاطر هم نام آن را “فسفورس” که معنی آن درخشنده در تاریکی است، گذاشت. او سال‌ها راز خارق‌العاده‌ای که یافته بود را مخفی نگه داشت و به آزمایشات بیشتر پرداخت تا اینکه در نهایت به ازای مبلغی پول، فرمول آن را به فردی به نام دانیل کرافت فروخت.
کرافت که ذاتا یک تاجر بود، این ماده به ظاهر جادویی را در همه سفرهایش به شهرهای مختلف، به عنوان یک شگفتی جدید نمایش داد تا اینکه در شهر لندن، رابرت بویل به آن علاقه مند شد. او که یک دانشمند جدی بود، شروع به تحقیقات علمی دقیق روی این ماده کرد و به حقایق زیادی دست یافت.
بویل متوجه شد که بافت استخوان موجودات زنده دارای میزان قابل توجهی فسفات کلسیم بوده و خاکستر خالص آن می‌تواند منبعی برای استخراج فسفر باشد. پیدا کردن یک منبع قابل اطمینان و استخراج مداوم آن باعث شد تا در قرن ۱۹ از این ماده شگفت‌انگیز به صورت گسترده برای تولید کبریت‌های مشتعل استفاده شود.
اواخر قرن نوزدهم میلادی فردی به نام جیمز برگس ریدمن موفق به تولید یک کوره الکتریکی شد که می‌توانست فسفر را از سنگ فسفات جدا کند. روشی که او کشف کرد امروزه همچنان بهترین راهکار برای استخراج این ماده است.
آشنایی با آلوتروپ های فسفر
آلوتروپ یا دگرشکلی در واقع به شکل‌های مختلف یک عنصر گفته می‌شود. تفاوت در شیوه تشکیل پیوندهای گوناگون بین اتم‌ها باعث ایجاد شکل‌های مختلفی از یک عنصر واحد می‌شود که هرکدام خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فردی دارند.
فسفر به صورت کلی حداقل دارای ۱۰ آلوتروپ مختلف است. با این وجود برخی از دگرشکلی‌های آن از بقیه رایج‌تر بوده و موارد مصرف گسترده‌تری دارند. موارد زیر رایج‌ترین شکل‌های مختلف فسفر هستند:
فسفر سفید
فسفر سفید از اصلی‌ترین آلوتروپ‌های فسفر محسوب می‌شود که در ادامه مقاله به صورت اختصاصی در مورد آن صحبت می‌کنیم.
فسفر قرمز
اگر فسفر سفید را تا دمای ۲۸۰ درجه سانتی‌گراد حرارت دهید، فسفر قرمز به دست می‌آید که در دسته جامدهای کووالانسی قرار می‌گیرد. این آلوتروپ چندان اشتعال‌پذیر نیست و در دی‌سولفید کربن نیز حل نخواهد شد.
فسفر بنفش
فسفر بنفش، آلوتروپی از فسفر است که از بلور فسفر قرمز حاصل می‌شود. اتم‌های این عنصر دارای ساختاری به شکل لوله‌ای پنج وجهی بوده و چندان فعال نیستند.
فسفر سیاه
فسفر سیاه یا فسفر پلیمر در واقع پایدارترین دگرشکل این عنصر به شمار می‌رود که به واسطه ساختار لایه‌لایه خود، شباهت زیادی به گرافیت دارد. این تشابه ساختار باعث شده تا فسفر سیاه حتی از نظر ویژگی و خواص نیز بسیار شبیه به عنصر گرافیت عمل کند.
فسفر چه موارد استفاده ای دارد؟
فسفر یکی از اصلی‌ترین عناصر موجود روی کره زمین است که به واسطه ویژگی‌های خاصش،کاربردهای گوناگونی در صنایع مختلف دارد. در ادامه به رایج‌ترین کاربردهای این ماده شگفت‌انگیز می‌پردازیم:
صنعت کشاورزی
رایج‌ترین مورد استفاده از فسفر در تولید کودهای گیاهی است؛ چرا که وجود این عنصر برای تغذیه و رشد بهتر گیاهان ضرورت دارد. گرچه حداقل یک سوم از اجزای اصلی هر نوع کود شیمیایی را این عنصر تشکیل می‌دهد اما موارد زیر مهم‌ترین کودهایی هستند که از فسفر ساخته می‌شوند:
- کود مونو فسفات آمونیوم
- کود سوپر فسفات ساده
- کود سوپر فسفات تریپل
صنعت پزشکی
فسفر به صورت طبیعی در اغلب مواد خوراکی پیدا می‌شود اما مصرف مکمل دارویی آن برای افرادی که به بیماری‌های کلیوی مبتلا هستند توصیه می‌شود. استفاده از شکل خوراکی این عنصر همراه با مکمل کلسیم، همچنین برای درمان دردهای عضلانی و کمک به رفع خستگی ورزشکاران حرفه‌ای مفید است.
صنعت استیل
صنعت استیل به عنوان زیر شاخه صنایع آهن و فولاد، وابستگی زیادی به عنصر فسفر دارد. از این عنصر به مقدار زیاد برای تولید انواع ورق‌ها و میلگردهای استیل ضد زنگ استفاده می‌شود.
سایر موارد استفاده از فسفر
علاوه بر صنایع یاد شده، فسفر می تواند کاربردهای دیگری هم داشته باشد، از جمله:
- تولید برخی از انواع لامپ‌های روشنایی سدیم
- تولید و ساخت انواع اسباب بازی
- تولید تمبر
- یکی از عناصر کلیدی برای ساخت تلویزیون‌های لامپی قدیمی
- تولید نوشابه‌های گازدار
- ساخت و تولید مواد مشتعل و آتش‌بازی
- تولید آلیاژهایی همچون فسفر برنز
- ساخت سموم آفت‌کش گیاهی
در گذشته از فسفر برای تولید انواع محلول‌های شوینده نیز استفاده می‌شد اما بعداً با کشف اثرات سوء آن روی سلامت مردم و تاثیرات مخرب این ماده روی طبیعت، کاربرد آن در این صنعت متوقف گشت. همچنین در آن زمان این عنصر به صورت رایج در ترکیبات برخی از داروها و مکمل‌های ورزشی مورد استفاده قرار می‌گرفت که بعد از کشف سمی بودن آن، از ترکیبات دارویی نیز حذف گردید.
فسفر سفید چیست؟
فسفر سفید که به آن فسفر زرد یا تترا فسفر هم گفته می‌شود، یکی از دگرشکل‌های اصلی عنصر فسفر محسوب می‌گردد که دارای یک شکل جامد بوده و از مولکول‌هایی با ساختار منظم چهار وجهی تشکیل شده است. فسفر سفید بسیار فعال بوده و برای این کار به انرژی بسیار کمی نیاز دارد، به همین خاطر بسیار اشتعال‌زا است و حتی در برخورد با مولکول‌های هوا نیز می‌تواند مشتعل شود.
در گذشته به جای گوگرد، از این عنصر به شکل ترکیبی و برای ساخت مواد مشتعل چوب کبریت‌ها استفاده می‌شد که البته بسیار خطرناک نیز بود و در صورت قرار داشتن مداوم در معرض آن، سلامت افراد به خطر می‌افتاد.
آیا فسفر در بدن موجودات زنده وجود دارد؟
فسفر نه تنها در بدن موجودات زنده وجود دارد، بلکه یکی از عناصر ضروری برای تداوم حیات انسان‌ها، جانوران و گیاهان به شمار می‌رود. تعداد زیادی از سلول‌های موجود در بدن جانداران حاوی این عنصر به صورت آدنوزین تری‌فسفات هستند که انرژی مورد نیاز برای تداوم حیات آنان را فراهم می‌کند.
وجود فسفر همچنین برای تکمیل ساخت استخوان‌ها و دندان‌ها ضروری بوده که نوکلئیک اسیدها نیز حاوی آن هستند. کارکرد این عنصر در بدن بیشتر شبیه یک حامل اطلاعات ژنتیکی است. میزان طبیعی فسفر در بدن انسان، بین 2.5 تا 4.5 میلی گرم بر دسی لیتر است. مقدار بیش از این، مخصوصا به صورت خالص می‌تواند منجر به بروز عارضه‌های مختلفی همچون آسیب به روده، معده و کبد شود و حتی مرگبار باشد. از این رو پزشکان توصیه می‌کنند تا جای ممکن از داروهای مکمل این ماده استفاده نکنید.
فرق فسفر با فسفات
فسفر که به اختصار با علامت P هم نشان داده می‌شود، یک عنصر طبیعی با عدد اتمی 15 است، اما فسفات یک ترکیب غیر آلی و در واقع نمک اسید فسفریک به شمار می‌رود که از ترکیب یک اتم فسفر با چهار اتم اکسیژن ساخته می‌شود.
عنصر فسفر به صورت خالص در طبیعت پیدا نمی‌شود بلکه باید آن را از منابع فسفات استخراج نمود. فسفر در بدن موجودات زنده به صورت فسفات وجود دارد.
کدام مواد غذایی فسفر دارند؟
بدن انسان‌ها و سایر موجودات زنده تقریبا تمام فسفر مورد نیاز خود را از مواد غذایی دریافت می‌کنند. بهترین خوراکی‌هایی که حاوی مقدار قابل توجهی فسفر هستند شامل موارد زیر می‌شوند:
- گوشت مرغ (بیشتر قسمت‌های سفید)
- گوشت بوقلمون
- مغز یا جگر گوسفند و گوساله
- جگر مرغ
- گوشت انواع ماهی (کپور، ساردین، سالمون و غیره)
- پنیر
- شیر
- ماست
- تخم مرغ
- شیر خشک
- لبنیات کم چرب
- تخم آفتابگردان
- تخم کدو
- بادام
- بادام هندی
- پسته
- دانه میوه درخت کاج
- گندم
- برنج
- جو دوسر
- دانه تاج خروس
- نخود
- لوبیا
- عدس
- سویا و شیر سویا
روش تهیه و نگهداری فسفر
برای تهیه فسفر از ماسه و سنگ‌های فسفاته استفاده می‌شود و استخراج این عنصر از طریق تقطیر و سپس تبدیل آن به حالت جامد اتفاق می‌افتد. اگر بخواهیم بسیار خلاصه توضیح دهیم، مراحل مختلف تهیه فسفر به صورت زیر است:
- ایجاد محلول نمک کلرید موجود در خاک
- تبلور نمک کلرید موجود در خاک
- افزودن متا وانادات آمونیوم به محلول الکلی تشکیل شده و تنظیم pH ترکیب
- قرار دادن محلول روی حرارت
- فیلتر مکش
- قرار دادن ترکیب در کوره
- سنگ زنی
توجه داشته باشید که عنصر فسفر خالص معمولا به شکل فسفر سفید در دسترس ما قرار دارد. این ماده نیز گرچه بسیار فعال است اما درصد حل شدن آن در آب بسیار پایین می‌باشد. به همین دلیل، فسفر سفید را اغلب داخل محلول آب، بنزینی، روغن یا دی سولفید نگهداری می‌کنند.
سخن آخر
فسفر یکی از عناصر اصلی در طبیعت است که بخشی از DNA موجودات زنده محسوب می‌شود. این ماده شگفت انگیز گرچه به صورت خالص پیدا نشده و نیاز به استخراج دارد اما تقریبا در تمامی بافت‌های زنده و غیرزنده روی کره زمین حضور دارد. عنصر پانزدهم جدول تناوبی خواص خارق‌العاده زیادی در اشکال مختلف خود دارد که باعث شده یکی از مواد خام بسیار رایج در صنایع مختلف باشد. در این مطلب تلاش کردیم تا عنصر فسفر را بیشتر به شما معرفی کنیم، امیدواریم این مطلب برای شما مفید بوده باشد.