فسفر: عنصر کیمیاگری

سفر پانزدهمین عنصر جدول تناوبی مندلیف است. این عنصر اولین بار توسط یک کیمیاگر که در جستجوی طلا بود تقطیر شد. او این فرآیند را بر روی ۶۰ سطل ادرار انجام داد!

در سال ۱۶۶۹ هنینگ برند (Hennig Brand) تقریباً به صورت تصادفی فسفر را کشف کرد. او در ترکیبات ادرار در جستجوی فلزی بود که بتوان آن را به طلا تبدیل کرد. البته راه بسیار ساده‌ری برای دستیابی به فسفر وجود دارد: این عنصر در سنگ فسفات به وفور وجود دارد.

حتی در سال ۱۷۹۵ در یک نقاشی کشف فسفر به تصویر کشیده شده بود. در این نقاشی عنوانی به این شرح نوشته شده است: «شیمیدان در میان سنگ‌های فیلسوفان در جستجوی سنگ فسفر است. او فسفر را کشف می‌کند و برای نتایج موفقیت‌آمیز کشف خود دعا می‌کند، درست مانند طالع‌بینان دوران کهن.» سنگ فیلسوفان در افسانه‌های قدیمی سنگی است که فلزات را به طلا تبدیل می‌کند.

جوزف رایت (Joseph Wright)، نقاش این اثر هنری جزئیاتی را در نقاشی خود آورده که بعدها در سال ۱۷۹۶ در کتاب «ویژگی‌های عنصر فسفر» آورده شد. اولین گام برای گرفتن فسفر از ادرار رها کردن آن به مدت دو هفته در یک سطح شیب‌دار بود تا فاسد شود و کرم‌ها در آن پرورش یابند.

مهم‌ترین داده‌های عنصر فسفر عبارت‌ا‌ند ‌از:

عدد اتمی (تعداد پروتون‌‌ها در هسته): ۱۵

نماد اتمی (در جدول تناوبی):P

وزن اتمی (جرم متوسط اتم): ۳۰.۹۷۳۷۶۲

حالت فیزیکی در دمای اتاق: جامد

چگالی: ۱.۸۲گرم بر سانتی‌متر مکعب

نقطه‌‌ی ذوب: ۴۴.۱۵ درجه‌‌ی سانتی‌گراد

نقطه‌‌ی جوش: ۲۸۰.۵ درجه‌‌ی سانتی‌گراد

تعداد ایزوتوپ‌‌ها (اتم هایی از یک عنصر با تعداد متفاوت نوترون): ۲۲ ایزوتوپ که یکی از آن‌ها پایدار است

رایج‌‌ترین ایزوتوپ ها: فسفر ۳۱(با ۱۰۰ درصد فراوانی در طبیعت)

عنصر نورانی:

نام فسفر از واژه‌ی یونایی فسفروس به معنای «حامل نور» گرفته شده است. البته این کلمه نام مناسبی برای فسفر است. رایج‌ترین نوع فسفر که فسفر سفید است، از مولکول‌هایی به شکل هرم چهار وجهی تشکیل شده است. فسفر قرمز هم نوع دیگری از این عنصر است که ساختار کریستالی ندارد. نوعی که کمتر رایج است، فسفر سیاه نام دارد. این نوع فسفر ساختار حلقه‌ای دارد و کمی شبیه گرافیت است، ماده‌ای که مغز مداد را از آن می‌سازند.

فسفر سفید حالت موم دارد و در هوا کمی درخشش از خود نشان می‌دهد. اگر دمای هوا کمی از سی درجه‌ی سانی‌گراد بیشتر شود، فسفر سفید خودبه‌خود اشتعال پیدا می‌کند. به همین جهت بهترین و امن‌ترین مکان برای نگه‌داری آن زیر آب است. از فسفر سفید در ساخت سلاح و وسایل آتش‌بازی استفاده می‌شود. بوی فسفر سفید مانند بوی کبریت و تا حدی شبیه بوی سیر است. استنشاق آن و یا تماس آن با پوست منجر به سوختگی و مرگ می‌شود. این ترکیب سمی است.

فسفر قرمز در دمای اتاق پایدارتر است. فسفر قرمز همان ماده‌ای است که در سر کبریت قرار داده شده است. حرارتی که هنگام کشیدن کبریت به جعبه‌ی آن در اثر اصطکاک تولید می‌شود، دمای لازم را برای شعله‌ور شدن فسفر فراهم می‌کند و به این ترتیب کبریت روشن می‌شود. فسفر قرمز از حرارت دادن فسفر سفید تحت شرایط کنترل شده به دست می‌آید.

البته فسفر قرمز هم در برخی از ترکیب‌ها بسیار خطرناک است. هنگامی که این ماده در معرض دمای کافی (۲۶۰ درجه‌ی سانتی‌گراد) قرار بگیرد، مشتعل خواهد شد. همچنین هنگامی که با عناصری مانند کلر، نیترات آمونیوم و سدیم ترکیب شود انفجار رخ می‌دهد. بر اساس اعلام دفتر ارزیابی خطرات بهداشتی کالیفرنیا، یکی از موادی که در ساخت روان‌گردان‌ها و آمفتامین‌ها به کار می‌روند، فسفر است.

از جمله کاربردهای فسفر، استفاده از آن در ساخت فولاد و تولید شعله است. فسفر یکی از مواد تشکیل دهنده‌ی کود تقویت کننده‌ی گیاهان است. در واقع این مورد رایج‌ترین کاربرد فسفر است. برخلاف ویژگی‌های اشتعال پذیری‌اش، فسفر یک عنصر حیاتی برای زندگی است. ایم ماده به شکل ترکیب فسفات که یک مولکول باردار است، در ترکیب با قند ساختار دی ان ای را می‌سازد. فسفر همچنین بخشی از مولکول آدنوزین است که مسئولیت ذخیره و آزادسازی انرژی را در سلول‌ها بر عهده دارد و آن‌ها را برای کارکردهایشان مهیا می‌کند.

جالب است بدانید:

به طور متوسط در بدن هر انسان حدود ۷۵۰ گرم فسفر وجود دارد که بخش عمده‌ی آن در استخوان‌ها قرار گرفته است.

زمینه اوج برداشت فسفر از معادن رسیده است و برداشت فسفر از اعماق بیشتر، سخت‌تر از قبل می‌شود. کارشناسان تخمین می‌زنند که منابع فسفر دست کم تا چند دهه و خوشبینانه تا ۳۰۰ سال آینده به اتمام برسند. بروز این وضعیت کشاورزی را دچار مشکل خواهد کرد.

کبریت‌ها تقریباً در همه جا می‌توانند شعله‌ور شوند، زیرا در داخل فسفر قرمز آن‌ها اندکی فسفر سفید تعبیه شده است.

ترکیب فسفر و اکسیژن

مطالعات پژوهشگران نشان می‌دهد که ممکن است فسفر حدود سه و نیم میلیارد سال پیش به وسیله‌ی یک شهاب‌سنگ به کره‌ی زمین آورده شده باشد. آن‌ها معتقدند که زمانی کره‌ی زمین سرشار از منابع فسفر بوده است.

فسفر می‌تواند یکی از علائمی باشد که بیماری‌های قلبی را هشدار می‌دهد. بالا رفتن سطح فسفر خون، متناسب با انسداد عروق کرونر است. یعنی اگر فسفر خون بالا باشد، نشان می‌دهد که احتمالاً عروق مسدود شده‌اند.

پژوهش‌های فعلی:

استفاده‌ی گسترده از فسفر توسط بشر، مشکلاتی را برای محیط زیست ایجاد کرده است. در سال ۲۰۱۴ به شهرواندان ایالت اوهایو در کشور آمریکا هشدار داده شد که از آب استفاده نکنند. زیرا جلبک‌های سمی در منابع آب این منطقه رشد کرده بودند. پژوهش‌ها نشان داد که علت رشد جلبک‌های سمی ریخته شدن کود‌های کشاورزی و فضولات دامی به داخل آب است که همه‌ی این مواد حاوی فسفر بودند.

دن اوبنور (Dan Obenour) استاد مهندسی محیط زیست دانشگاه کارولینای شمالی می‌گوید: «در بسیاری از دریاها و دریاچه‌ها، فسفر یک ماده‌ی مغذی اما کمیاب است. در نتیجه همیشه نقش مهم‌ترین ماده‌ی مغزی را دارد.» اوبنور و همکارانش رشد جلبک‌های سمی دریاچه‎ی اری (Lake Erie) را مطالعه کردند. آن‌ها معتقدند که منبع فسفر غالب در آن دریاچه، فاضلاب، فضولات حیوانی و کودهای کشاورزی بوده‌ است.

البته عوامل دیگری مانند دمای آب نقش مهمی در رشد جلبک‌های سمی دارد. اوبنور به همراه گروهش با استفاده از یک مدل کامپیوتری، میزان جلبک‌ها را در طول سال تخمین زدند. بیشترین مقدار فسفر آب در اوایل بهار موجود بود و بیشترین جلبک‌ها در اواخر تابستان در دریاچه ظاهر می‌شدند. هر سالی که فسفر بیشتری به آب ریخته می‌شد، جلبک‌های بیشتری هم پدید می‌آمدند. این یعنی دریاچه نسبت به حضور این گونه‌ی جلبک حساس شده است.

چرخه‌ی کربن، نیتروژن و فسفر

به عبارت دیگر فسفر کمتری لازم است تا دوباره جلبک‌ها رشد کنند. این واقعیت ممکن است قوانین کشاورزی را دچار تغییر کند. اوبنور می‌گوید: «دلیل حساس‌تر شدن دریاچه تا حدی مبهم است، اما گونه‌های مهاجم می‌توانند در ایجاد این شرایط دخیل باشند. نوعی گورخر و همچنین صدف کواگا از جلبک‌های سالم دریاچه تغذیه می‌کند. جلبک‌های سالم خود مانع رشد جلبک‌های سمی می‌شوند. به این ترتیب هنگامی که فسفر وارد آب می‌شود، جلبک‌های سمی از آن‌ها تغذیه کرده و رشد می‌کنند. اگر سهم انسانی تولید فسفر حذف شود، میزان رشد جلبک‌های سمی به یک چهارم می‌رسد.»