Phốtpho, (từ tiếng Hy Lạp: phôs có nghĩa là "ánh sáng" và phoros nghĩa là "người/vật mang"), là một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn có ký hiệu P và số nguyên tử 15. Là một phi kim đa hóa trị trong nhóm nitơ, phốtpho chủ yếu được tìm thấy trong các loại đá phốtphat vô cơ và trong các cơ thể sống. Do độ hoạt động hóa học cao, không bao giờ người ta tìm thấy nó ở dạng đơn chất trong tự nhiên. Nó phát xạ ra ánh sáng nhạt khi bị phơi ra trước ôxy (vì thế có tên gọi của nó trong tiếng Latinh để chỉ "ngôi sao buổi sáng", từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là "ánh sáng" và "mang"), và xuất hiện dưới một số dạng thù hình. Nó cũng là nguyên tố thiết yếu cho các cơ thể sống. Sử dụng quan trọng nhất trong thương mại của nó là để sản xuất phân bón. Nó cũng được sử dụng rộng rãi trong các loại vật liệu nổ, diêm, pháo hoa, thuốc trừ sâu, thuốc đánh răng và chất tẩy rửa.
1. Các đặc trưng nổi bật
Dạng phổ biến của phốtpho là chất rắn dạng sáp có màu trắng có mùi đặc trưng khó ngửi tương tự như tỏi. Dạng tinh khiết của nó là không màu và trong suốt. Phi kim này không hòa tan trong nước nhưng hòa tan trong đisulfua cacbon. Phốtpho tinh khiết bắt cháy ngay trong không khí và tạo ra khói trắng chứa pentôxít phốtpho.
2.Thù hình
Phốtpho tồn tại dưới ba dạng thù hình cơ bản có màu: trắng, đỏ và đen. Các dạng thù hình khác cũng có thể tồn tại. Phổ biến nhất là phốt pho trắng và phốt pho đỏ, cả hai đều chứa các mạng gồm các nhóm phân bổ kiểu tứ diện gồm 4 nguyên tử phốtpho. Các tứ diện của phốt pho trắng tạo thành các nhóm riêng; các tứ diện của phốtpho đỏ liên kết với nhau thành chuỗi. Phốtpho trắng cháy khi tiếp xúc với không khí hay khi bị tiếp xúc với nguồn nhiệt và ánh sáng.
Phốtpho cũng tồn tại trong các dạng ưa thích về mặt động học và nhiệt động lực học. Chúng được tách ra ở nhiệt độ chuyển tiếp -3,8°C. Một dạng gọi là dạng "alpha", dạng kia gọi là "beta". Phốtpho đỏ là tương đối ổn định và thăng hoa ở áp suất 1 atm và 170°C nhưng cháy do va chạm hay nhiệt do ma sát. Thù hình phốtpho đen tồn tại và có cấu trúc tương tự như graphit – các nguyên tử được sắp xếp trong các lớp theo tấm lục giác và có tính dẫn điện.
3. Ứng dụng
Axít phốtphoric đậm đặc, có thể chứa tới 70% - 75% P[SUB]2[/SUB]O[SUB]5[/SUB] là rất quan trọng đối với ngành nông nghiệp do nó được dùng để sản xuất phân bón. Nhu cầu toàn cầu về phân bón đã dẫn tới sự tăng trưởng đáng kể trong sản xuất phốtphat (PO[SUB]4[/SUB][SUB2]3-[/SUB2]) trong nửa sau của thế kỷ 20. Các sử dụng khác còn có:
* Các phốtphat được dùng trong sản xuất các loại thủy tinh đặc biệt được sử dụng trong các loại đèn hơi natri.
* Tro xương, phốtphat canxi, được sử dụng trong sản xuất đồ sứ.
* Tripolyphốtphat natri được sản xuất từ axít phốphoric được sử dụng trong bột giặt ở một số quốc gia, nhưng lại bị cấm ở một số quốc gia khác.
* Axít phốtphoric được sản xuất từ phốtpho nguyên tố được sử dụng trong các ứng dụng như các đồ uống chứa sôđa. Axít này cũng là điểm khởi đầu để chế tạo các phốtphat cấp thực phẩm. Các hóa chất này bao gồm phốtphat mônôcanxi được dùng trong bột nở và tripolyphốtphat natri và các phốtphat khác của natri. Trong số các ứng dụng khác, các hóa chất này được dùng để cải thiện các đặc trưng của thịt hay phó mát đã chế biến. Người ta còn dùng nó trong thuốc đánh răng. Phốtphat trinatri được dùng trong các chất làm sạch để làm mềm nước và chống ăn mòn cho các đường ống/nồi hơi.
* Phốtpho được sử dụng rộng rãi để sản xuất các hợp chất hữu cơ chứa phốtpho, thôngqua các chất trung gian như clorua phốtpho và sulfua phốtpho. Các chất này có nhiều ứng dụng, bao gồm các chất làm dẻo, các chất làm chậm cháy, thuốc trừ sâu, các chất chiết và các chất xử lý nước.
* Nguyên tố này cũng là thành phần quan trọng trong sản xuất thép, trong sản xuất đồng thau chứa phốtpho và trong nhiều sản phẩm liên quan khác.
* Phốtpho trắng được sử dụng trong các ứng dụng quân sự như bom lửa, tạo ra các màn khói như trong các bình khói và bom khói, và trong đạn lửa.
* Phốtpho đỏ được sử dụng để sản xuất các vỏ bao diêm an toàn, pháo hoa và nhất là mêtamphêtamin (C[SUB]10[/SUB]H[SUB]15[/SUB]N).
* Với một lượng nhỏ, phốtpho được dùng như là chất thêm vào cho các loại bán dẫn loại n.
* Phốtpho P[SUB2]32[/SUB2] và phốtpho P[SUB2]33[/SUB2] được dùng như là các chất phát hiện dấu vết phóng xạ trong các phòng thí nghiệm hóa sinh học
4. Vai trò sinh học
Phốtpho là nguyên tố quan trọng trong mọi dạng hình sự sống đã biết. Phốtpho vô cơ trong dạng phốtphat PO[SUB]4[/SUB][SUB2]3-[/SUB2] đóng một vai trò quan trọng trong các phân tử sinh học như ADN và ARN trong đó nó tạo thành một phần của phần cấu trúc cốt tủy của các phân tử này. Các tế bào sống cũng sử dụng phốtphat để vận chuyển năng lượng tế bào thông qua ađênôsin triphốtphat (ATP). Gần như mọi tiến trình trong tế bào có sử dụng năng lượng đều có nó trong dạng ATP. ATP cũng là quan trọng trong phốtphat hóa, một dạng điều chỉnh quan trọng trong các tế bào. Các phốtpholipit là thành phần cấu trúc chủ yếu của mọi màng tế bào. Các muối phốtphat canxi được các động vật dùng để làm cứng xương của chúng. Trung bình trong cơ thể người chứa khoảng gần 1 kg phốtpho, và khoảng ba phần tư số đó nằm trong xương và răng dưới dạng apatit. Một người lớn ăn uống đầy đủ tiêu thụ và bài tiết ra khoảng 1-3 g phốtpho trong ngày trong dạng phốtphat.
Theo thuật ngữ sinh thái học, phốtpho thường được coi là chất dinh dưỡng giới hạn trong nhiều môi trường, tức là khả năng có sẵn của phốtpho điều chỉnh tốc độ tăng trưởng của nhiều sinh vật. Trong các hệ sinh thái sự dư thừa phốtpho có thể là một vấn đề, đặc biệt là trong các hệ thủy sinh thái, xem thêm sự dinh dưỡng tốt và bùng nổ tảo.
5. Lịch sử
Phốtpho (từ tiếng Hy Lạp phosphoros, có nghĩa là "vật mang ánh sáng" và nó cũng là tên gọi cổ đại của Sao Kim) đã được nhà giả kim thuật người Đức là Hennig Brand phát hiện năm 1669 thông qua việc điều chế nước tiểu. Làm việc ở Hamburg, Brand đã cố gắng chưng cất các muối bằng cách cho bay hơi nước tiểu, và trong quá trình đó ông đã thu được một khoáng chất màu trắng phát sáng trong bóng đêm và cháy sáng rực rỡ. Kể từ đó, chữ lân quang, liên quan đến các ánh sáng lân tinh của phốtpho, đã được sử dụng để miêu tả các chất phát sáng trong bóng tối mà không cần cháy. Tuy nhiên bản chất vật lý của hiện tượng lân quang không trùng với cơ chế phát sáng của phốtpho: Brand đã không nhận ra rằng thực tế phốtpho cháy âm ỉ khi phát sáng.
Các loại diêm đầu tiên sử dụng phốtpho trắng trong thành phần của chúng, nó là nguy hiểm do độc tính của phốtpho trắng. Các trường hợp giết người, tự sát và các vụ ngộ độc ngẫu nhiên là hậu quả của việc sử dụng chất này. Ngoài ra, sự phơi nhiễm trước hơi phốtpho đã làm cho nhiều công nhân bị mắc chứng bệnh chết hoại xương hàm. Khi phốtpho đỏ được phát hiện, khả năng cháy kém hơn cũng như độc tính thấp hơn của nó đã làm cho dạng phốtpho này được nhanh chóng chấp nhận như là chất thay thế cho phốtpho trắng trong sản xuất diêm.
6. Sự phổ biến
Do độ hoạt động hóa học cao đối với ôxy trong không khí và các hợp chất chứa ôxy khác nên phốtpho trong tự nhiên không tồn tại ở dạng đơn chất, mà nó phân bổ rộng rãi trong các loại khoáng chất khác nhau. Các loại đá phốtphat, trong đó một phần cấu tạo là apatit (khoáng chất chứa phốtphat tricanxi dạng không tinh khiết) là một nguồn quan trọng về mặt thương mại của nguyên tố này. Các mỏ apatit lớn có ở Nga, Maroc, Florida, Idaho, Tennessee, Utah v.v. Tại Việt Nam có mỏ apatit tại Lào Cai. Tuy nhiên, đang có các e ngại là các mỏ apatit sẽ nhanh chóng cạn kiệt. Hoa Kỳ sẽ không còn các mỏ apatit vào khoảng năm 2035. Trung Quốc và Maroc sở hữu các mỏ apatit lớn nhất đã biết hiện nay, nhưng rồi chúng cũng sẽ cạn kiệt. Cùng với sự cạn kiệt các mỏ này thì sẽ nảy sinh các vấn đề nghiêm trọng đối với việc sản xuất lương thực, thực phẩm của thế giới do phốtpho là một thành phần cơ bản trong các loại phân bón.
Thù hình màu trắng của phốtpho có thể được sản xuất theo nhiều cách khác nhau. Trong một quy trình, phốtphat tricanxi thu được từ các loại đá phốtphat, được nung nóng trong các lò nung với sự có mặt của cacbon và silica. Phốtpho dạng nguyên tố sau đó được giải phóng dưới dạng hơi và được thu thập lại dưới dạng axít phốtphoric.
7. Phòng ngừa
Đây là nguyên tố có độc tính với 50 mg là liều trung bình gây chết người (phốtpho trắng nói chung được coi là dạng độc hại của phốtpho trong khi phốtphat và orthophốtphat lại là các chất dinh dưỡng thiết yếu). Thù hình phốtpho trắng cần được bảo quản dưới dạng ngâm nước do nó có độ hoạt động hóa học rất cao với ôxy trong khí quyển và gây ra nguy hiểm cháy và thao tác với nó cần được thực hiện bằng kẹp chuyên dụng do việc tiếp xúc trực tiếp với da có thể sinh ra các vết bỏng nghiêm trọng. Ngộ độc mãn tính phốtpho trắng đối với các công nhân không được trang bị bảo hộ lao động tốt dẫn đến chứng chết hoại xương hàm. Nuốt phải phốtpho trắng có thể sinh ra tình trạng mà trong y tế gọi là "hội chứng tiêu chảy khói". Các hợp chất hữu cơ của phốtpho tạo ra một lớp lớn các chất, một số trong đó là cực kỳ độc. Các este florophốtphat thuộc về số các chất độc thần kinh có hiệu lực mạnh nhất mà người ta đã biết. Một loạt các hợp chất hữu cơ chứa phốtpho được sử dụng bằng độc tính của chúng để làm các thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, thuốc diệt nấm v.v. Phần lớn các phốtphat vô cơ là tương đối không độc và là các chất dinh dưỡng thiết yếu.
Khi phốtpho trắng bị đưa ra ánh sáng Mặt Trời hay bị đốt nóng thành dạng hơi ở 250°C thì nó chuyển thành dạng phốtpho đỏ, và nó không tự cháy trong không khí, do vậy nó không nguy hiểm như phốtpho trắng. Tuy nhiên, việc tiếp xúc với nó vẫn cần sự thận trọng do nó cũng có thể chuyển thành dạng phốtpho trắng trong một khoảng nhiệt độ nhất định và nó cũng tỏa ra khói có độc tính cao chứa các ôxít phốtpho khi bị đốt nóng.
Khi bị phơi nhiễm phốtpho, trong quá khứ người ta đề nghị rửa bằng dung dịch chứa 2% sulfat đồng CuSO[SUB]4[/SUB] để tạo ra một hợp chất không độc có thể rửa sạch. Tuy nhiên, theo báo cáo của Hải quân Mỹ gần đây thì "...sulfat đồng có độc tính và việc sử dụng nó sẽ được dừng lại. Sulfat đồng có thể gây độc cho thận và não cũng như phá hủy hồng cầu trong mạch máu."
Hướng dẫn này cũng đề xuất thay thế là "dung dịch bicacbonat để trung hòa axít phốtphoric...".
8. Đồng vị
Các đồng vị phóng xạ của phốtpho bao gồm:
* P[SUB2]32[/SUB2]: chất tạo bức xạ beta (1,71 MeV) với chu kỳ bán rã 14,3 ngày. Nó được dùng trong các phòng thí nghiệm khoa học nghiên cứu về sự sống, chủ yếu để tạo ra các mẫu ADN và ARN đánh dấu phóng xạ, ví dụ để sử dụng trong các phương pháp đánh dấu Northern hay đánh dấu Southern. Do các hạt beta cao năng lượng được tạo ra thâm nhập qua da và giác mạc, và do bất kỳ lượng P[SUB2]32 [/SUB2]nào được đi vào cơ thể theo các đường tiêu hóa, hô hấp hay hấp thụ qua các đường khác đều kết hợp lại trong xương và các axít nucleic, OSHA yêu cầu là mọi người làm việc với P[SUB2]32[/SUB2] bắt buộc phải dùng quần áo bảo hộ, găng tay và kính bảo hộ, và phải tránh sự tiến hành công việc trên các thùng chứa hở để bảo vệ mắt. OSHA cũng yêu cầu phải có sự giám sát cá nhân, quần áo và bề mặt bị phơi nhiễm. Ngoài ra, do năng lượng cao của các hạt beta, thông thường người ta hay sử dụng các vật liệu nặng để che chắn (chẳng hạn chì), nhưng điều này lại tạo ra bức xạ thứ cấp các tia X, thông qua một tiến trình được biết đến như là Bremsstrahlung, có nghĩa là bức xạ phanh. Vì thế, các tấm che phải kèm theo với các vật liệu nhẹ như plexiglas, acrylic, lucit, chất dẻo, gỗ hay nước[1].
* P[SUB2]33[/SUB2]; chất tạo bức xạ beta (0,25 MeV) với chu kỳ bán rã 25,4 ngày. Nó được dùng trong các phòng thí nghiệm khoa học về sự sống trong các ứng dụng mà bức xạ beta thấp năng lượng là ưu thế hơn, ví dụ trong sắp xếp chuỗi ADN.
