זרחן

גופרית - זרחן - צורן   N P As       הטבלה המחזורית
כללי
מספר אטומי	15
סמל כימי	P
סדרה כימית	אל מתכת
צפיפות	1823 kg/m3
מראה	שחור/סגול/ אדום/צהוב/ לבן כסוף
תכונות אטומיות
משקל אטומי	30.973761 amu
רדיוס ואן דר ואלס	180 pm
סידור אלקטרונים ברמות אנרגיה	2, 8, 5
תכונות פיזיקליות
מצב צבירה בטמפ' החדר	מוצק
טמפרטורת התכה	317.35K (44.2°C)
טמפרטורת רתיחה	550.15K (277°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 תרמית	0.235 W/(m·K)
אנרגיית יינון ראשונה	1011.8 kJ/mol

זרחן (Phosphorus, מיוונית: phôs = אור + phoros = נושא , כלומר: נושא או אוחז אור) הוא יסוד כימי אל-מתכתי שסמלו P ומספרו האטומי 15.

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

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 אשר כל אחד מהם קשור לשלושת האחרים בקשר קוולנטי במבנה טטראדרלי, והיא מסומלת כ-P₄. לזרחן בצורה זו צבע לבן, מרקם דמוי שעווה וריח לא נעים. אל מתכת זו לא מסיסה במים, אך היא מסיסה בפחמן דו גופרתי (CS₂) ובבנזן. זרחן לבן ניצת ספונטנית באוויר והופך לP₂O₅ ולכן משמש לייצור פצצות זרחן כדי לשמור עליו יש לאכסנו במים. הזרחן הלבן הוא האלוטרופ היציב ושאר הצורות יהפכו לזרחן לבן בחימום. 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 מבחינה כימית של זרחן.

זרחן אדום

צורה אמורפית של זרחן מכנראה נוצרת מפתיחה חלקית ופלמור של טטראדרות הP₄ שבזרחן הלבן. החומר מופק מחימום זרחן לבן בכלי אטום ל400°C. מבחינת פעילותו הכימית הוא מייצג מצב ביניים בין זרחן לבן לשחור.

שימושים

חומצה זרחתית (H₃PO₄) שמורכבת מ70%-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 ו1% זרחן. הזרחן מוסף לאחר התכת המתכת ומוסיף תכונות ייחודיות כגון קשיחות וכוח.
• Na₃PO₄ משמש כחומר מרכך בחומרי ניקוי ובתור מונע קורוזיה (חימצון).
• 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.

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 שאדיי 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 הנמוכה ודליקותו הנמוכה יחסית.

צורה בטבע

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

תפקיד ביולוגי

זרחן הוא יסוד חיוני כמעט לכל צורות החיים הידועות. זרחן אי אורגני בצורת יוני זרחה (PO₄^3-) הינם חיוניים לחיים ומופיעים ברוב היצורים החיים. האדם צורך יוני זרחה דרך המזון שאותו הוא אוכל; הללו מצויים למכביר בבשר, ביצים, אגוזים, זרעים שונים ודגנים מלאים. 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 שמשפעלים אנזימים. בשנת 2010, מחקר אסטרוביולוגי במימון נאס"א גילה מיקרואורגניזם המשתמש ביסוד הרעיל ארסן, במקום בזרחן המשמש את שאר עולם החי.

אמצעי זהירות

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

אמצעי לחימה

בניגוד למיתוס המקובל, זרחן איננו אמצעי לחימה אסור על פי אמנת ז'נבה, והוא מותר בשימוש. בניגוד לחומרים כימיים שאסורים משום שהם נועדו לפעול על מערכות חיים, הזרחן הוא יסוד שמגיב לחמצן על ידי שריפה, ולכן אינו שונה מחומרי בעירה אחרים בהם משתמשים במלחמה, וכמוהם אסור לשימוש רק בלוחמה בסביבה אזרחית.

קישורים חיצוניים

• זרחן בWebelements (באנגלית)
• הרעלת זרחן לבן (באנגלית)
• מאמר על ההסטוריה של גילוי הזרחן ב- Chemistry in Action (באנגלית)