As formas elementares do fósforo podem existir na forma amorfa ou cristalina : são alótropos do fósforo . Os mais comuns são fósforo branco sólido e fósforo vermelho . Existem também formas roxas e pretas, sempre na forma sólida. O fósforo gasoso existe na forma de difósforo e fósforo atômico.
O fósforo branco , o fósforo amarelo ou tetrafósforo (P 4) existe como moléculas compostas de 4 átomos . O arranjo tetraédrico resulta em uma tensão circular que promove instabilidade. A molécula possui 6 ligações PP simples. Existem duas formas cristalinas. A forma α, que é estável sob condições normais de pressão e temperatura , é cúbica com face centrada . Em 192,5 Kelvin , ele muda reversivelmente para a forma β. Este último teria uma estrutura de cristal hexagonal .
O fósforo branco é um sólido ceroso transparente que rapidamente fica amarelo quando exposto à luz , por isso também é chamado de fósforo amarelo. Ele brilha em verde no escuro (quando em contato com oxigênio ), é altamente inflamável e pirofórico (auto-inflamado) em contato com o ar. É tóxico (causando danos graves ao fígado se ingerido) e causa necrose da mandíbula se ingerido ou inalado cronicamente. O cheiro de queimado nesta forma lembra o de alho , e as amostras são regularmente revestidas com uma película de (di) pentóxido de fósforo branco com a fórmula química P 4 O 10. O fósforo branco é pouco solúvel em água : muitas vezes é armazenado na água por esse motivo. Por outro lado, é solúvel em benzeno , óleos , dissulfeto de carbono e cloreto de enxofre .
A forma alotrópica branca pode ser feita usando métodos diferentes. Em um processo, o fosfato de cálcio , derivado da fosforita , é aquecido em um forno na presença de carbono e sílica . O fósforo elementar é então liberado na forma de vapor e pode ser coletado com ácido fosfórico .
O fósforo branco tem uma alta pressão de vapor à temperatura ambiente. Sua densidade de vapor indica que seu vapor é composto por moléculas P 4até 800 ° C . Em temperaturas mais altas, eles se dissociam para formar P 2.
Ele se inflama espontaneamente no ar a 50 ° C e em temperaturas mais baixas se for reduzido a pó. Esta combustão leva à criação de pentóxido de fósforo : P 4+ 5 O 2→ P 4 O 10.
Por causa dessa propriedade, o fósforo branco é usado em armas .
Embora o fósforo branco se transforme em fósforo vermelho , que é termodinamicamente mais estável, a formação de P 8cúbico na fase condensada ainda não foi observado em 2010. No entanto, derivados desta molécula hipotética foram preparados a partir de fosfoalcines .
O fósforo vermelho pode ser criado pelo aquecimento do fósforo branco a 250 ° C ou pela exposição à luz solar . O fósforo vermelho existe como uma rede amorfa . Se aquecido ainda mais, o fósforo vermelho amorfo cristaliza. Ele não se liga espontaneamente ao ar a temperaturas abaixo de 240 ° C .
O fósforo vermelho pode se transformar em fósforo branco se aquecido a 260 ° C (como quando um fósforo é aceso).
Na maioria dos países da ex- União Soviética , é uma substância controlada porque é usada na fabricação de anfetaminas .
O fósforo monoclínico ou fósforo púrpura também é conhecido pelo nome de fósforo metálico Hittorf . Em 1865, Hittorf aqueceu o fósforo vermelho a 530 ° C em um tubo selado. A parte superior do tubo foi mantida a 444 ° C . Cristais monoclínicos opacos brilhantes sublimados . O fósforo violeta também pode ser preparado dissolvendo o fósforo branco em chumbo fundido, a mistura sendo inserida em um tubo selado a 500 ° C por 18 horas. Ao permitir o resfriamento lento, a forma alotrópica de Hittorf se cristaliza. Os cristais podem ser revelados dissolvendo o chumbo em uma solução diluída de ácido nítrico e fervendo em uma solução concentrada de ácido clorídrico . Em 1865, Hittorf descobriu que quando o fósforo é recristalizado de chumbo fundido, uma forma roxa / violeta é obtida. Essa forma é às vezes chamada de fósforo de Hittorf . Além disso, existe uma forma fibrosa composta por gaiolas fosfóricas semelhantes.
O fósforo violeta não se inflama no ar até atingir 300 ° C e é insolúvel na maioria dos solventes . Não é atacado por álcalis e reage lentamente com os halogênios . Pode ser oxidado pelo ácido nítrico , transformando-se em ácido fosfórico .
Se aquecido em uma atmosfera de gás inerte, por exemplo nitrogênio ou dióxido de carbono , ele sublima e o vapor condensa como fósforo branco. No entanto, se for aquecido sob vácuo e o vapor se condensar rapidamente, obtém-se fósforo púrpura. Parece que o fósforo violeta é um polímero de um peso molecular relativamente elevado que, exposto ao calor, formar moléculas de P 2. No resfriamento, eles devem normalmente formar dímeros que se transformam em P 4 (isto é, fósforo branco), mas, no vácuo, eles se combinam para formar um polímero roxo.
O fósforo preto é uma forma de fósforo termodinamicamente estável em temperatura e pressão normais e é um de seus muitos alótropos. É obtido aquecendo fósforo branco sob alta pressão ( 12.000 atm ). Foi sintetizado por Percy Williams Bridgman em 1914.
Possui várias características do grafite : preto, escamoso. Ele tem uma estrutura em camadas e é um semicondutor fino com um desvio de banda aparente de 0,3 eV. Além disso, as monocamadas de fósforo preto são chamadas de fosforenos.
Para isolar camadas finas de fósforo preto, a técnica mais comum na ciência é a esfoliação mecânica. No entanto, a comunidade científica está tentando desenvolver um processo de corrosão por plasma para isolar monocamadas de fósforo preto.
O fósforo preto é um cristal ortorrômbico e é o menos reativo dos alótropos conhecidos porque tem várias cadeias circulares interconectadas. Cada átomo está ligado a três outros átomos. Em 2007, foi realizada uma síntese com catalisador metálico .
Uma das formas cristalinas do fósforo vermelho / preto é cúbica .
Em 2014, uma equipe de cientistas descobriu que esse tipo de fósforo poderia ser usado para criar circuitos eletrônicos, sendo que o objetivo principal dos pesquisadores era encontrar um elemento quase idêntico ao grafeno, mas naturalmente um semicondutor. Atualmente não sabemos se este composto pode ser usado a granel e com baixo custo, porém as pesquisas continuam e alguns testes (criação de transistores, etc.) já foram realizados.
O difósforo (P 2) só é obtido sob condições extremas (por exemplo, P 4para 1100 K . No entanto, algum progresso foi feito na criação de moléculas diatômicas em soluções homogêneas para STP , usando o complexo de metais de transição (por exemplo, com base em tungstênio e nióbio ).
O difosforoso é a forma gasosa de fósforo e forma termodinamicamente estável acima de 1200 ° C e até 2000 ° C . A dissociação do tetrafósforo (P 4) começa em temperaturas mais baixas: a porcentagem de P 2a 800 ° C é -1%. Acima de 2000 ° C , as moléculas de difósforo começam a se dissociar em fósforo atômico.
Dos nanobastões, o fósforo foi sintetizado na forma dos polímeros P 12 -.
A fase marrom-avermelhada é diferente do fósforo vermelho e também é estável no ar por várias semanas. As observações feitas em um microscópio eletrônico mostraram que a forma vermelho-marrom contém longos nanobastões paralelos com um diâmetro variando de 0,34 nm a 0,47 nm .
Forma | Branco (α) | Branco (β) | Roxo | Preto |
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Simetria | Cúbico centrado | Triclínico | Monoclínico | Ortorrômbico |
Notação de Pearson | AP24 | mP84 | oS8 | |
Grupo espacial | I 4 3m | P 1 No.2 | P2 / c No.13 | Cmca No.64 |
Densidade | 1.828 | 1,88 | 2,36 | 2,69 |
Lacuna de banda (eV) | 2,1 | 1,5 | 0,34 | |
Índice de refração | 1.8244 | 2,6 | 2,4 |