Il fosforo è un elemento non metallico con simbolo P e numero atomico 15. Il fosforo è un componente vitale di tutte le forme di vita ed è fondamentale per la biochimica del DNA, dell'RNA e dell'ATP. I gruppi fosfato sono parte delle molecole del DNA, dell'RNA, dell'ATP e dei fosfolipidi.
Il fosforo è un tipico non-metallo e (come l'azoto) forma quasi esclusivamente legami di tipo covalente. È un componente vitale di tutte le forme di vita ed è molto importante per la biochimica. Come anche l'arsenico, che lo segue nello stesso gruppo 15, è un elemento monoisotopico: l'unico suo isotopo naturale e stabile è 31P, avente nel nucleo un neutrone in più dei protoni.
Il fosforo è l'undicesimo elemento per abbondanza (≈1 120 ppm) sulla crosta terrestre. Il fosforo non si trova in natura allo stato elementare, ma è presente nei minerali fosfatici (sali dell'acido fosforico), che sono abbondanti in alcune rocce; gli ioni fosfato sono presenti nelle cellule degli esseri viventi, del cui metabolismo è un componente essenziale.
Il fosforo esiste in varie forme allotropiche identificate dal loro colore: bianco, rosso e nero e violetto. Il fosforo bianco, cristallino, di consistenza cerosa, si presenta sotto forma di una massa bianca traslucida ed è costituito da molecole tetratomiche P4. Il fosforo bianco si presenta come un solido ceroso bianco, dal caratteristico odore agliaceo sgradevole; quando è molto puro risulta trasparente.
Il fosforo bianco è estremamente tossico per gli organismi animali, facilmente infiammabile, così che deve essere mantenuto sott'acqua. L'allotropo va conservato sotto acqua e va manipolato solo con pinze, dato che il contatto con la pelle può causare ustioni. Il fosforo bianco, un solido molecolare bassofondente, è estremamente reattivo e, combinandosi con l'ossigeno emette una tenue luminescenza, da cui prende origine il suo nome.
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Riscaldato in aria, brucia spontaneamente con l'ossigeno dell'aria sopra i 40 °C formando l'anidride fosforica P4O10 (decaossido di tetrafosforo), spesso scritta con la formula minima P2O5. Il fosforo bianco può essere convertito nella forma rossa tramite riscaldamento in assenza di aria. Il fosforo rosso è costituito da catene di gruppi tetraedrici di quattro atomi ciascuno.
Per riscaldamento il fosforo bianco si trasforma nel fosforo rosso a reattività chimica minore, che si accende a circa 44 °C; il fosforo nero si ottiene pure da quello giallo per riscaldamento sotto elevatissime pressioni: ha colore grigio metallico, aspetto simile alla grafite e bassa solubilità. Del fosforo sono note diverse forme allotropiche: fosforo bianco (o giallo), fosforo rosso, fosforo nero (o violetto), ecc.
Il fosforo venne isolato per la prima volta dal chimico tedesco Hennig Brand nel 1669. Nel tentativo di distillare i sali residui dell'evaporazione dell'urina, Brand produsse un materiale bianco, luminescente al buio, che bruciava con fiamma brillante. Da allora, la parola fosforescente è stata usata per descrivere quei materiali che emettono luminescenza al buio senza bruciare.
La città di Bologna lega il proprio nome al materiale: il 12 dicembre 1711 vi venne fondato l'Istituto delle Scienze, opera di Luigi Ferdinando Marsili, presso cui proseguì lo studio del fenomeno dei fosfori, soprattutto ad opera del chimico e medico Jacopo Bartolomeo Beccari. Beccari dapprima fu professore di fisica (dal 4 dicembre 1711), per poi diventare docente di chimica presso l'istituto. Nell'ambito del suo lavoro, Beccari realizzò con alcuni collaboratori alcune macchine e dispositivi sperimentali per lo studio dei fosfori e dei composti organici.
Il principale uso industriale del fosforo è nella produzione di fertilizzanti. Le rocce fosfatiche, principalmente costituite da apatite (un fosfato di calcio impuro avente la seguente formula molecolare: 3 Ca3(PO4)2 · CaX2 dove X può essere ione fluoruro, cloruro, idrossido o ½ ione carbonato) sono un'importante fonte commerciale di questo elemento.
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La produzione di fosforo consiste in una riduzione di minerali di fosforo (fluoroapatiti, idrossiapatiti, carbonatoapatiti, etc) detti minerali fosfatici. Il fosforo bianco viene estratto dall'apatite per arrostimento in fornace in presenza di carbone e silice. I fumi che escono vengono depurati dal minerale e da altri reagenti fini trascinati a temperatura tale che il fosforo, condensando, non venga pure abbattuto.
L'aeriforme restante è costituito da vapori di fosforo, CO e SiF4 e viene inviato in una torre dove viene spruzzata dell'acqua (badando che la temperatura non scenda sotto i 60 °C). Il fosforo così condensa ma non solidifica e si raccoglie sott'acqua. Quest'ultima, per reazione con SiF4, si è trasformata in soluzione di acido metasilicico e fluorosilicico. Il CO, integralmente defosforato e defluorurato, viene anche deumidificato per raffreddamento e usato poi come combustibile.
Le scorie prodotte dal forno, costituite essenzialmente da CaSiO3, sono buoni additivi per cementi e conglomerati bituminosi. Dal basso del forno si scarica anche la lega ferro - fosforo, usata in siderurgia. Il fosforo liquido, trattato con decolorante, viene pompato poi alla filtrazione e successivamente fatto solidificare in forma "bianca" e foggiato in pezzature commerciali sott'acqua o in ambiente di anidride carbonica. L'acido fosforico concentrato (H3PO4) è ampiamente usato per la produzione di fertilizzanti.
Il triidruro di fosforo PH3, gas incolore, meglio noto come fosfina, ha un caratteristico odore di pesce marcio. Si forma spontaneamente dalla decomposizione di sostanze organiche fosforate e per reazione a caldo tra fosforo giallo e soda caustica: non è spontaneamente infiammabile all'aria ma mescolato ad altri composti lo può diventare. I fosfuri sono i composti del fosforo con i metalli; si possono formare tramite reazione diretta tra gli elementi costituenti o facendo gorgogliare la fosfina in soluzioni di sali di alcuni metalli come argento, nichel e rame, che formano fosfuri insolubili.
Il pentacloruro PCl5, usato come reattivo clorurante in chimica organica. L'anidride fosforica P2O5, nome tradizionale del pentossido di difosforo, è una polvere bianca cristallina che sublima a 360°C, si scioglie in acqua formando acido metafosforico HPO3. L'acido fosforoso o acido fosfonico H3PO3, è un solido cristallino, incolore, che si prepara scomponendo il tricloruro PCl3 con acqua o trattando con acqua il triossido di fosforo; per riscaldamento si trasforma in acido fosforico e fosfina.
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L'acido fosforico H3PO4, allo stato anidro si presenta in cristalli. Fonde a alla temperatura di 42°C formando un liquido molto denso. È più propriamente detto acido ortofosforico, per distinguerlo dagli altri ossiacidi tutti derivanti dalla reazione dell'anidride fosforica con acqua. È un acido estremamente corrosivo e attacca quasi tutti i metalli (a 100°C anche l'oro e il platino): per riscaldamento perde acqua e si trasforma in acido pirofosforico H4P2O7 e metafosforico HPO3. I fosfati sono i sali degli acidi fosforici. Sono degli ottimi concimi (concimi fosfatidici), in quanto il fosforo costituisce un elemento essenziale per lo sviluppo delle piante.
Fonti alimentari di fosforo sono cereali, verdure, latte, carni bovine, pesce, pollame e legumi. Un'adeguata quantità di fosforo è necessaria all'assimilazione del calcio. I neonati sino a 6 mesi hanno un fabbisogno di 300 mg/die, mentre dai 6 mesi a 1 anno la dose raccomandata è di 600 mg/die.
Al fosforo e al consumo di pesce è stato attribuito un effetto positivo sull'intelligenza e sulla memoria. L'elemento chimico è un componente vitale di tutte le forme di vita ed è fondamentale per la biochimica. Per via della sua reattività, il fosforo non esiste allo stato nativo in natura. È tuttavia ampiamente presente in numerosi minerali.
I primi fiammiferi vennero prodotti con il fosforo bianco, che però era pericoloso e tossico da maneggiare. L'esposizione ai vapori provocava ai lavoratori la necrosi delle ossa della mascella. Con l'adozione del fosforo rosso, meno volatile e più stabile, i rischi vennero ridotti.
L'avvelenamento cronico provoca la necrosi del tessuto osseo. Il fosforo bianco è altamente tossico e pericoloso, soprattutto se viene a contatto con la pelle o con l'aria. È estremamente reattivo, essenziale per la vita, con proprietà chimiche e fisiche estreme.
Le rocce fosfatiche possono contenere ioni fluoruro: nell'apatite X può essere ione fluoruro, cloruro, idrossido o ½ ione carbonato. Le scorie e i sottoprodotti della produzione di fosforo coinvolgono SiF4, che per reazione con acqua forma fluorosilicico; quest'ultimo mostra come durante la lavorazione del minerale possano formarsi composti contenenti fluoro.
Soluzioni per la definizione «Fosforo e fluoro» per le parole crociate della Settimana Enigmistica (e riviste simili) e altri giochi enigmistici come CodyCross e Word Lanes indicano anche l'abbreviazione P F, due lettere: PF. Il fluoro (F) è l'alogeno più elettronegativo e compare nelle formulazioni dei minerali fosfatici sotto forma di ione fluoruro.
È noto un solo isotopo naturale e stabile, il 31P. Il 31P ha rilevanza in spettroscopia NMR: NMR and the periodic table, e varie applicazioni analitiche sfruttano il 31P, come illustrato in lavori su Quantitative 31P NMR Spectroscopy: Principles, Methodologies, and Applications in Phosphorus-Containing Compound Analysis.
| Allotropo | Aspetto | Proprietà chiave |
|---|---|---|
| Fosforo bianco | Solido ceroso bianco, traslucido | Estremamente reattivo, tossico, si conserva sott'acqua, forma P4 |
| Fosforo rosso | Solido non volatile | Meno reattivo, usato nei fiammiferi e in pirotecnica |
| Fosforo nero | Grigio metallico, simile alla grafite | Bassa solubilità, ottenuto ad alte pressioni |
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