Фосфор — двенадцатый из наиболее распространенных в земной коре химических элементов (0,08% по массе), шестой — по содержанию в живых организмах (около 1%). В природе встречаются почти исключительно производные P2O5, главным образом фосфаты.
Полезные ископаемые и ключевые функции
Основные минеральные фосфаты — соли кальция (фтор-, хлор-, гидроксиапатиты), алюминия (вавеллит), железа (вивианит). Фосфаты обычно рассеяны в рудах сложного состава. Экономически наиболее целесообразна добыча фосфатов из фосфоритов — осадочных пород, состоящих в основном из останков доисторических живых организмов. Без участия фосфатов не обходится ни один важный процесс в живом организме. Фундаментальное условие существования жизни — возможность накопления, хранения и рационального использования энергии — обеспечивается одной небольшой молекулой — АТФ. АТФ (аденозинтрифосфат) — органическое производное трифосфорной кислоты, способное отщеплять одно или два звена PO4-. Отделение фосфат-иона высвобождает энергию, используемую организмом для синтеза белка, размножения, движения или мышления. Поглощенный растением свет, энергия химической связи соединений сурьмы и серы, добытая экзотическими бактериями, переваренная животным пища так или иначе используется, чтобы присоединить фосфат-ионы обратно — и, сделав круг, начать все сначала. Кроме того, АТФ — один из четырех реагентов, необходимых для биосинтеза ДНК — универсального носителя наследственной информации. Фосфат-ион играет важнейшую роль в жизнедеятельности клетки: ковалентно присоединяясь к молекулам ферментов, он повышает или, наоборот, снижает их активность, контролируя таким образом скорость протекания биологических процессов. Наконец, клеточные мембраны построены из фосфолипидов — сложных эфиров фосфорной кислоты и органических спиртов.
Дефицит фосфора и здоровье
В костной ткани содержится до 70% гидроксиапатита Ca10 (PO4)6 (OH)2. Поэтому недостаток фосфатов вызывает рахит у детей, остеомаляцию и остеопороз — у взрослых. Сложный эфир фосфорной и органической глицериновой кислот, 2,3-бифосфоглицерат (БФГ), регулирует способность гемоглобина связывать кислород, поэтому снижение концентрации ионов PO4- в крови — гипофосфатемия — приводит к кислородному голоданию тканей. Дефицит фосфатов может быть вызван как нарушениями питания, так и различными заболеваниями. Симптомы хронической гипофосфатемии:
повышенная утомляемость;
общая слабость;
анорексия.
Рекомендуемая Институтом медицины Национальной академии наук США норма потребления фосфора для взрослого человека составляет от 580 до 700 мг в сутки. Здоровая диета обязательно должна включать пищу, богатую фосфором, например:
цельнозерновые крупы и хлеб;
яичный желток;
орехи;
молочные продукты.
Практическое применение
Подавляющая часть добытых фосфатов используется в сельском хозяйстве в виде удобрений. Чтобы прокормить растущее человечество, в почву приходится вносить фосфор в удобной для растений форме: ежегодная уборка урожая не позволяет вернуть потребленный элемент в среду. Однако исключительная важность фосфора для нормального функционирования живых организмов не мешает его использованию в качестве оружия.
Зажигательные боеприпасы и отравляющие вещества
В годы Первой мировой войны для поражения живой силы противника начали применять желтый фосфор в качестве начинки для зажигательных боеприпасов. Такое оружие использует сразу несколько поражающих факторов:
температуру выше 800 °C;
отравляющее действие паров P4;
едкий дым, состоящий из частиц P2O5.
В начале XX в. немецкие химики, занимаясь разработкой перспективных пестицидов, впервые получили нервно-паралитические боевые отравляющие вещества, органические производные гипофосфит-иона: табун, зарин, зоман и циклозарин. Сейчас наиболее известен из них зарин — в 1995 г. его использовала японская секта «Аум Сенрике» для теракта в токийском метро. К счастью, во Второй мировой войне химическое оружие в значимых масштабах не применялось, однако в послевоенные годы разработка нервно-паралитических газов продолжилась. В 1955 г. в Великобритании был получен VX-газ — самый токсичный из синтетических ядов, известных на то время (0,5 мг — смертельная доза для человека в 50% случаев). Усилиями химиков США и СССР семейство фосфорорганических отравляющих веществ существенно пополнилось в период холодной войны. Несмотря на последующие снижение интереса к химоружию и декларируемое разоружение, риск применения этих высокоэффективных боевых ядов сохраняется до сих пор, поскольку информация об их формулах и свойствах легко доступна.
Настоящее и будущее элемента № 15
Разумеется, с пятнадцатым элементом знакомы не только военные и агрономы. Красный фосфор входит в состав обычных спичек в качестве горючего вещества. Фосфорорганические соединения, например, антибиотик фосфомицин, синтезируемый особым штаммом бактерий-стрептомицетов Streptomyces fradiae, применяются в качестве лекарственных средств.
Соли полифосфорных кислот нашли столь широкое применение в качестве моющих средств, что их содержание в сточных водах стало серьезной экологической проблемой. Изобилие фосфатов вызывает избыточный рост водорослей, что приводит к гибели рыб из-за недостатка кислорода, развитию микроорганизмов, выделяющих токсины, превращению водоемов в болота. В металлургии фосфор долгое время рассматривался только как вредная примесь, придающая металлам хрупкость; сейчас он нашел полезное применение в составе сверхпрочных и антикоррозионных покрытий. Многие фосфиды имеют полупроводниковые свойства и активно используются в микроэлектронике. В последние годы возрос интерес к черному фосфору как к полупроводнику. Возможность нового скачка в развитии микроэлектроники связывают с 2D-материалами — очень тонкими, толщиной буквально в несколько атомов, пластинами, теоретически позволяющими создавать микроэлектронные устройства с недоступными ранее характеристиками. Структура кристаллов черного фосфора позволяет отделять очень тонкие слои (даже при помощи липкой ленты), поэтому на его основе возможна разработка новых 2D-материалов, уже названных фосфоренами.
Может быть, уже через пару десятков лет инновации и прогресс будут ассоциироваться не с кремнием, как сейчас, а исключительно с фосфором.
