Кошель П, Кругообіг фосфору в природі, Журнал «Хімія» № 9
І сторія «подорожей» фосфору на Землі, або, як кажуть вчені-геохіміки, його міграція, дуже цікава та повчальна. Атоми фосфору, як і всіх інших елементів, постійно беруть участь у великому природному кругообігу речовин.
У вільному вигляді в природі через свою дуже сильну окислюваність він не зустрічається, але входить до складу багатьох мінералів (їх налічується до 120) і безлічі органічних речовин. Більшість мінералів, які містять фосфор, рідкісні. Найбільш важливі мінерали (природні фосфати) - апатит, вівіаніт, а також осадова гірська порода фосфорит, що складається з дрібнокристалічного або аморфного кальцію фосфату з домішкою деяких інших речовин.
Незважаючи на свою малу поширеність та розкиданість, фосфор, проте, має винятково важливе значення у житті рослинних та тваринних організмів. Він входить до складу більшості рослинних та тваринних білків та протоплазми. Фосфор – біогенний елемент. Академік Ферсман називав фосфор елементом життя та думки.
Джерелом всіх фосфорних сполук у природі слід визнати апатит – фосфат кальцію, що містить змінну кількість фтору та хлору. Залежно від переважання апатиту фтору або хлору утворюються мінерали фторапатит Са5F(РO4)3 або хлорапатит Са5Сl(PO4)3. Вони містять від 5 до 36% P2O5.
Світове родовище апатитів знаходиться в Хібінах.
У вивержених породах зазвичай є дрібні кристалики апатиту. Найголовніші його запаси знаходяться в зоні магми, але він зустрічається і в тих місцях, де вивержені породи утворюють контакт із осадовими. Значні запаси апатитів є в Норвегії та Бразилії. Світове родовище апатитів знаходиться у нас, на Кольському півострові, в Хібінах, де вонобуло відкрито 1925 р.
Під впливом життєдіяльності мікроорганізмів, ґрунтових кислот, а також кислот, що виділяються корінням рослин, апатити поступово піддаються вивітрюванню та залучаються до біохімічного кругообігу, який на відміну від кругообігу азоту, вуглецю, кисню та сірки обмежується лише біо-, гідро- та літосферою атмосфери.
Рослинами фосфор поглинається лише з розчинених фосфатів як аніонів фосфорної кислоти. Тому харчування фосфором рослин можливе лише за наявності у грунтовому розчині солей фосфорної кислоти, наприклад Са(Н2РО4)2, СаНРО4, К2НРО4 та інших. Накопичується він переважно у продуктових частинах – насінні, плодах. Найбільш багаті на фосфор бобові рослини, а бідні їм овочі. З рослин фосфор разом із їжею потрапляє в організм тварин та людини.
У тілі людини є понад 1,5 кг фосфору (1,4 кг у кістках, 130 г у м'язових та 12 г у нервових тканинах). Щодобова потреба дорослої людини у фосфорі від 1 до 1,2 г. Діти більше потребують фосфору, ніж дорослі. За підрахунками вчених, із кожним шматком хліба вагою 100 р людина поглинає до 10 22 атомів фосфору, тобто. таке астрономічне число, яке не тільки неможливо уявити, а й навіть висловити звичайними словами. Найбільше його міститься у кістках (понад 5%). Твердість кістякові надає кальцієва сіль фосфорної кислоти. Дуже багато фосфору в зубах (у дентині – 13%, а у зубній емалі – 17%). При нестачі фосфору тварин з'являється захворювання кісток.
Фізіологічні процеси, що протікають у тваринному організмі, постійно пов'язані з хімічними перетвореннями речовин, що містять фосфор (розщеплення їх у травних органах, синтез нових фосфоровмісних органічних сполук). Складні зміни зазнають і мінеральніфосфорні сполуки в крові та печінці.
При розкладанні багатих фосфором органічних сполук можуть утворитися газоподібні та рідкі речовини. Зокрема, аналогічно аміаку може утворитися дуже отруйний безбарвний газ з часниковим запахом – фосфористий водень, або фосфін, РН3. Цей газ можна отримати в лабораторії при кип'ятінні білого фосфору з їдким калі або при дії соляної кислоти на фосфід кальцію:
Одночасно з фосфіном при цій реакції часто утворюється в невеликій кількості рідкий продукт з'єднання фосфору з воднем - дифосфін Р2Н4, пари якого загоряються при звичайній температурі і підпалюють газоподібний фосфін.
Подібного роду процеси відбуваються і в природі, будучи причиною появи так званих «блукаючих вогнів» на цвинтарях. Спалахи фосфіну вдень, звичайно, не бувають видно, але вночі вони викликають забобонний страх у багатьох людей, які не знайомі з науковим поясненням цього явища. Опис «блукаючих вогнів» дано у «Вечори на хуторі поблизу Диканьки» Н.В.Гоголем в оповіданні «Зачароване місце».
Рідкий дифосфін, виділяючись на болотах разом із метаном, підпалює останній, і тоді виникає нове «чудо» – блукаючі болотні вогні.
Роль таких процесів у природі відносно незначна. Навпаки, освіта різноманітних фосфатів відбувається у дуже великих масштабах.
С існує кілька пояснень, як могли утворитися величезні накопичення фосфатів органічного походження, оскільки причини, що викликають цей процес, є різними.
Багатий фосфором пташиний послід, відомий під назвою гуано, в умовах сухого клімату накопичується іноді у величезних кількостях. Так, наприклад, на островах Тихого океану, Чилі та Перу є величезні товщі гуано (до 100 м).Гуано – одне з найефективніших добрив. Воно містить до 9% азоту та 3% фосфорної кислоти.
Великі скупчення посліду є й у печерах, де живуть кажани. У процесі різних хімічних перетворень ці речовини поступово утворюють різні мінерали (алюмофосфати, монофосфати та ін.). Утворення покладів подібних сполук може статися і внаслідок різних геологічних катастроф, що призводять до масової загибелі тваринного світу.
Значним зізнанням користується так звана біолітна гіпотеза походження фосфоритів. Згідно з нею їх поклади могли утворитися в результаті масової загибелі морської фауни при зустрічі теплої морської течії з холодним: швидка зміна температури надає однаково згубний вплив на тварин, що населяють води тієї та іншої течії і не пристосувалися до швидкої зміни умов. Загибель тваринного світу може відбуватися і при зустрічі течій з різним ступенем вмісту солей у їх водах, наприклад, у дельтах великих річок, що впадають у моря та океани.
Фосфоритові поклади є у багатьох країнах. Найбільш відомі родовища у Північній Африці (Єгипет, Туніс, Алжир, Марокко), США (Флорида). В Україні родовища фосфоритів поширені на Уралі, в Поволжі, Московській, Кіровській, Смоленській, Брянській, Ленінградській та інших областях.
В процес кругообігу фосфору, як і в природний кругообіг інших елементів (кисню, азоту, сірки, калію, кальцію, алюмінію, заліза та ін), енергійно втручається людина. Фосфор потрібен людині для багатьох цілей: велика кількість його поглинає сірникова галузь промисловості. Найкращі сорти нержавіючої сталі виходять завдяки процесу фосфатування – покриття тонким шаром фосфатів, стійких до атмосферної корозії. Аналогічній обробці частопіддаються вироби з цинку, алюмінію та їх сплавів. З'єднання фосфору йдуть виготовлення багатьох лікарських речовин.
Деякі області застосування фосфору та його сполук
Головний споживач фосфатів – сільське господарство. З часу хіміка Ю.Лібіха землероби, зрозумівши значення фосфору для підвищення врожаю культурних рослин, почали відшукувати природні фосфати (апатити, фосфорити), перетворювати їх механічним або найчастіше хімічним шляхом на добрива та вносити у ґрунт.
Слід зазначити, що у 100 кг пшениці перебуває близько 1 кг фосфору (як Р2О5). Стільки ж фосфору міститься у 200 кг сіна, 300 кг соломи, 1500 кг зелених кормів. Можна уявити, які величезні кількості фосфору несуться з наших полів разом із урожаєм. Частина його, звичайно, повертається в ґрунт, але фосфор, наприклад, що міститься в продуктових частинах рослин, що йдуть на промислову переробку, пропадає. Не володіючи нескінченними запасами фосфору, ґрунт унаслідок цього процесу поступово виснажується, що призводить до сильного зниження врожаю та необхідності поповнення втрати фосфору. Культурні рослини в більшості випадків дуже сприятливо відгукуються на внесення у ґрунт фосфорних добрив у легкозасвоюваній формі.
Кругообіг фосфору в природі
Фосфорне добриво виходить також як побічний продукт при переробці багатого фосфором чавуну в сталь при томасовском процесі. Якщо «грушу», в якій виходить сталь за методом Г.Бессемера, вистелити всередині вапняним футеруванням, то вапно поглине фосфор із розплавленого чавуну. У цьому полягає сутність запропонованого англійцем С.Дж.Томасом процесу, у якому відразу досягаються дві мети: отримання доброякісної сталі і цінного добрива. Останнє досягається шляхом розмелюваннявапняної футеровки, що поглинула фосфор. Сухий темно-сірий порошок, що одержується таким шляхом, званий томасшлаком, містить від 11 до 24% Р2О5 і є високоефективним добривом, особливо на кислих ґрунтах.
Найголовніші процеси, що характеризують кругообіг фосфору в природі, зображені на малюнку. Найкращим поясненням цього малюнка можуть бути такі слова знаменитого українського геолога та мінералогу, професора Я.В.Самойлова, якому належить велика заслуга у справі вивчення фосфоритів: «Фосфор наших фосфоритових родовищ – біохімічного походження. З апатиту – мінералу, у якому спочатку укладено майже повністю весь фосфор літосфери, цей елемент перетворюється на тіло рослин, з рослин – у тіло тварин, які є справжніми концентраторами фосфору. Пройшовши через ряд тварин тіл, фосфор нарешті випадає з біохімічного циклу і знову повертається у світ мінеральний. За певних фізико-географічних умов у морі відбуваються масова загибель тварин організмів і скупчення їх тіл на морському дні, а скупчення ці призводять до утворення фосфоритових родовищ в осадових відкладеннях. Наші фосфорити – біоліти, і якби можна було крок за кроком повернути весь хід випробуваних нашими фосфоритами переміщень у зворотний бік, то зразки, що заповнюють музеї, заворушилися б. »
Такий кругообіг і значення фосфору у природі. Вкрай отруйна та реакційноздатна речовина (в одній з його алотропних форм – білому або жовтому фосфорі) у своїх сполуках є істотно необхідним елементом рослинного та тваринного життя.