Светоносец

15. Фосфор — Phosphorus (P)

В темной комнате или ночью на улице попробуйте сделать такой простой опыт. Не очень сильно, так, чтобы не загорелась спичка, чиркните ею по спичечной коробке. Вы заметите, что некоторое время на терке будет виден светящийся путь от спички. Это светится белый фосфор. Но каждый, кто помнит уроки химии средней школы, может сказать: «Позвольте, в производстве спичек применяется красный, а не белый фосфор». Правильно! В терке спичечной коробки белого фосфора нет, есть красный, который в результате реакции, происходящей между красным фосфором, находящимся на поверхности спичечной коробки, и бертолетовой солью, заключенной в спичечной головке, в момент трения нагревается и в небольшом количестве переходит в белый.

Фосфор может существовать в нескольких формах, или, как говорят, в нескольких модификациях.

Белый фосфор — твердое кристаллическое вещество, причем в химически чистом виде кристаллы белого фосфора совершенно бесцветны, прозрачны и очень хорошо преломляют свет. На свету они быстро желтеют и утрачивают прозрачность. Поэтому в обычных условиях фосфор внешне очень похож на воск, но тяжелее его (плотность белого фосфора 1,84). На холоду фосфор хрупок, но при комнатной температуре сравнительно мягок и легко режется ножом. При 44 °C белый фосфор плавится, а при 280,5 °C кипит. Белый фосфор, окисляясь кислородом воздуха, светится в темноте и легко воспламеняется при слабом нагревании, например от трения.

Температура воспламенения совершенно сухого и чистого фосфора близка к температуре человеческого тела. Поэтому его хранят только под водой. В первую мировую войну белый фосфор использовался в качестве зажигательного материала в артиллерийских снарядах, авиационных бомбах, гранатах, пулях.

Окисление фосфора на воздухе с выделением световой энергии явилось темой для возникновения многочисленных фантастический историй. Вот, например, отрывок одной из них: «Да! Это была собака, огромная, черная, как смоль. Но такой собаки еще никто из нас, смертных, не видывал. Из ее отверстой пасти вырывалось пламя, глаза метали искры, по морде и загривку переливался мерцающий огонь. Ни в чьем воспаленном мозгу не могло бы возникнуть видение более страшное, более омерзительное, чем это адское существо, выскочившее на нас из тумана». Так описывает Конан-Дойль встречу с необыкновенной собакой на болоте в повести «Собака Баскервилей». Далее автор дает описание убитой собаки: «…страшный пес, величиной с молодую львицу. Его огромная пасть все еще светилась голубоватым пламенем, глубоко сидящие дикие глаза были обведены огненными кругами. Я дотронулся до этой светящейся головы и, отняв руку, увидел, что мои пальцы тоже засветились в темноте.

Фосфор, — сказал я».

Эта история неправдоподобна. Дело в том, что шерсть собаки могла бы светиться при наличии на ней частиц фосфора. Но фосфор — твердое вещество, и чтобы распылить его на шерсти или на каком-либо ином материале, существует только один способ: смазывание летучей жидкостью, содержащей в себе фосфор в растворенном виде. При испарении такой жидкости (хлороформ, сероуглерод) фосфор выделится в виде тончайшего порошка. Однако мелко распыленный фосфор на воздухе энергично окисляется, и выделяющееся тепло воспламеняет его, так что нанести фосфор на шерсть собаки, чтобы она продолжительно светилась, нельзя.

Фосфор — один из сильнейших ядов. Одна десятая доля грамма фосфора уже смертельная для человека. С другой стороны, фосфор — составная часть животного организма, без него животные и человек существовать не могут. Недостаток фосфора в организме вызывает задержку роста, слабость, прогрессивное исхудание и смерть. Прибавление же к пище растущих животных незначительных количеств фосфора (0,00015 г в день) ведет к улучшению аппетита, увеличению веса, числа красных кровяных шариков (эритроцитов), росту и уплотнению костей. Основная масса фосфора в организмах животных и человека содержится в костях. Соединения фосфора входят также в состав мозга, нервов, крови. Общее количество фосфора в организме человека достигает 500 г. Этим количеством свободного фосфора могут смертельно отравиться 5000 человек, и это же количество фосфора необходимо для нормального существования одного человека.

В поисках эликсира молодости и попытках получения золота алхимик XVII столетия Геннинг Бранд из Гамбурга пытался изготовить «философский камень» из мочи. Для этой цели он выпарил большое количество ее и полученный после упаривания сиропообразный остаток подверг сильному прокаливанию в смеси с песком и древесным углем без доступа воздуха.

В результате Бранд получил вещество, обладающее необыкновенными свойствами: оно светилось в темноте; брошенное в кипящую воду, выделяло пары, загоравшиеся на воздухе с выделением густого белого дыма, растворявшегося в воде с образованием кислоты.

Интерес к новому веществу был огромный, и Бранд надеялся извлечь из своего открытия изрядную прибыль: недаром он был в прошлом гамбургским купцом. Сохраняя способ изготовления в строжайшей тайне, Бранд показывал новое вещество за деньги, а желающим продавал его небольшими порциями только за чистое золото. Спустя некоторое время Бранд продал также и секрет изготовления фосфора дрезденскому химику Крафту, который, подобно Бранду, стал ездить по дворцам влиятельных особ, показывая фосфор за деньги, наживая огромное состояние. В частности, на опыты Крафта при дворе герцога Иоганна Фридриха в Ганновере обратил внимание известный немецкий философ и математик Лейбниц, служивший тогда при дворе герцога в должности библиотекаря. Согласно свидетельству Лейбница, немецкий химик, профессор Виттенбергского университета Иоганн Кункель узнал через Крафта рецепт изготовления фосфора и после ряда неудач, видоизменив способ Бранда, сумел получить фосфор, заявив претензию на самостоятельность открытия. Каспар Кирхмейер, тоже профессор Виттенбергского университета, взяв у Кункеля сведения о новом способе получения фосфора, опубликовал статью под длинным и интригующим названием: «Постоянный ночной светильник, иногда сверкающий, который долго искали, ныне найденный». В этой статье впервые сообщались некоторые свойства и особенности фосфора.

Независимо от Бранда, Кункеля и Кирхмейера в Англии в 1680 г. фосфор был получен Бойлем. Бойль посвятил в открытие своего ассистента Гауквица, который, как и его предшественники, старался из этого извлечь для себя выгоду. Однако это в полной мере удалось осуществить Гауквицу только после смерти Бойля. Развернув производство фосфора в коммерческом масштабе, Гауквиц нажил огромное состояние на продаже фосфора отдельным ученым и научным учреждениям Европы. В 1743 г. химик А. Марграф нашел более совершенный способ получения фосфора и опубликовал свои данные для всеобщего сведения. Открывшаяся возможность каждому желающему приготовить «собственный» фосфор свела на нет «фосфорную спекуляцию».

Но фосфор стал объектом интереса только узкого круга химиков и ученых. За способность светиться в темноте фосфор и получил свое название, составленное из двух греческих слов: «фос» — свет и «феро» — несу. Буквально «фосфор» — светоносец. Некоторые русские химики предлагали ввести в науку чисто русские названия для фосфора, вроде «светлец», «самосвет» и др., но эти «имена» не получили распространения.

После открытия фосфора его способность светиться в темноте была вновь использована, но для других целей. На этот раз фосфором стали промышлять представители религиозных культов. Рецепты использования фосфора были самые разнообразные. Например, в расплавленный, но уже загустевший воск или парафин добавляли небольшое количество белого фосфора. Из полученной смеси формовали карандаши, которыми делали надписи на стенах храмов и иконах. Ночью были видны «таинственные надписи». Фосфор, медленно окисляясь, светился, а парафин, защищая его от быстрого окисления, увеличивал продолжительность явления. Растворяли белый фосфор в бензоле или сероуглероде. Полученным раствором смачивали фитили свечей или лампад. После испарения растворителя белый фосфор загорался, а от него воспламенялся фитиль. Так фабриковалось «чудо», именуемое «самовоспламенением свечей».

Фосфор в природе в свободном состоянии не встречается. Однако, относясь к числу широко распространенных элементов (на долю фосфора приходится 0,04 % от общего числа атомов земной коры), он образует скопления минералов — фосфорита и апатита. В 1926 г. академик А. Е. Ферсман и Л. Н. Лабунцов открыли на Кольском полуострове богатейшие месторождения апатита. Разработка этих месторождений началась по инициативе С. М. Кирова. Фосфор необходим для жизни растений. Апатиты, найденные на Кольском полуострове, представляют собой неисчерпаемые запасы сырья для производства фосфорных удобрений.

Некоторые соединения фосфора — фитин, глицерофосфат и др. — используются в медицине как лекарства, укрепляющие нервную, мышечную и костную системы.

Основным потребителем фосфора является спичечная промышленность. Спички — сравнительно «молодое» изобретение. Недавно ему исполнилось 150 лет. Кремень, огниво и трут, изготовлявшийся из особого вида гриба, применялись еще в начале XIX в. Впервые спички появились в 1805 г., когда Шансель предложил свое изобретение. Спички Шанселя представляли собой маленькие сухие лучинки, один конец которых был покрыт смесью бертолетовой соли и гуммиарабика. Спички зажигались путем погружения спичечной головки в пузырек, содержавший асбест, смоченный серной кислотой. Спички Шанселя усовершенствовал Джонс из Лондона. В новых спичках головка состояла из крохотного стеклянного пузырька с каплей серной кислоты, обмазанного смесью бертолетовой соли, сахара и клея. К спичкам прилагались щипцы-пинцет, которыми раздавливался пузырек-головка. Сама «спичка» состояла из легко воспламенявшегося картона. Под названием «дьявольских», спички Джонса были предметом роскоши у состоятельных особ и светских щеголей.

Аптекарь Вокер в Англии в 1826 г. изобрел спички, головки которых содержали смесь бертолетовой соли, сернистой сурьмы и клея. Для зажигания таких спичек прилагалась стеклянная шкурка. При трении головки о шкурку спичка воспламенялась. Французский студент Шарль Сориа, воспользовавшись идеей аптекаря Вокера (зажигание путем трения), заменил состав смеси белым фосфором. Для зажигания таких спичек достаточно было энергично «чиркнуть» о любую твердую поверхность. При этом часто использовали для этой цели подошвы ботинок. Большая огнеопасность и ядовитость белого фосфора делали спички Сориа малопрактичными. Они часто являлись причиной то пожаров, то умышленных отравлений. Постепенное совершенствование фосфорных спичек привело к изобретению в Швеции «безопасных» спичек. Новые «безопасные», или «шведские», спички получили широкое распространение в быту. В головке шведских спичек нет белого фосфора. Красный фосфор нанесен на бумагу, приклеенную к спичечной коробке.

Красный фосфор в противоположность белому, или желтому, как его иногда называют, не ядовит, на воздухе не окисляется, в темноте не светится, в сероуглероде не растворяется и загорается только при 260 °C. Красный фосфор получается из белого путем длительного нагревания без доступа воздуха при 250–300 °C.

При очень больших давлениях красный фосфор переходит в новую модификацию — черный фосфор. Под руководством известного советского ученого Л. Ф. Верещагина полученный черный фосфор был обстоятельно исследован при разных условиях. Выяснено, что при давлении в 40 000 кг/см² образующаяся черная модификация фосфора имеет признаки металла (металлический блеск) и является полупроводником, а при дальнейшем увеличении давления до 100 000 кг/см² черный фосфор приобретает металлический характер, как это установила Е. В. Зубова, изучая его электропроводность.

В результате облучения алюминия альфа-частицами был получен радиоактивный изотоп фосфора (Р³⁰). Радиофосфор оказался первым искусственно созданным «радиоэлементом». Радиоактивные элементы успешно применяются в различных областях науки и техники как чувствительные индикаторы при разнообразных исследованиях.

Фосфор является нежелательной примесью в металлических сплавах (фосфор делает их ломкими). Однако его добавляют в некоторые сплавы для заполнения отливаемой формы, так как фосфор сообщает сплаву способность хорошо заполнять самую сложную форму.

Статуи, художественные решетки и ограды, барельефы, некоторые украшения в метрополитене отлиты из фосфористой бронзы или фосфористого чугуна. Знаменитое художественное литье каслинских мастеров (Урал) готовится также из фосфористого чугуна. Хотя металл, содержащий фосфор, не очень прочен, он хрупок, но его вполне можно применять для изготовления художественных изделий.

Одним из интересных соединений фосфора является газообразный фосфористый водород, особенность которого состоит в том, что он легко воспламеняется на воздухе. Его поджигает самовоспламеняющийся жидкий фосфористый водород, который образуется обычно вместе с газообразным. Это свойство фосфористого водорода объясняет появление болотных, блуждающих или могильных огней. Огни на болотах и свежих могилах действительно бывают. Это не фантазия и не выдумка. В теплые темные ночи на свежих могилах иногда наблюдаются бледно-голубоватые, слабо мерцающие огоньки. Это «горит» фосфористый водород. Образуется фосфористый водород при гниении отмерших растительных и животных организмов. Фосфорные соединения, входящие в состав трупов животных и человека, под действием грунтовых вод разлагаются с образованием фосфористого водорода. При рыхлой насыпи над могилой или небольшом слое воды в болоте газ, выйдя на поверхность, воспламеняется от паров жидкого фосфористого водорода. Таким образом, огни на могилах и болотах — не «чудо», не следы таинственных духов, не привидения, не признак святости или греховности умершего, а результат химической реакции. Исследованием блуждающих огней занимались многие ученые. Их наблюдал известный немецкий астроном Фридрих Вильгельм Бессель. Их изучали киевский профессор Кнорре, австрийский исследователь Лист и др. И не случайно мы задержали внимание читателя на блуждающих огнях. Слишком много легенд, предрассудков, грубого суеверия связывалось в прошлом, а кое-где и в настоящем, с появлением огней над болотами и на кладбищах.

Авторы приключенческих произведений также описывают «таинственные» явления, происходящие с фосфором и его соединениями. «Крыша в хижине была худая, с потолка падали дождевые капли, но в очаге слабо мерцало голубоватое пламя … концы хвороста тлели голубоватым огнем. О фосфоре, воспламеняющемся от воды, они не вспомнили, им было не до химии…» (Р. А. Штильмарк. Наследники из Калькутты). Очевидно и автору «было не до химии», ибо белый фосфор, склонный к самовоспламенению, хранят именно под водой.