זרחן

זרחן (Phosphorus, מיוונית: Φώσ = אור + φορος = נושא, כלומר: נושא/אוחז אור) הוא יסוד כימי אל-מתכתי שסמלו הכימי P ומספרו האטומי 15.

זרחן

גופרית - זרחן - צורן
N P As       15 P                                                                                                                                                                                                                                                                                           הטבלה המחזורית
נתונים בסיסיים
מספר אטומי	15
סמל כימי	P
סדרה כימית	אל מתכת
מראה
שחור, סגול, אדום, צהוב/ לבן כסוף
תכונות אטומיות
משקל אטומי	30.973761 u
רדיוס ואן דר ואלס	180 pm
סידור אלקטרונים ברמות אנרגיה	2, 8, 5
קונפיגורציה אלקטרונית	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³
דרגות חמצון	−3, 2, 3, 4, 1, −2, −1, 5
תכונות פיזיקליות
צפיפות	1,823 kg/m3
מצב צבירה בטמפ' החדר	מוצק
נקודת רתיחה	550.15K (277°C)
נקודת התכה	317.35K (44.2°C)
לחץ אדים	20.8Pa ב-294K
שונות
אלקטרושליליות	2.19
קיבול חום סגולי	769 J/(kg·K)
מוליכות חשמלית	1.0 $\ 10^{-9}$/m·Ω
מוליכות חום	0.235 W/(m·K)
אנרגיית יינון ראשונה	1011.8 kJ/mol
היסטוריה
מגלה	הניג בראנד
תאריך גילוי	1669
נקרא על שם	פוספורוס

זרחן הוא מינרל חשוב, השני בתפוצתו בגוף האדם אחרי הסידן. משתתף בעיקר ביצירת קומפלקסים עם סידן וכחלק מתרכובות נושאות אנרגיה בגוף האדם. מופיע גם במבנה ה-DNA, בממברנות ועוד.

תכונות

לזרחן שלוש צורות אלטרופיות: זרחן לבן (או צהוב), זרחן אדום וזרחן שחור (או סגול):

זרחן לבן

מולקולת הזרחן במצב זה בנויה מארבעה אטומי זרחן כשכל אחד קשור לשלושת האחרים בקשר קוולנטי במבנה ארבעוני, ומסומלת P₄. לזרחן בצורה זו צבע לבן, מרקם דמוי שעווה וריח לא נעים. אל-מתכת זו לא מסיסה במים, אך היא מסיסה בפחמן דו-גופרי (CS₂) ובבנזן. זרחן לבן ניצת ספונטנית באוויר והופך לP₂O₅ ולכן משמש לייצור פצצות זרחן. כדי לשמור עליו יש לאחסנו במים. פרט לחמצן, זרחן לבן יגיב גם עם הלוגנים והתוצר יהיה PX₃ כאשר X הוא אטום הלוגן; עם מתכות לקבלת פוספידים כדוגמת Na₃P ; עם גפרית לתת תרכובות כ P₄S_n כשמספר אטומי הגפרית n יכול להיות 3, 5, 7, או 10. בתמיסה בסיסית ברתיחה יתקבל PH₃.

זרחן שחור

מתקבל מחימום זרחן לבן תחת לחץ גבוה. דומה לגרפיט ובנוי מלוחות כפולים במבנה גבישי אורתורומבי. זוהי הצורה הפחות פעילה כימית של היסוד.

זרחן אדום

צורה אמורפית של זרחן שכנראה נוצרת מפתיחה חלקית ופלמור של ארבעוני ה-P₄ שבזרחן הלבן. החומר מופק מחימום זרחן לבן בכלי אטום ל-400°C. מבחינת פעילותו הכימית הוא מייצג מצב ביניים בין זרחן לבן לשחור.

שימושים

חומצה זרחתית (H₃PO₄) שמורכבת מ-70%-75% P₂O₅ חשיבות רבה בחקלאות בתור דשן. ביקוש לדשנים הגדיל את הייצור של פוספטים (PO₄^3-) במחצית השנייה של המאה ה-20. שימושים נוספים:

• לפוספטים שימוש בייצור זכוכית מיוחדת למנורות נתרן.
• לסידן זרחתי שימוש בייצור חרסינה.
• זרחן חשוב בייצור סגסוגת שמכילה נחושת, 3.5%-10% בדיל ו-1% זרחן. הזרחן מוסף לאחר התכת המתכת ומוסיף תכונות ייחודיות כגון קשיחות וכוח.
• Na₃PO₄ משמש כחומר מרכך בחומרי ניקוי ובתור מונע קורוזיה (חמצון).
• לזרחן לבן שימושים ביישומים צבאיים בתור חומר הצתה לפצצות (ובכלל זה פצצת זרחן) ורימוני עשן.
• זרחן אדום הוא חומר הכרחי בייצור גפרורים.
• זרחן אדום משמש בתהליך הייצור של מתאמפטמינים.
• לזרחן שימושים בתחום המוליכים למחצה.
• לזרחן שימוש נרחב בפירוטכניקה.
• ייצור קוטלי חרקים, משחות שיניים ודטרגנטים.
• בתעשיית המזון, הוספת זרחן לגבינה ולבשר קפוא מסייעת לשמור על מרקם רך ועסיסי. כמו כן מוסיפים זרחן למשחת שיניים, מסיבות דומות. ב-2017 עלתה הצעה לאסור על הוספת זרחן לשווארמה במדינות האיחוד האירופי, בטענה שצריכת זרחן גבוהה מעלה את הסיכוי למחלות של מערכת הדם. ההצעה לא עברה, אולם סוכנות המזון האירופי הודיעה שתמשיך לחקור את נושא הזרחן במזון.

היסטוריה

הזרחן נתגלה ב־1669 על ידי אלכימאי גרמני בשם הנינג בראנד. כשעבד בהמבורג הוא ניסה לזקק מלחים משתן בעזרת אידוי. בתהליך זה הוא הפיק חומר לבן שזהר בחושך ונדלק בקלות. מאז, המילה "זרחורנות" משמשת לתיאור חומר שזוהר בחושך בלי לבעור. בגפרורים הראשונים השתמשו בזרחן לבן שהיה מסוכן ורעיל. רוצחים ומתאבדים השתמשו בזרחן לבן, וגם כמה מקרי הרעלה קרו כתוצאה משימוש בו (סיפור מפוקפק מספר שאישה ניסתה לרצוח את בעלה בעזרת זרחן לבן והתגלתה בגלל שאדי התבשיל שהכינה זהרו בחושך). חשיפה לאדים במפעל ייצור לגפרורים גרם לעובדים לקבל נמקים של עצמות הלסת. כשהזרחן האדום התגלה, הוא החליף את הזרחן הלבן בייצור גפרורים בזכות רעילותו ודליקותו הנמוכות יחסית.

צורה בטבע

הזרחן כמעט ואינו מצוי בצורה טהורה; הוא מופיע בדרך-כלל בצורת יון זרחה. מלחים המכילים יון זה (והמכונים פוספטים) הם מהמחצבים הנכרים ביותר בעולם, ומשמשים רבות בתעשייה ובחקלאות.

תפקיד ביולוגי

זרחן הוא יסוד חיוני כמעט לכל צורות החיים הידועות. זרחן אי אורגני בצורת יוני זרחה (PO₄^3-) הוא חיוני לחיים ומופיע ברוב היצורים החיים. יון הזרחה הוא חלק ממולקולת ה-DNA וה-RNA. תאים חיים משתמשים בתרכובת הזרחן ATP על מנת להפיק אנרגיה. פוספוליפידים הם המרכיבים העיקריים של קרום התא. הזרחן חיוני בתהליך העברת האותות בין חלבונים בתא, והוא אחד מהגורמים המשפעלים אנזימים. הגם שהזרחן נחוץ לבריאות האדם, עודף בו עלול לגרום לבריחת סידן ולנזק בריאותי.

בשנת 2010, מחקר אסטרוביולוגי במימון נאס"א גילה מיקרואורגניזם המשתמש ביסוד הרעיל ארסן, במקום בזרחן המשמש את שאר עולם החי, אם כי מאוחר יותר (2012) התגלו עדויות סותרות.

האדם צורך יוני זרחן דרך המזון אותו הוא אוכל; הללו מצויים למכביר בבשר, ביצים, אגוזים, זרעים שונים ודגנים מלאים. משקאות מוגזים מכילים חומצה זרחתית, שמחזקת את תחושת העקצוץ בפה, אשר נגרמת מהפחמן הדו-חמצני.

אמצעי זהירות

הגם שפוספטים הם חומרים מזינים, מנה מזוקקת של 50 מ"ג זרחן לבן נחשבת קטלנית (זרחן לבן רעיל יותר מזרחן שחור ואדום). זרחן לבן צריך להישמר מתחת למים בכל זמן מכיוון שכשנחשף לחמצן אטמוספירי הוא בוער. כמו כן לא רצוי לגעת בו בידיים חשופות מכיוון שהוא יכול לגרום לכוויות בעור. זיהום מתרחש כאשר זבל כימי המכיל זרחן או דטרגנטים מחלחלים למי תהום.

אמצעי לחימה

פצצות זרחן ידועות גם בשם עשן מתפוצץ, קיימות בתור פגזים או פצמ"ר. פצצות אלו יכולות ליצור עשן סמיך לאורך זמן ומשתמשים בהן למיסוך תנועה של כוחות יבשה. בנוסף פגיעה ישירה של הזרחן יכולה לגרום לכוויות חמורות ואופייניות.

בעוד ששימוש בפצצות זרחן כנגד לוחמי האויב מותר, שימוש בפצצות אלו כנגד אלו המוגנים באמנת ז'נבה הרביעית נאסר בהתאם לאמנת ז'נבה ובהתאם לאמנה על כלי נשק קונבנציונליים מסוימים. בכך אינו שונה מחומרי בעירה אחרים בהם משתמשים במלחמה, וכמוהם אסור לשימוש רק בלוחמה בסביבה אזרחית.^{[דרוש מקור]}

קישורים חיצוניים

• זרחן בWebelements (באנגלית)
• הרעלת זרחן לבן (באנגלית)
• מאמר על ההיסטוריה של גילוי הזרחן ב- Chemistry in Action (באנגלית)
• דר. משה נחמני, ‏זרחן שחור כבסיס לרכיבי אלקטרוניקה, באתר "הידען", 15 ביוני 2015