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En la tabla periódica de los elementos químicos, el fósforo tiene como símbolo P y el número atómico 15. Su masa atómica es de 30,973 761 998 u. Este elemento químico pertenece a la familia de los pnictógenos. Es un elemento no metálico e inexistente en estado puro en la naturaleza. Generalmente, se presenta en estado insoluble en forma de fosfatos de hierro, de calcio o de aluminio.
Es indispensable para toda forma de vida, animal o vegetal. El fósforo es fundamental para la agricultura. De hecho, representa el quinto elemento más abundante en biología después del oxígeno, el hidrógeno, el nitrógeno y el carbono. Por eso, según la ONU y los científicos, el fósforo figura entre las materias primas minerales más críticas para la economía europea. Es por lo tanto primordial disminuir su consumo y saber cómo tratarlo para una nueva utilización.
El fósforo puro existe en forma de varios estados y de colores diferentes (blanco, rojo y negro), pero se distinguen por su estructura cristalina.
Etimológicamente, la palabra fósforo viene del griego « phos » y « pherein » que significan respectivamente luz y llevar. Por lo tanto, puede definirse como un « portador de luz ». Este nombre es también el del planeta Venus para los griegos. Esta denominación fue elegida porque el fósforo blanco emite luz visible en la oscuridad cuando está expuesto al aire. Este fenómeno se llama fosforescencia. El fósforo figura entre los elementos considerados como materias primas minerales críticas para la economía. Es importante en la vida de todo ser vivo, sin embargo, puede encontrarse en escasez en algunos años. Por eso es necesario encontrar rápidamente una solución para reducir su consumo y proceder a su reciclaje.
El alquimista alemán Hennig Brandt descubrió el fósforo gracias a la orina en 1669. Inicialmente, estaba buscando la piedra filosofal que tendría la propiedad de modificar ciertos metales imperfectos en metales preciosos (en oro o en plata). Por lo tanto, destiló en una orina humana estos metales defectuosos y obtuvo algunos residuos sólidos. En estos residuos, aparecen pequeños cristales blancos que brillan en la oscuridad. También son ardientes cuando emiten una luz cegadora. El fósforo fue identificado en ese momento. Pero en esa época, todavía no había sido reconocido como un elemento químico que constituye la clasificación periódica.
Luego, Brandt envió una pequeña cantidad de lo que había descubierto al químico alemán Johann Kunckel. Se trata de un investigador renombrado que trabajaba en la corte del príncipe Juan Jorge II de Sajonia. Sin embargo, Brandt no le reveló cómo había creado estos pequeños cristales. A su vez, Kunckel los mostró a su amigo Kraft de Dresde. Este quedó fascinado por este espécimen. Entonces se dirigió a Hamburgo donde compró el secreto de la fabricación del fósforo a Brandt. Este último, necesitado, le entregó la fórmula a cambio del equivalente a doscientos veinticinco euros. Sin embargo, aceptó este intercambio con la condición de que Kraft de Dresde no revelara a nadie la fórmula.
Aunque era amigo de Kunckel, Kraft de Dresde no le comunicó el secreto de la fabricación del fósforo. Así, Kunckel intentó encontrar por sí mismo la elaboración del fósforo llevando a cabo varios experimentos. En 1674, logró descubrir la fórmula.
Después de este descubrimiento, varios químicos, a su vez, hicieron investigaciones sobre este elemento a partir de residuos biológicos tales como los huesos y las orinas. Diversas fórmulas de preparación del fósforo fueron propuestas. Sin embargo, en aquella época, el fósforo se encontraba solo en los laboratorios de ciertos químicos o en los gabinetes de las personas ricas que eran coleccionistas de novedades.
Estos químicos dieron diferentes nombres al fósforo durante su descubrimiento:
Estos nombres están inspirados por el hecho de que el elemento produce una fuerte luz cuando está expuesto al aire libre.
En 1769, el mineralogista sueco Johan Gottlieb Gahn descubrió la presencia del fósforo en huesos calcinados y descompuestos por el ácido sulfúrico. Luego logró recuperar una cantidad importante a través de huesos de ovejas y bueyes. Su procedimiento se resume en quemar los huesos con el fin de fragilizarlos. Después, los mezcló con carbonato de calcio (CaCO3), sales y ácido sulfúrico. Tras una reacción de esta mezcla, los lavó y secó con carbón. Luego calentó todo en una retorta cubierta de agua. También notó que la mezcla de fósforo e hidrógeno produce un gas inflamable.
Este experimento explica la presencia de fuegos fatuos en los pantanos cuando las materias ricas en fósforo se descomponen. También demuestra el origen de la luz emitida por ciertas materias orgánicas en lugares oscuros, a saber:
Es también gracias a la presencia del fósforo que ciertos organismos marinos son fosforescentes. Johan Gottlieb Gahn publicó este descubrimiento con el químico sueco-alemán Carl Wilhelm Scheele.
En 1803, el inglés John Dalton demostró que el fósforo está compuesto de varios átomos. Sin embargo, es el trabajo de Lavoisier el que dio a conocer el átomo del fósforo y de otros elementos químicos.
En 1867, otra creación del fósforo fue elaborada por los químicos M. Boblique y E. Aubertin. Consiste en extraer el fósforo calentando las rocas entre 1.400 y 1.500 °C con arena y coque. Obtienen posteriormente fósforo blanco P4 que tiene como reacción:
2 Ca3(PO4)2 + 6 SiO2 + 10 C → 6 CaSiO3 + 10 CO + P4
En la práctica, habitualmente, el mineral es una fosforita con una fórmula de:
3 Ca3(PO4)2, Ca(OH,F,Cl)2
Sin embargo, la hidroxiapatita representa el mineral más corriente cuya reacción es:
3 Ca3(PO4)2, Ca(OH)2 + 10 SiO2 + 25 C → 10 CaSiO3 + 25 CO + H2 + 1,5 P4
En el caso de que el mineral contuviera fluorapatita, su reacción es la siguiente:
3 Ca3(PO4)2, CaF2 + 9 SiO2 + 24 C → 9 CaSiO3 + CaF2 + 24 CO + 1,5 P4
Procediendo así, la obtención de una gran cantidad de fósforo a un mejor precio es posible.
En 1888, J.B. Readman mejoró la fórmula inicial de la elaboración del fósforo realizada por M. Boblique y E. Aubertin utilizando un horno eléctrico. Gracias a esta técnica, logró obtener una tonelada de fósforo blanco. Sin embargo, esto gastó 15 MWh de energía.
Todos estos trabajos pudieron facilitar el estudio de las propiedades del fósforo.
Por otra parte, los químicos más destacados que hicieron trabajos de asociación del fósforo con otros elementos son:
Históricamente, la cerilla fue inventada en el siglo XVIII. Para encenderla, era necesario sumergirla en ácido sulfúrico para inflamar el azufre. Sin embargo, esta cerilla no podía ser transportada y se consideraba peligrosa.
Para remediar esto, el francés Charles Sauria inventó la primera cerilla en 1831 utilizando fósforo blanco. En efecto, solo reemplazó el sulfuro de antimonio por fósforo blanco. Sin embargo, resulta que este último también es peligroso. Puede inflamarse solo al contacto con el oxígeno. Por lo tanto, las cerillas que se encuentran en los bolsillos pueden prender fuego fácilmente. También presentan un peligro para los fabricantes de cerillas que son siempre víctimas de necrosis fosforada.
Fue entonces indispensable reemplazar el fósforo blanco por una materia más conveniente. En 1913, después del descubrimiento del fósforo rojo, se justificó que este fósforo fuera menos inflamable y menos tóxico que el blanco. El fósforo rojo reemplazó por lo tanto al fósforo blanco en la fabricación de cerillas. La combustión era posible al recubrir los palillos de fósforo rojo con clorato de potasio.
El fósforo blanco es también llamado fósforo amarillo. Tiene una estructura cuadrática y está constituido por moléculas de fórmula P4. Se trata de un sólido extremadamente inflamable cuando está expuesto a una temperatura ambiente. Por esta razón hay que conservarlo siempre en agua. Así, no reacciona con otras partículas, pero se acumula en el cuerpo de los organismos acuáticos. Algunas industrias lo utilizan para fabricar productos químicos. También se emplea para elaborar municiones incendiarias. Cuando se calienta a 280 °C, se transforma en fósforo rojo.
Al igual que el fósforo blanco, el fósforo rojo tiene una disposición cuadrática. La longitud de las moléculas del fósforo rojo es considerable, y no puede ser determinada. En comparación con el fósforo blanco, el fósforo rojo es mucho menos inflamable. Solo se inflama a partir de 500 °C. Esta característica del fósforo rojo ha permitido la fabricación de cerillas.
En cuanto al fósforo negro, puede presentarse bajo diferentes formas de cristalina. Pero su estructura puede ser comparable a la del grafito, es decir, la disposición de sus átomos está apilada en capas hexagonales. Se obtiene calentando a alta presión el fósforo blanco. El fósforo negro puede ser utilizado como conductor de un circuito eléctrico. Además, la transparencia y la flexibilidad de las longitudes de onda de su luz permiten una posibilidad de mejora de las pantallas y las visualizaciones flexibles.
Entre estos tres fósforos, el fósforo blanco es el más extendido y el más comercializado.
El fosfato se obtiene vía ensamblaje de los minerales que presentan aspectos y tonos muy variados. Estas variaciones pueden ser nódulos, restos de foraminíferos o de conchas de lamelibranquios, granos, residuos de dientes o de huesos, coprolitos y oolitas. Pero a menudo, la concentración de estos minerales es de origen animal. Las rocas fosfatadas son transformadas para obtener fósforo. Las fábricas más grandes de producción de rocas fosfatadas se encuentran en Marruecos, Sudáfrica, China y Estados Unidos. Según los informes de 2009, China produce el 35 % del fósforo mundial. Pero ha reducido considerablemente su exportación. En cuanto a los Estados Unidos, producen el 17 %, pero ya no exportan. Por otro lado, la extracción del fosfato provoca impactos ambientales como la contaminación de las aguas subterráneas y la destrucción de los sistemas locales.
El fósforo puede agotarse en unos años, aunque se trata de uno de los elementos más importantes para la agricultura. En efecto, aparte del agua y el nitrógeno, el fósforo, bajo forma mineral, es un elemento vital para hacer vivir y crecer a las plantas. Desde el siglo XX, el número de población conoce un aumento rápido. Por consiguiente, la productividad agrícola también debe aumentar a la misma velocidad. Ahora bien, era necesario reforzar la cantidad de fertilizantes obtenidos a partir del nitrógeno y del fósforo para tener una mejor productividad de la agricultura.
Este fósforo utilizado para la agricultura proviene de las rocas fosfatadas. Sin embargo, se ha constatado que, cada año, 18 millones de toneladas de rocas fosfatadas son utilizadas para extraer fósforo. Tras esta explotación intensiva, la producción del fósforo ya no será suficiente en los próximos años, incluso inexistente. Cabe señalar que el fósforo es un elemento no renovable. Se ha propuesto una solución para remediar esta escasez de fósforo. Se trata de reciclar el fósforo en los desechos tales como los excrementos, las orinas, las aguas residuales, los desechos alimentarios y los huesos.
Los científicos han encontrado una manera de recuperar fósforo depurando aguas residuales o efluentes de agricultura. La separación del fósforo de la materia orgánica a la cual está combinado en los efluentes se realiza en cuatro etapas.
A partir de este proceso, es fácil obtener grandes cristales que son fáciles de filtrar y secar.
Además, el fósforo reciclado es más barato que los fertilizantes químicos.
Con el calcio, el fósforo participa en el proceso de mineralización de los huesos y los dientes humanos. Aparte de esto, juega un papel importante en la producción de energía en nuestro organismo e interviene en la producción de las neuronas. Es indispensable consumir alimentos ricos en fósforo a una dosis media de 700 mg por día. Los alimentos que contienen más fósforo son:
Sin embargo, casi todos los alimentos contienen fósforo. En el organismo humano, es a nivel del intestino donde se produce la absorción del fósforo. Se conserva en los huesos y se expulsa en los riñones. Por lo tanto, está presente en el organismo en forma de fosfato. Al ser conservado en los huesos, el fosfato es utilizado según las necesidades del organismo.
Sin embargo, el exceso de fósforo alimentario puede provocar una hiperfosfatemia, es decir, una dosificación excesiva de fosfato inorgánico en el plasma. Esto provoca la síntesis de vitamina D en el organismo. Este exceso también puede generar la acumulación de cristales que es el origen de un ACV, de una aparición de prurito en la piel y de una arteriosclerosis. Por otro lado, la carencia de fósforo se llama hipofosfatemia. Se manifiesta por una debilidad muscular, trastornos óseos y una gran fatiga después de un esfuerzo. También puede provocar pérdida de apetito.
Durante las aleaciones con el acero, el fósforo es descartado porque degrada las características mecánicas. Sin embargo, las aleaciones también pueden hacerse con el bronce, lo que les atribuye una mejor forma de moldeado.
Las propiedades químicas del fósforo rojo son utilizadas en los rascadores para cerillas. En efecto, la fricción entre la cabeza de la cerilla sulfurada y los rascadores de la cerilla permite una producción de la chispa.
Durante la Segunda Guerra Mundial, las bombas incendiarias contenían fósforo blanco. Asimismo, los ejércitos recurren a este tipo de fósforo como municiones para incendiar, iluminar y producir humo (para moverse sin ser vistos por los adversarios).
El fósforo rojo se utiliza para los fuegos artificiales.
El fósforo es uno de los componentes de las moléculas de ADN, del ATP y del ADT de la lecitina de los seres vivos.
Como fosfato, puede ser utilizado como fertilizante mineral en forma de monohidrogenofosfato CaHPO4 o dihidrogenofosfato Ca(H2PO4)2. Nutre a las plantas y mejora el crecimiento de los cultivos.
En las composiciones alimentarias, los fosfatos de sodio o de potasio son como sustancias absorbentes que juegan un papel de estabilizador.
Las bebidas gaseosas contienen ácido fosfórico para acidificarlas.
El fósforo está en disposición de neutralizar la acción de la cal. Por esta razón figura en la lista de los elementos esenciales para la fabricación de productos de limpieza. Sin embargo, su concentración debe ser regulada para proteger los ecosistemas hídricos.
También se utiliza como pulidor en los dentífricos. Está presente en forma de dihidrogenofosfato y proporciona flúor Na2PO3F.
El ácido fosfórico es también un descalcificador para los aparatos domésticos y sanitarios.
Al añadir el fósforo a un reactor biológico, asegura la supervivencia y el crecimiento de las bacterias en las aguas. Por lo tanto, es considerado como una especie de nutriente.
Al sumergir el acero en un baño de ácido compuesto de iones fosfatados e iones de manganeso, se forma una capa de fosfato metálico sobre el metal. Este procedimiento se llama fosfatación. Asegura la base de enganche para los revestimientos orgánicos y la mejora de las propiedades anticorrosión y antifricción. También sirve de soporte en caso de deformación de los metales.
Las cualidades del fósforo negro son prácticas en aplicaciones biomédicas como la bioimagen, la biodetección y la administración de medicamentos. Por lo tanto, puede ser muy útil en las terapias del cáncer.
El fósforo es un elemento que reacciona fácilmente. Por eso interviene en diferentes compuestos tales como:
El ácido fosfórico que tiene como fórmula H3PO4. Puede estar presente en los alimentos como aditivo alimentario. Por ejemplo, los refrescos lo contienen.
Los fosfatos de fórmula PO43- son productos naturales y esenciales en los fertilizantes como fosfato de amonio o fosfato de calcio. Favorecen el crecimiento, el desarrollo y la producción de los vegetales.
La fosfina es un gas tóxico ligeramente más pesado que el aire. Tiene como fórmula bruta PH3. Se emplea como agente de fumigación.
El ciclo del fósforo sigue una especie de ciclo biogeoquímico. Esto muestra que el fósforo pasa de un medio a otro, pero vuelve a su medio original siguiendo un bucle de reciclaje infinito. En un ecosistema, el fósforo se intercambia entre la litosfera, la hidrosfera, la biosfera y los organismos vivos. Sin embargo, el ciclo del fósforo corresponde a un ciclo sedimentario que no contiene componentes gaseosos y no implica procesos atmosféricos.
Son los seres vivos los que extraen fósforo en forma de fosfatos provenientes de las rocas fosfatadas. Estas se descomponen y liberan los fosfatos tras las intemperies. Estos fosfatos van luego a pasar a las plantas que crecen en el suelo y a los animales. Después, estos últimos evacúan de su organismo los descomponedores que se reproducen en fosfatos.
Ciertas cantidades de estos fosfatos son arrastradas por las aguas hacia el mar. Algunos animales marinos tales como los salmones, las algas y las aves marinas, por sus excrementos, producen guano que contiene varios fosfatos. Este guano es utilizado como fertilizante en la agricultura. En cuanto a los cadáveres y esqueletos de los animales marinos, se transforman en rocas fosfatadas en el fondo del mar.
Aparte de esto, el Hombre también puede procurarse fósforo explotando las rocas que contienen fosfatos. Así, son las rocas, los sedimentos, el suelo y el agua las principales fuentes no vivas de fósforo. En lo que concierne a las plantas y los animales, forman las principales fuentes vivas del fósforo.
Más precisamente, el ciclo del fósforo sigue las etapas siguientes:
El ciclo del fósforo es esencial porque:
El hombre puede crear un desequilibrio en el ciclo biogeoquímico del fósforo. Esto puede ser causado por la utilización de grandes cantidades de fertilizantes ricos en fosfatos en la agricultura y por el vertido de residuos fosfatados en las aguas residuales. Una gran cantidad de fósforo en los lagos, los ríos y los mares genera el crecimiento de las algas. Este crecimiento provoca la eutrofización de los medios acuáticos.
Etimológicamente, la eutrofización viene del griego « eutrophos » que significa « bien nutrido », « trophos » que quiere decir « nutrición » y el prefijo « eu- » que indica « la abundancia ». Así, la eutrofización designa una mala calidad de las aguas dulces o marinas litorales. Esto es provocado por el enriquecimiento del agua en fósforo. En efecto, son las actividades humanas las que provocan la eutrofización.
Entre otras, cuando el Hombre utiliza excesivamente fertilizantes químicos y estiércoles, estos son transportados por las intemperies y se extienden en los medios naturales. También está el vertido de aguas residuales que contienen numerosos nutrientes provocando la intensificación de la carga de estas sustancias en las masas de agua. Por consiguiente, la eutrofización provoca una multiplicación rápida de algas y de varias plantas acuáticas que reducen la luz para otras plantas y organismos. Esto crea zonas muertas en las cuales la vida acuática ya no existe. La biodiversidad de los ecosistemas acuáticos es por lo tanto reducida. Las algas también producen toxinas y sustancias nocivas para los animales acuáticos. Sin embargo, figuran en la alimentación del Hombre.
Ante esto, es por lo tanto primordial tomar medidas para prevenir la eutrofización. Es necesario a toda costa proteger la calidad del agua y conservar la salud de los ecosistemas acuáticos. Para ello, el Hombre debe primero reducir la utilización de fertilizantes químicos. Después, está obligado a crear sistemas bocajeros de setos y zonas tampón. Estos sistemas pueden limitar la escorrentía y bloquear los nutrientes que se dirigen hacia las aguas. Y finalmente, puede eliminar o reciclar el fósforo en las aguas realizando estaciones de depuración y de tratamiento de los purines de ganadería.
El fósforo es un elemento omnipresente en la naturaleza como mineral fosfatado. Estos fosfatos son sustancias nutritivas indispensables para todo ser vivo. Además, cuando el fósforo es soluble y solubilizado, se utiliza como medicamento. Es el alemán Johann Kuchel quien, después de descubrir la fórmula del fósforo, la utilizaba para crear píldoras luminosas. Estas pueden curar algunas patologías tales como la diarrea, la epilepsia y la fiebre maligna. Algunos complementos alimenticios son incluso a base de fósforo para tener más energía en un estado de fatiga. También mantienen los huesos.
Sin embargo, es bueno señalar que este elemento a veces puede ser tóxico. El fósforo blanco, que antes era utilizado como raticida y materia prima en la fabricación de cerillas, es hoy uno de los elementos en la fabricación de ciertas armas militares. Después de una explosión de bombas o de granadas incendiarias, las víctimas pueden sufrir una grave quemadura a causa del fósforo. El fósforo blanco ingerido, incluso a dosis muy baja, provoca la muerte. Sin embargo, antes de morir, la persona sufre náuseas, calambres estomacales y somnolencia, porque el fósforo blanco quema el hígado, el corazón o los riñones.
La fuerte presencia del fósforo en el agua provoca una multiplicación rápida e importante de las plantas acuáticas tales como las algas. Al morir, se descomponen en una capa espesa de materia vegetal en el fondo del agua. Esta capa de lodo se acumula y genera la turbidez del agua. Por consiguiente, esto provoca la fotosíntesis y el desarrollo de bacterias a raíz de una penetración de la luz y de los ultravioletas en el agua. Además, la turbidez cambia el color del agua, que provocará el aumento de su temperatura, su contenido en oxígeno y en sal, y su evaporación. Por lo tanto, el agua ya no será adecuada para el baño. Igualmente, ya no será práctica para las embarcaciones motorizadas porque las plantas acuáticas se atascan en las hélices. Además, la proliferación de las algas reduce la cantidad de oxígeno en el agua. Esto provocará la desaparición de la mayoría de los animales acuáticos.
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