fòsforo

Lessico

sm. [sec. XVII; dal greco phōsphóros, portatore di luce].

1) Elemento chimico di simbolo P, di peso atomico 30,97 e di numero atomico 15.

2) Regionale, fiammifero.

3) Fig., familiare, intelligenza acuta e vivace: avere del fosforo nel cervello.

Chimica: generalità

Il nome di fosforo deriva dal fatto che, all'aria, nella sua forma allotropica denominata fosforo bianco o fosforo giallo, si ossida lentamente emettendo una debole luminescenza nettamente visibile al buio. Il fosforo in natura è costituito da un solo isotopo non radioattivo. Si sono inoltre preparati cinque isotopi artificiali, tra i quali il fosforo-32, che si ottiene bombardando con neutroni lo zolfo; è fortemente radioattivo e viene usato come tracciante nelle ricerche biologiche. In natura il fosforo si rinviene sempre combinato sotto forma di fosfato, soprattutto come apatite, e nella crosta terrestre è il dodicesimo elemento in ordine di abbondanza. Sotto forma di sale o di altri derivati dell'acido fosforico è un elemento indispensabile per tutti gli organismi viventi. Il fosforo venne scoperto intorno al 1669 dall'alchimista H. Brand, che lo ottenne riscaldando ad alta temperatura con silice il residuo ottenuto dall'evaporazione delle urine. In questo modo il fosforo libero prendeva verosimilmente origine dai fosfati contenuti nelle urine, attraverso la reazione che si applica anche oggi per la produzione del fosforo e che si effettua riscaldando al forno elettrico, intorno ai 1450 ºC, una miscela di fosfati naturali (fosforite), carbone e silice:

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Il fosforo che così si libera distilla, e i vapori si condensano raccogliendo il fosforo allo stato fuso sotto uno strato di acqua, in modo da prevenirne l'ossidazione da parte dell'ossigeno atmosferico. Il fosforo è polimorfo, e di esso sono note le forme indicate con i nomi di fosforo bianco o giallo, di fosforo rosso e di fosforo nero: in realtà, ciascuna di queste forme può poi dar luogo a differenti varietà, con reticoli cristallini tra loro diversi. Quello preparato nel modo sopra descritto è il fosforo bianco, che, se perfettamente puro, è un solido incolore, che però all'aria ingiallisce rapidamente in seguito a fenomeni di ossidazione. Questa forma del fosforo è costituita da molecole tetraatomiche P₄; a temperatura ambiente presenta una consistenza simile alla cera, fonde a 44,1 ºC e bolle a 280,5 ºC. Il fosforo bianco è fortemente tossico e reattivo: finemente suddiviso si incendia spontaneamente all'aria per cui viene conservato sotto acqua, in genere in bacchette ottenute facendo solidificare in lingottiere il fosforo fuso. Il fosforo rosso si ottiene dal fosforo bianco riscaldandolo a lungo a 250-300 ºC in assenza di aria. Secondo le modalità di preparazione presenta un colore che va dal rosso chiaro al rosso porpora e al violaceo e una struttura spesso in parte amorfa e costituita da lunghissime catene di atomi di fosforo. È molto meno volatile e meno reattivo del fosforo bianco; non si ossida all'aria e, a differenza del fosforo bianco, è insolubile nei grassi e nei solventi quali il solfuro di carbonio, e non è tossico. Il fosforo nero si ottiene riscaldando il fosforo bianco o il fosforo rosso, per esempio a 200 ºC, sotto pressione molto elevata, dell'ordine delle 10.000 atmosfere. Presenta una struttura cristallina costituita da piani infiniti di atomi di fosforo, con una simmetria rombica. Anche il fosforo nero è chimicamente molto più inerte del fosforo bianco e non è tossico. Il fosforo bianco viene utilizzato per produrre acido fosforico e dei fertilizzanti che ne derivano; è inoltre il prodotto di partenza per la produzione del fosforo rosso, utilizzato nella preparazione dei fiammiferi, come disossidante nella metallurgia dei bronzi e di certi tipi di acciaio e nella fabbricazione di svariati composti del fosforo. Il fosforo bianco, per la sua proprietà di incendiarsi spontaneamente all'aria e innescare facilmente altre sostanze e materiali combustibili, è usato nella tecnologia militare per la fabbricazione di bombe a mano, bombe e proiettili incendiari. Dato il suo basso punto di fusione, viene proiettato all'atto dell'esplosione sotto forma di piccole gocce fiammeggianti che aderiscono facilmente a tutti i materiali e anche alla pelle umana, causando lesioni estremamente dolorose e scarsamente cicatrizzabili, data l'azione tossica e ulcerizzante propria dell'elemento. Il fosforo nero, anche a causa della difficoltà di preparazione, non trova invece applicazioni tecniche.

Chimica: composti

In tutti i suoi composti il fosforo manifesta sempre un netto carattere non-metallico. Nei confronti dell'idrogeno presenta una valenza massima di tre, che si riscontra nella fosfina, PH₃_; nei confronti dell'ossigeno ha una valenza massima di cinque, come nell'anidride fosforica, P₂O₅. Queste due valenze si riscontrano anche in quasi tutti gli altri composti, per esempio in quelli con gli alogeni e con lo zolfo. Bruciando il fosforo con una quantità di ossigeno limitata si forma principalmente il composto indicato con il nome tradizionale di anidride fosforosa e rappresentato con la formula P₂O₃ che in realtà è costituito di molecole dimere P₄O₆ e che, secondo la nomenclatura ufficiale, prende quindi il nome di esaossido di tetrafosforo. È un solido bianco, che fonde a 23,8 ºC e bolle a 175,4 ºC; con l'acqua reagisce energicamente formando l'acido fosforoso H₃PO₃, un solido cristallino con punto di fusione 74 ºC, solubilissimo in acqua. Dei tre atomi di idrogeno dell'acido fosforoso solo due sono sostituibili dai metalli, mentre il terzo non ha carattere acido, per cui i sali neutri dell'acido fosforoso, e cioè i fosfiti, corrispondono a formule del tipo di quella del fosfito di sodio: Na₂HPO₃. Questo comportamento è dovuto al fatto che, come si è dimostrato anche in base agli spettri di diffrazione ai raggi X dell'acido fosforoso, l'atomo di idrogeno non sostituibile è legato al fosforo direttamente e non tramite l'ossigeno come gli altri due, per cui l'acido fosforoso corrisponde alla formula di struttura

nella quale il fosforo è formalmente pentavalente, anziché a quella

nella quale il fosforo è trivalente. Un comportamento analogo si osserva anche nell'acido ipofosforoso, H₃PO₂, che si ottiene sotto forma di sale accanto alla fosfina, e che presenta un solo atomo di idrogeno acido, secondo la struttura rappresentata dalla formula

Tra i sali dell'acido ipofosforoso, che prendono il nome di ipofosfiti, alcuni sono stati largamente usati in passato come ricostituenti; come i fosfiti, presentano energiche proprietà riducenti perché tendono a ossidarsi a fosfati. Riscaldando l'anidride fosforosa oltre i 200 ºC in assenza di aria essa si decompone in fosforo libero e nell'ossido P₄O₈. In presenza di ossigeno si forma, invece, l'anidride fosforica, e cioè l'anidride degli acidi più importanti del fosforo, gli acidi fosforici. Il fosforo bianco e anche il fosforo rosso si combinano direttamente con gli alogeni formando composti diversi secondo rapporti quantitativi. Il fluoro fornisce il trifluoruro PF₃ e il pentafluoruro PF₅, ambedue gassosi; il cloro dà il tricloruro PCl₃, che è un liquido incolore, con punto di ebollizione 76 ºC; il pentacloruro PCl₅, che è un solido bianco giallognolo, e inoltre il tetracloruro di difosforo P₂Cl₄, che presenta un legame diretto tra i due atomi di fosforo; con il bromo si ottengono il tribromuro PBr₃, liquido, e il pentabromuro PBr₅, solido, mentre lo iodio dà i due ioduri PI₃ e P₂I₄, ma non un pentaioduro PI₅ analogo ai pentaalogenuri che derivano dagli altri alogeni. Tutti gli alogenuri di fosforo sono tipici composti a carattere covalente; con l'acqua e con l'umidità atmosferica reagiscono, spesso energicamente, liberando l'acido alogenidrico corrispondente: acido fosforoso i trialogenuri, acido fosforico i pentaalogenuri:

Con una quantità di acqua limitata la reazione fornisce degli ossoalogenuri intermedi, come l'ossocloruro di fosforo POCl₃. Questo è un liquido incolore, con punto di ebollizione 105,8 ºC, che reagisce energicamente con l'acqua formando acido fosforico e acido cloridrico. Con lo zolfo il fosforo forma tutta una serie di solfuri di fosforo, tra i quali quelli di formula P₄S₃, P₄S₅, P₄S₇ e P₄S₁₀. Il solfuro P₄S₃, che viene spesso indicato con l'improprio nome di sesquisolfuro di fosforo, viene usato nella fabbricazione dei fiammiferi.

Biochimica

Il fosforo è un elemento di grande importanza biologica sia per la sua distribuzione ubiquitaria in senso anatomico, sia per il grande numero di processi metabolici ai quali prende parte sotto forma di fosfato. Nel sangue e negli altri fluidi fisiologici esso si trova sotto forma di fosfato bisodico (Na₂HPO₄) e di fosfato monosodico (NaH₂PO₄), solitamente nel rapporto di concentrazione 4:1. Nelle strutture ossee è presente sotto forma di fosfato di calcio o idrossiapatite, che rappresenta la sostanza minerale dell'osso. Nelle cellule predominano invece i fosfolipidi e le fosfoproteine oltre ai fosfati organici, costituenti di numerose e importanti molecole, tra cui l'adenosintrifosfato (ATP), le purine e l'acido desossiribonucleico (DNA). I fosfati intervengono nelle tappe principali del metabolismo glicidico, lipidico e proteico, come pure nel meccanismo di eliminazione renale dei cataboliti acidi, nel mantenimento del pH e dei livelli del calcio nel sangue. I materiali chimici contenuti nelle cellule come prodotti di riserva energetica sono in gran parte costituiti da fosfati, detti appunto “fosfati ad alto livello energetico”.

Medicina: patologie

Numerose malattie si accompagnano a squilibri del metabolismo e del ricambio dei fosfati; ne sono esempi l'osteoporosi, il rachitismo, l'osteomalacia, l'osteite fibrocistica, l'insufficienza renale cronica. Delle forme allotropiche del fosforo ha importanza tossicologica soltanto il fosforo bianco, a cui si devono, nell'industria, non rari avvelenamenti da aspirazione di fumi volatili (fosforismo); l'uso che si fa del fosforo bianco, negli insetticidi, nei ratticidi, nella preparazione di fuochi pirotecnici e di fertilizzanti può provocare pure avvelenamenti da ingestione accidentale, che si manifestano con disturbi del tratto gastro-enterico (nausea, vomito ematico, diarrea) e con successive lesioni a carico del fegato, del cuore, dei reni e del sistema nervoso centrale.

Metallurgia

La presenza di fosforo nei metalli è spesso dannosa e pertanto deve essere contenuta entro limiti molto piccoli. Nel caso particolare degli acciai esso aumenta la loro fragilità e pertanto, all'atto della fabbricazione, viene eseguita l'operazione di defosforazione allo scopo di contenere il fosforo entro il limite dello 0,05%, prescritto dalle norme di unificazione. Percentuali leggermente superiori sono usualmente raggiunte con lo zolfo negli acciai per bulloneria per migliorare la loro lavorabilità, alle macchine utensili e negli acciai da fonderia allo scopo di aumentare la fluidità dei bagni destinati a essere colati in apposite forme. Per la sua elevata affinità con l'ossigeno il fosforo è spesso impiegato come disossidante nella fabbricazione di alcuni metalli. Inoltre il rame disossidato con fosforo in eccesso presenta anche migliori caratteristiche meccaniche e di resistenza alla corrosione. In alcune leghe caso dei bronzi fosforosi, piccole quantità di fosforo (0,1-0,3%) sono aggiunte per ottenere caratteristiche di durezza e di resistenza all'usura (leghe antifrizione). In metallurgia il fosforo è utilizzato sotto forma di leghe madri, come le leghe rame-fosforo, nichel-fosforo, ferro-fosforo, stagno-fosforo, le quali hanno percentuali di fosforo variabili dal 5 al 20%.