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Compuesto inorganico del fosforo
 

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    Compuesto inorganico del fosforo Compuesto inorganico del fosforo Document Transcript

    • Introducción El tema que aborda este trabajo se inscribe dentro de la problemática de las condiciones ambientales la cual se basa en el compuesto del Fosforo. Elemento químico muy abundante en la corteza terrestre, tanto en los seres vivos como en el mundo mineral, se presenta en varias formas alotrópicas, todas inflamables y fosforescentes. Además de su importancia biológica como constituyente de huesos, dientes y tejidos vivos, se usa en la industria fosforera, en la pirotecnia, en la síntesis de compuestos orgánicos y, en forma de fosfatos, entra en la composición de fertilizantes agrícolas y detergentes no metálico se obtiene a partir de la fosforita. No se encuentra libre en la naturaleza, pero abunda en forma de fosfatos; Se emplea para elaborar aleaciones especiales, bronce fosforoso, así como raticidas, fuegos de artificio compuestos de fósforo, y debido a que al arder en el aire forma nubes de pentóxido de fósforo sólido, se utiliza en las guerras como cortina de humo. Por su combustibilidad se usa en las bombas incendiarias y balas trazadoras .El presente trabajo explora el estado actual de la cuestión del diagnostico de fuentes contaminantes como es el fosforo y sus derivados intentando poner una solución y desarrollando las fuentes naturales, fuentes antropogenicas, contaminates del sistema ecológico, toxicidad de los compuestos al ser humano y de cómo remediar y dar una solución a la problemática de la contaminación. Fósforo Símbolo P, número atómico 15, peso atómico 30.9738. El fósforo forma la base de gran número de compuestos, de los cuales los más importantes son los fosfatos. En todas las formas de vida, los fosfatos desempeñan un papel esencial en los procesos de transferencia de energía, como el metabolismo, la fotosíntesis, la función nerviosa y la acción muscular. Los ácidos nucleicos, que entre otras cosas forman el material hereditario (los cromosomas), son fosfatos, así como cierto número de coenzimas. Los esqueletos de los animales están formados por fosfato de calcio. Cerca de tres cuartas partes del fósforo total (en todas sus formas químicas) se emplean en Estados Unidos como fertilizantes. Otras aplicaciones importantes son como relleno de detergentes, nutrientes suplementarios en alimentos para animales, ablandadores de agua, aditivos para alimentos y fármacos, agentes de revestimiento en el tratamiento de superficies metálicas, aditivos en metalurgia, plastificantes, insecticidas y aditivos de productos petroleros. De casi 200 fosfatos minerales diferentes, sólo uno, la fluoropatita, Ca5F(PO4)3, se extrae esencialmente de grandes depósitos secundarios originados en los huesos de animales y que se hallan en el fondo de mares prehistóricos, y de los guanos depositados sobre rocas antiguas. La investigación de la química del fósforo indica que pueden existir tantos compuestos basados en el fósforo como los de carbono. En química orgánica se acostumbra agrupar varios compuestos químicos dentro de familias llamadas series homólogas.
    • Esto también puede hacerse en la química de los compuestos de fósforo, aunque muchas familias están incompletas. La familia mejor conocida de estos compuestos es el grupo de cadenas de fosfatos. Las sales de fosfatos constan de cationes, como el sodio, junto con cadenas de aniones, como (PnO3n+1)(n+2)-, que pueden tener de 1 a 1 000 000 de átomos de fósforo por anión. Los fosfatos se basan en átomos de fósforo rodeados en una disposición tetraédrica por átomos de oxígeno, el miembro más pequeño de la familia es el anión simple PO3-4 (el ion ortofosfato). La familia de las cadenas de fosfato se basa en hileras alternadas de átomos de fósforo y oxígeno en que cada átomo de fósforo permanece en el centro de un tetraedro de cuatro átomos de oxígeno. Hay también una familia estrechamente relacionada de fosfatos cíclicos. Una característica estructural interesante de muchos de los compuestos del fósforo conocidos es la formación de estructuras tipo jaula. Ejemplos de estas moléculas son el fósforo blanco, P4, y uno de los pentóxidos de fósforo, P4O10. Las estructuras tipo red son comunes; por ejemplo, los cristales de fósforo negro en que los átomos están enlazados unos con otros. En la mayor parte de sus compuestos, el fósforo está enlazado químicamente a cuatro átomos inmediatos. Hay gran número de compuestos en los que uno de los cuatro átomos está ausente y en su lugar hay un par de electrones no compartidos. Hay también unos cuantos compuestos con cinco o seis átomos unidos al fósforo; son muy reactivos y tienden a ser inestables. Durante los años 60 y 70, se prepararon muchos compuestos orgánicos de fósforo. La mayor parte de estas estructuras químicas incluye tres o cuatro átomos enlazados al fósforo, pero existen también estructuras con dos, cinco o seis átomos unidos a cada átomo de fósforo. Casi todo el fósforo utilizado en el comercio está en forma de fosfatos. La mayor parte de los fertilizantes fosfatados constan de ortofosfato diácido de calcio u otofosfato ácido de calcio muy impuros, Ca(H2PO4)2 y CaHPO4. Estos fosfatos son sales del ácido ortofosfórico. El compuesto de fósforo de mayor importancia biológica es el adenosintrifosfato (ATP), que es un éster de la sal, el tripolifosfato de sodio, muy utilizado en detergentes y ablandadores de agua. Casi todas las reacciones en el metabolismo y la fotosíntesis requieren la hidrólisis de este tripolifosfato hasta su derivado pirofosfato, llamado adenosindifosfato (ADP). Nombre Fósforo Número atómico 15 Valencia +3,-3,5,4 Estado de oxidación +5 Electronegatividad 2,1 Radio covalente (Å) 1,06 Radio iónico (Å) 0,34 Radio atómico (Å) 1,28 Configuración electrónica [Ne]3s23p3 Primer potencial de ionización (eV) 11,00 Masa atómica (g/mol) 30,9738 Densidad (g/ml) 1,82 Punto de ebullición (ºC) 280
    • Punto de fusión (ºC) 44,2 Descubridor Hennig Brandt en 1669 1. Fuentes naturales Estado natural Está presente en todos los comestibles con un alto contenido de proteínas como por ejemplo la leche, los productos lácteos, la carne, el pescado, la levadura, los cereales y Estado natural los productos elaborados con cereales. Menos natural: como aditivo en todo tipo de comida basura y comida rápida. Conservante y emulgente en muchos alimentos, como por ejemplo quesos (quesitos, etc.), embutidos y refrescos (Coca Cola, etc.). El fósforo se encuentra en unos 200 minerales distintos, muchas veces en forma de fosfatos simples o mixtos. Sus principales menas son: (EE.UU.) a cielo abierto. La wavellita, otra de El fluorapatito, 3Ca3(PO4)2 .CaF, que se encuentra en la península de Kola (URSS), África del Sur, Marruecos y al sur del lago Ontario (EE.UU.), es una variedad en la que parte del flúor está sustituida isomórficamente por cloro, se encuentra en Uganda, Noruega y Virginia (EE.UU.). La francolita, Ca10(PO4)6F2.nCsCO2 se halla en EE.UU., Marruecos y la URSS; ofrece la particularidad de contener como impurezas otros metales. Un mineral parecido al anterior, el carbonato- hidróxil-fluórapatito, Ca10(PO4)6-(OH,F)2-xCaCO2 ,se explota en Florida (EE.UU.) a cielo abierto. La wavellita, otra de las menas del fósforo, Al3(0H)3(P04)6-5H2O, se encuentra en Angola, en Florida y en Tennessee (EE.UU.). Otra fuente de fósforo es de origen animal, producido por excrementos de aves en las costas chilenas y peruanas. Las reservas actuales de fosfatos con explotación rentable se calculan en 1.000 millones de tm. que se distribuyen del siguiente modo: 69-53% se explota en África del Norte (principalmente Marruecos), 29-12 % en EE.UU. y 1 % en la URSS; se prevé la existencia de otros depósitos en América del Sur y Asia. Al estudiar Otra fuente de fósforo es la de origen animal, producido por excrementos de aves. Respecto
    • a la abundancia relativa del fósforo en el universo, algunos autores lo colocan en el 11°lugar en la corteza terrestre, el 13° en los meteoritos y el 24°en la atmósfera solar, aunque se supone una mayor proporción en su núcleo, dado que desempeña un papel importante en las reacciones nucleares de las estrellas. Así, en la nebulosa gaseosa NGC 7027 se encuentra en el 10°lugar. El fósforo, en forma de fosfatos disueltos en el agua de los mares, es de gran importancia para la vida de los seres que viven en ellos. Se calcula en una concentración media de 0,00007 g/litro. En la superficie es menor, y con la profundidad aumenta gradualmente, hasta estabilizarse. El océano Atlántico ofrece porcentajes más bajos. Ciclo del Fósforo La proporción de fósforo en la materia viva es relativamente pequeña, el papel que desempeña es vital. Es componente de los ácidos nucleicos como el ADN, muchas sustancias intermedias en la fotosíntesis y en la respiración celular están combinadas con el fósforo, y los átomos de fósforo proporcionan la base para la formación de los enlaces de alto contenido de energía del ATP, se encuentra también en los huesos y los dientes de animales, incluyendo al ser humano. La mayor reserva de fósforo está en la corteza terrestre y en los depósitos de rocas marinas. De las rocas se libera fósforo y en el suelo, donde es utilizado por las plantas para realizar sus funciones vitales. • Los animales obtienen fósforo al alimentarse de las plantas o de otros animales que hayan ingerido.
    • • En la descomposición bacteriana de los cadáveres, el fósforo se libera en forma de ortofosfatos (PO4H2) que pueden ser utilizados directamente por los vegetales verdes, formando fosfato orgánico (biomasa vegetal), la lluvia puede transportar este fosfato a los mantos acuíferos o a los océanos. El ciclo del fósforo difiere con respecto al del carbono, nitrógeno y azufre en un aspecto principal. El fósforo no forma compuestos volátiles que le permitan pasar de los océanos a la atmósfera y desde allí retornar a tierra firme. Una vez en el mar, solo existen dos mecanismos para el reciclaje del fósforo desde el océano hacia los ecosistemas terrestres. Uno es mediante las aves marinas que recogen el fósforo que pasa a través de las cadenas alimentarias marinas y que pueden devolverlo a la tierra firme en sus excrementos. Además de la actividad de estos animales, hay la posibilidad del levantamiento geológico de los sedimentos del océano hacia tierra firme, un proceso medido en miles de años. El hombre también moviliza el fósforo cuando explota rocas que contienen fosfato. OBTENCIÓN James B. Readman obtuvo (1888) en Edimburgo la primera patente para la obtención de fósforo, en la que se empleaba energía eléctrica. La mezcla de fosfato cálcico, carbón y sílice se introducía en la cámara de un horno; dos electrodos suministraban la energía para calentar los productos reaccionantes; el fósforo obtenido se desprendía y era recogido en otra cámara. T. Parker y A. E. Robinson trabajaron poco tiempo después en un proceso parecido, y en 1890 se formó la Phosphorus Co., que producía fósforo por este método. Desde entonces se han ido incorporando modificaciones y perfeccionamientos. La ecuación química que rige en este proceso es la siguiente: 2Ca3(PO4)2 + 6SiO2 + 10C = 6CaSiO3 + P4 + 10CO Los productos utilizados son objeto de purificación previa. El carbón es coque de alto contenido de carbono y bajo porcentaje de productos volátiles y de cenizas. La sílice debe ser de gran pureza, sin arcillas ni óxido de hierro. Como electrodo se emplea tanto carbón como grafito; este último ofrece una conductividad superior, pero resulta tres veces más caro, y dado que a lo largo del proceso se va consumiendo, su elección es un factor económico que se ha de considerar. Existen varios tipos de hornos; aunque normalmente los electrodos se encuentran situados en posición vertical, los primitivos solían colocarse horizontalmente. La temperatura de la masa fundida es de 1.500° C. La energía de un horno moderno oscila de 6.500 a 13.000 kW. El fósforo que se destila de un modo continuo contiene impurezas. Se purifica por fusión bajo agua caliente. También se puede redestilar. Se transporta sumergido en agua o bajo un gas inerte, y se toman especiales medidas en todas sus manipulaciones, debido a su toxicidad
    • • El ácido fosfórico total: La riqueza del suelo en P205 total varia con la naturaleza de la roca madre y sólo tiene un interés relativo para el agrónomo. Comprende el conjunto de las formas en que se encuentra el P205 en el suelo. Aunque se podría hacer un análisis más detallado, distinguiremos aquí cinco formas principales, desde el P205 que existe en la roca madre y que es prácticamente inaccesible para la planta a corto plazo, hasta el P205 disuelto en las soluciones del suelo, del que las plantas toman los iones fosfóricos disponibles. En los suelos de origen volcánico o cristalino, la riqueza en P205 total puede alcanzar del 3 al 10%; los suelos de origen sedimentario son notablemente más pobres, de 0,5 a 3% de la masa total. Un cálculo muy simple muestra la considerable cantidad de P,O, que existe en el suelo, incluso en los considerados pobres. Según L. GACHON, un suelo profundo de 50 cm y de densidad 1,2, con una riqueza media del 4 por 1.000 de P,0, contiene 24 tm/ha de P205 capaz de cubrir las necesidades de los cultivos durante quinientos años. Aún considerando un suelo menos profundo y más pobre, con 30 cm. y 3 por 1.000 de P205 tendrá 11 tm/ha de P205 El P205 se encuentra en el suelo, en su mayoría, en estado mineral (ortofosfatos), pero también combinado en estado orgánico. Los iones fosfóricos se hallan en el suelo en tres formas diferentes: - Disueltos en la solución del suelo. - Absorbidos sobre diferentes componentes minerales y orgánicos del suelo. - Fijados mediante enlaces moleculares relativamente estables. En orden creciente de asimilabilidad para las plantas, se tratarán cinco formas de P205 en el suelo: 1. Ácido fosfórico Insoluble de la roca madre o retrogradado Representa la gran mayoría del P205total del suelo, que resulta prácticamente inútil para la planta. Sin embargo, es la reserva general a partir de la cual, tras muchas y lentas transformaciones físico-químicas o biológicas, una pequeña parte de aquél pasa a la solución del suelo al final del proceso. Los minerales fosfatados insolubles en el suelo son esencialmente fosfatos tricálcicos (apatita), fosfatos magnésicos y fosfatos de hierro y de aluminio. 2. Acido fosfórico precipitado o formando compuestos poco solubles En los suelos ácidos es muy posible la precipitación de los fosfatos de hierro y aluminio, y en los suelos muy calizos, la precipitación de fosfato de cal. Sin embargo, no se trata de formas insolubles indefinidamente. Las variaciones del pH, la acción de la materia orgánica, la actividad microbiana o la capacidad de algunas especies de absorberlos directamente, pueden hacer que los fosfatos, temporalmente insolubles, intervengan en la alimentación fosfatada de las plantas.
    • Se puede incluir en esta categoría de fosfatos a los iones fosfóricos, que temporalmente se hallan «bloqueados» en el interior de las arcillas y que pueden volver a la forma cambiable mediante el efecto de la secuencia de humectaciones y desecación. 3. Acido fosfórico orgánico. En la materia orgánica, la relación N/P205 es del orden de 4, esto es, en un suelo con un contenido de nitrógeno orgánico del 1 por 1.000, la riqueza de P205 combinado con la materia orgánica será del orden de 0,25 por 1.000. Una hectárea de tierra que libere por mineralización 60 kg/ha y año de nitrógeno, liberará también unos 15 kg de P205. El P205 orgánico representa una parte variable, pero importante del total. En un suelo con un 1 por 1.000 de nitrógeno orgánico en una capa de 30 cm de profundidad, hay unos 1.000 kg de P205 orgánico. Aunque esto es relativamente poco con relación al total, esta fracción juega un papel importante en el suelo. Se trata de una reserva que se moviliza fácilmente por mineralización del humus que libera P205 en forma mineral. Como en el caso del nitrógeno, tiene lugar también una «reorganización» del P205 por acción microbiana, es decir, una inmovilización provisional que corresponde a una protección contra la fijación demasiado enérgica por el suelo. La materia orgánica del suelo realiza, pues, una acción muy favorable sobre la nutrición fosfatada de la planta. Por combinación del humus y del ácido fosfórico, hay formación de humofosfatos que protegen a los iones P04 de la fijación más o menos irreversible por el suelo, manteniéndolos en una forrma fácilmente recuperable por la planta. En relacióncon el ácido fosfórico, el humus juega el doble papel de crear reservas fácilmente movilizables y de protegerlas. La buena conservación del humus del suelo es una condición esencial para la alimentación fosfórica normal de la planta. Como en el caso del nitrógeno, la actividad microbiana desempeña un papel importante en el conjunto de los fenómenos que de terminan la dinámica del fósforo en el suelo. 4. Acido fosfórico fijado en las arcillas y los óxidos de hierro y aluminio Los iones fosfóricos pueden fijarse al complejo arcillosohúmico y, en particular, sobre las arcillas, por medio del calcio (puente de calcio, ver esquema capítulo 111). Mediante el mecanismo expuesto en el capítulo III, el suelo deja en reserva una parte del P2 O5 de los abonos y lo devuelve después a la solución del suelo a medida que la planta va agotando esta solución por la absorción de una parte de dichos iones. Los iones PO4 fijados en la arcilla cálcica son fácilmente recuperables. La cantidad de P2 O5 absorbido depende del contenido de arcilla, de su capacidad de cambio y del pH, es decir, de la cantidad de iones Ca presentes. Existen también en el suelo hidróxidos de hierro y aluminio, especialmente en los suelos ácidos, que se comportan como coloides electropositivos y pueden fijar iones P04 , que pasarán después a la solución del suelo, pero más lentamente que los que se fijan sobre la arcilla: se dice que son menos cambiables. Aunque el P2 O5, absorbido no supone más que una parte pequeña del P205 total, constituye, por el contrario, la mayor parte del P2 O5 asimilable o cambiable, que dependiendo de los suelos, puede alcanzar de 500 a 3.000 kg/ha.
    • 5. Acido fosfórico en la solución del suelo Al final de las transformaciones y cambios continuos que se efectúan en el suelo, se tiene la fracción menor y más importante del P2 O5 para la planta, dado que son estos iones fosfóricos disueltos los que absorbe la planta principalmente. La concentración de las soluciones en P2 O5 es muy pequeña: 0,2 a 0,5 mg/litro, es decir, que para una tierra con 30 cm de profundidad, ello supondría de 200 a 500 g de P2 O5 por hectárea. En los suelos ricos se puede alcanzar y sobrepasar un miligramo por litro, mientras que en los suelos pobres la riqueza puede bajar hasta 0, 1 mg/litro. Resulta interesante comparar estos 0,2 a 0,5 kg. de P2 O5 por hectárea disueltos en la solución del suelo, con los 500 a 3.000 kg. P205 fijados y las 10 a 25 tm. de P2 O5 que puede haber en total. El P2 O5 que forma parte de estas dos últimas categorías, el de las soluciones del suelo y el absorbido en el complejo, representa lo que se denomina «fondo alimenticio». Existe un estado de equilibrio permanente y rápido entre los iones disueltos en la solución del suelo y aquellos absorbidos que constituyen el conjunto de los iones isotópicamente cambiables. Representan la fracción del P2 O5 total considerado como la reserva alimenticia que corresponde al ácido fosfórico asimilable o cambiable, indicado por los análisis clásicos. En el esquema se resume la dinámica del ácido fosfórico en el suelo. Existe un equilibrio entre las diferentes formas del P2 O5 en el suelo, con cambios continuos entre unas y otras, cada vez más lentos, de derecha a izquierda. Por el contrario, el P205 es tanto más asimilable cuanto más evoluciona de izquierda a derecha. • Evolución del ácido fosfórico en el suelo: retrogradación y cambio de lones: Esta es una cuestión todavía mal conocida, a pesar de los numerosos trabajos realizados y de la utilización del isótopo radiactivo p31, que permite seguir los desplazamientos del fósforo en el suelo y en la planta. Para el agricultor, lo importante es saber en qué medida el abono fosfatado añadido al suelo, en forma más o menos soluble, conserva su actividad, es decir, su aptitud para suministrar el fósforo a la planta. Se ha creído durante mucho tiempo que una parte importante de los fosfatos incorporados al suelo sufría una «retrogradación» que correspondía a un pérdida de solubilidad definitiva o temporal. Los estudios realizados utilizando el isótopo p32 permiten afirmar que se habla exagerado mucho este fenómeno de la fijación irreversible del ácido fosfórico y que casi todo el ácido fosfórico incorporado al suelo permanece móvil, y tarde o temprano es utilizado por la planta, gracias al cambio continuo de los iones fosfóricos que han sufrido la retrogradación con los que no la han sufrido. Esto ocurre, sobre todo, en los suelos medianamente ácidos y neutros. En los suelos muy calizos, con una proporción elevada de caliza activa, puede producirse una fijación lenta e irreversible de una parte del ácido fosfórico en forma de fosfatos tricálcicos no recuperables. También en los suelos muy ácidos, ricos en hierro y aluminio, puede haber
    • bloqueo de una parte del P2 O5 en forma de fosfatos de hierro y aluminio, que pueden recuperarse parcialmente añadiendo cal. ALIMENTACIÓN DE LA PLANTA EN ACÍDO FOSFÓRICO Las plantas pueden absorber pequeñas cantidades de P2O5 por contacto directo de las raíces con los elementos sólidos, pero la mayor parte del P2 O5 que necesitan lo toman de la solución del suelo, en forma de iones fosfato. Estos iones se desplazan desde las raíces hasta las hojas por medio de la corriente que crea la transpiración de la planta. La absorción es muy activa durante el período de máximo crecimiento y se reduce a partir de la floración. El P2O5 se acumula, en primer lugar, en los tejidos jóvenes, luego se diluye en la masa durante envejecimiento de los órganos verdes, para concentrarse por ultimo en los órganos de reproducción y en el grano. El grano de trigo es cinco veces más rico en fósforo que la paja. Cuando se da cita la riqueza en fósforo de un vegetal, es necesario indicar el estado vegetativo correspondiente. Se ha visto que la riqueza de la solución del suelo en ácido fosfórico es siempre muy pequeña y representa 0,2 a 0,5 kg. de P2O5 por hectárea. La planta puede absorber varios cientos de gramos de P2O5 por día en los periodos críticos de la vegetación. Teniendo en cuenta que las raíces sólo exploran una parte del volumen total del suelo, resulta evidente que la solución del suelo, en algunas épocas del año, debe renovarse varias veces al día. ¿Qué pasa en el suelo cuando la planta absorbe iones fosfato? La concentración de la solución en P205 tiende a permanecer constante, lo que quiere decir que a medida que la planta baja esta concentración, absorbiendo lones fósfato, los coloides del suelo ceden a la solución una parte de los lones fijados en su superficie, para restablecer el equilibrio roto. Este equilibrio se establece entre dos movimientos opuestos: el paso a la solución del suelo y la fijación por el complejo de iones fosfato. ¿En qué proporción se realiza la alimentación fosfórica a expensas de las reservas del suelo o de los abonos aportados recientemente? La respuesta es difícil y depende, sobre todo, del nivel de reservas que tenga el suelo. Cuanto más pobre sea éste, tanto más se alimentará la planta a partir del abono (grado de utilización del abono, 25 a 40%). Por el contrario, en suelos bien provistos, solamente del 5 al 10% del fósforo absorbido procede del abono y del 90 al 95% de las reservas del suelo. El abono no absorbido va a enriquecer dichas reservas y en poco tiempo no se puede distinguir el fósforo procedente del abono, del existente en el suelo. Independientemente de su misión de mantener o aumentar el poder nutritivo del suelo, la fertilización cumple la finalidad de facilitar la alimentación de la planta, gracias a las concentraciones locales de P2O5 que se forman alrededor de los gránulos de abono. Es necesario saber que el fósforo es muy poco móvil en el suelo y que los iones fosfato no pueden ser extraídos por una raíz cuando están separados por una distancia de más de 2 mm, mientras que el nitrógeno, e incluso la potasa, se mueve más fácilmente en el suelo. Así, pues, una parte del volumen del suelo no se utilizará en el curso de un año agrícola. Por lo tanto, teniendo en cuenta esta escasa movilidad del P2O5 en el suelo y la importancia de las extracciones en ciertos periodos, se comprende que se recomiende el practicar la localización del abono y utilizar dosis de abonado desproporcionadas, en relación con las extracciones anuales, para asegurar a la planta el ácido fosfórico indispensable para su desarrollo en los períodos punta de mayor absorción.
    • HISTORIA El fósforo fue descubierto en 1669 por el alquimista Hennig Brand de Hamburgo, el primer hombre conocido que descubre un elemento. Buscando la piedra filosofal BRAND destiló una mezcla de arena y orina evaporada, y obtuvo un cuerpo que tenía la propiedad de lucir en la oscuridad. Se le llamó «fósforo de Brand», para distinguirlo de otros materiales luminosos denominados también fósforo. Durante un siglo se vino obteniendo esta substancia exclusivamente de la orina, hasta que en 177I SCHEELE la produjo de huesos calcinados. Más tarde, la palabra «fósforo» se reservó para designar esta substancia, cuando LAVOISIER demostró que era un elemento e investigó algunos de los productos formados al quemarlo en el aire.Boyle, por su parte parece que también descubrió el fósforo y comunicó el hallazgo a un industrial alemán ,G. Hatkwits, el cual industrializó su obtención en Londres. 2. Fuentes Antropogenicas El fosforo es un elemento abundante en la naturaleza (ocupa el lugar 11 entre los más abundantes en la corteza terrestre). Los principales minerales que lo contienen son minerales fosfatados, denominados apatitos: éstos tienen una composición intermedia entre el Ca4(PO4)2X2 y el Ca5(PO4)3X, donde X= F, Cl, OH, ½ CO3 (fluoro, cloro, hidroxo, carbonatoapatitos). El fósforo es un componente esencial de los huesos y dientes de los animales. Los huesos están formados en su mayoría por fosfato de calcio Ca3(PO4)2. As y Sb aparecen más dispersos, acompañan a otros sulfuros (piritas de arsénico: FeAsS, Sb2S3, Bi2S3 etc). Es uno de los elementos esenciales para la vida junto con el C, H, O, N y S. Mientras el nitrógeno no presenta ningún alótropo, para el fósforo se conocen dos formas alotrópicas estables (ver sección 16.2.1) El fósforo blanco, P4, se obtiene industrialmente mediante la reducción electro-térmica (T = 1500 ºC) de la fluorapatita con carbón, en presencia de óxido de sílice. La transformación neta que tiene lugar es 2 Ca3(PO4)2(s) + 6 SiO2(s) + 10 C(s) → P4(g) + 6 CaSiO3(l) + 10 CO(g) La reacción puede considerarse como una reacción ácido-base, seguida de una reacción redox: Acido-base: 2 Ca3(PO4)2 + SiO2 → P4O10 + 6 CaSiO3 Reducción: P4O10 + 10 C → P4 + 10 CO
    • El P4(g) se condensa, se recoge y se almacena bajo agua en forma de un sólido blanco, con aspecto de cera y fosforescente (brilla en la oscuridad) El CaSiO3 separa como escoria. El proceso consume una cantidad ingente de electricidad. Óxidos y oxácidos del fósforo Entre los compuestos más importantes del fósforo están los óxidos y los oxoácidos que tienen fósforo en estado de oxidación +3 y +5. Las fórmulas más simples que podemos escribir para los óxidos son P2O3 y P2O5, respectivamente. Los nombres que les corresponden son “trióxido de fósforo” y “pentóxido de fósforo”, Sin embargo, P2O3 y P2O5 son sólo fórmulas empíricas. Las fórmulas verdaderas de los óxidos son el doble de las escritas, es decir, P4O6 y P4O10. El P4O10 se forma cuando el P4 blanco reacciona con una cantidad de oxígeno, limitada: P4(s) + 3O2(g) → P4O6(s) Este óxido posee átomos de P (en estado de oxidación +3) con geometría tetraédrica, con un átomo de oxígeno de puente entre cada dos átomos de P. El P4O6 reacciona con agua para formar ácido fosforoso: P4O6(l) + 6 H2O(l) → 4 H3PO3(ac) La fórmula del H3PO3 es engañosa porque el ácido sólo tiene dos átomos de hidrógeno ácidos; el tercero está unido al átomo central de P y no se disocia. El ácido fosforoso es un ácido débil en agua pero reacciona completamente en exceso de una base fuerte. Las sales del ácido fosforoso contienen al anión bifosfito, HPO32-. El P4O10, conocido comúnmente como el pentóxido de fósforo, se forma cuando se quema P4 con un exceso de oxígeno: P4(s) + 5O2(g) → P4O10(s)
    • En esta estructura se conserva la unidad tetraédrica de átomos de fósforo en la que además de los átomos de O puentes hay un átomo de oxógeno adicional por cada átomo de P del vértice. Esto significa que hay 10 átomos de O por cada tetraedro P4. Este óxido es un agente desecante muy poderoso y en una reacción exotérmica y vigorosa con el agua, forma ácido fosfórico (H3PO4), uno de los 10 compuestos más importantes en las manufacturas químicas. P4O10(l) + 6 H2O(l) → 4 H3PO4(ac) La presencia de muchos enlaces con H hacen que sea una sustancia muy pura y 75 veces más viscosa que el agua. El H3PO es un ácido triprótico débil; en agua pierde un protón pero en exceso de una base fuerte se disocia, completamente en tres paso, para formar los tres oxoaniones fosfatos (H2PO4-, HPO42- y PO43-). Si se combinan P4O10 y H2O en relación molar 1:6 según la reacción anterior el producto líquido debería ser H3PO4 puro (al 100%). Sin embargo, un análisis del líquido indica que sólo tiene aproximadamente el 87,3% de H3PO4. El fósforo que falta está en el líquido pero como H4P2O7, un compuesto llamado ácido difosfórico o pirofosfórico. Se forma una molécula de ácido difosfórico cuando se elimina una molécula de agua entre dos moléculas de ácido ortofosfórico, como se muestra en la figura: Si se une una tercera molécula de ácido ortofosfórico, eliminándose una molécula de agua, el producto es el ácido trifosfórico, H5P3O10, y así sucesivamente. Las estructuras de cadenas de ácido fosfórico se denominan en su conjunto ácidos polifosfóricos y sus sales se llaman polifosfatos. Hay dos derivados de los ácidos polifosfóricos especialmente importantes que están en elos organismos vivos y se llaman ADP y ATP. La letra A del acrónimo se refiere a la adenosina, una combinación de una base orgánica llamada adenina y un azúcar de cinco átomos de carbono llamado ribosa. Si esta combinación de la adenosina se une a un ion difosfato, el producto es el ADP, difosfato de adenosina. Si se une a un ion fosfato al ADP se obtiene ATP, trifosfato de adenosina.
    • Síntesis del ácido fosfórico La mayor parte del ácido fosfórico se obtiene por reacción entre el ácido sulfúrico y el apatito: 3 Ca3(PO4)2·CaF2(s) + 10 H2SO4(ac, conc)+ 20 H2O(l) → 6 H3PO4(ac) + 10 CaSO4·2H2O(s) + 2 HF(ac) El HF se convierte en Na2SiF6, que es insoluble, y el yeso formado (CaSO4·2H2O) se filtra junto con otras impurezas insolubles. El ácido fosfórico se concentra por evaporación. El ácido fosfórico obtenido mediante este proceso húmedo contiene una gran variedad de iones metálicos como impurezas y es de color verde oscuro o marrón. Sin embargo es adecuado para fabricar fertilizantes y para operaciones metalúrgicas. Un método alternativo para obtener H3PO4 con una mayor pureza consiste en la combustión del fósforo blanco, P4, con aire, absorbiendo el P2O5 resultante en agua: P4(s) + 5 O2(g) → P4O10(s) P4O10(s) + 6 H2O(l) → 4 H3PO4 El ácido fosfórico se obtiene con una concentración entre 54.5 y 61.5 % (contenido de P2O5). Aplicaciones del ácido fosfórico La mayor parte del ácido fosfórico (85%) se destina a la fabricación de fertilizantes. El fósforo, junto con el nitrógeno y el potasio, son elementos esenciales para las plantas. El primer fertilizante comercial con alto contenido en fósforo fue el superfosfato triple, que se obtiene por reacción del apatito con ácido fosfórico: 3 Ca3(PO4)2·CaF2(s) + 14 H3PO4(ac, conc)+ 10 H2O(l) → 10 Ca(H2PO4)2·H2O(s) + 2 HF(ac) Actualmente su importancia en el mercado de los fertilizantes ha disminuido de modo constante en los últimos años. Los fertilizantes con fósforo más importantes son: mezclas de fosfato de monoamonio (MAP), NH4H2PO4 y fosfato de diamonio (DAP), (NH4)2HPO4. Estos fosfatos tienen la ventaja de proporcionar dos nutrientes a las plantas, N y P. Se obtiene por neutralización controlada el H3PO4(ac) con NH3(l). • Otros usos del ácido fosfórico incluyen sus aplicaciones en la industria de la alimentación; se emplea en la preparación de levaduras y cereales instantáneos, en la fabricación de queso, para curar jamones y para hacer amargos los refrescos. • Se emplea también para tratar metales haciéndolos más resistentes a la corrosión. 3. Contaminación del sistema Ecológico
    • Un problema medioambiental relacionado con el fósforo Los fosfatos se usan abundantemente como fertilizantes porque el fósforo es un nutriente indispensable para el crecimiento de las plantas. Esta utilización masiva de fertilizantes puede conducir a la contaminación por fosfatos de lagos, estanques y arroyos, provocando una explosión de crecimiento de plantas, especialmente algas. Las algas consumen el oxígeno del agua, llegando a morir los peces. Este tipo de cambio, que ocurre en lagos y arroyos de agua dulce como resultado de su enriquecimiento en nutrientes, se llama eutrofización. Es un proceso natural que tiene lugar en periodos de tiempo geológicos, pero puede ser acelerado en gran medida por la actividad humana. Una manera de disminuir la aportación de fosfatos al medio ambiente es eliminándolos de las plantas de tratamiento de aguas residuales. Al procesar el agua, los polifosfatos se degradan a ortofosfatos ya sea como fosfatos de hierro (III), fosfatos de aluminio o como fosfato de calcio. La precipitación se lleva a cabo, generalmente, por adición de sulfato de aluminio, cloruro de hierro(III) o hidróxido de calcio (cal apagada). En una planta de tratamiento moderna bien equipada pueden eliminarse de las aguas residuales hasta el 98% de los fosfatos. Efectos ambientales del Fósforo Fósforo blanco: El fósforo blanco estra en el ambiente cuando es usado en industrias para hacer otros productos químicos y cuando el ejército lo usa como munición. A través de descargas de aguas residuales el fósforo blanco termina en las aguas superficiales cerca de las fábricas donde es usado. El fósforo blanco no es probablemente esparcido, porque este reacciona con el oxígeno bastante rápido. Cuando el fósforo termina en el aire a través de los tubos de escape este teminará usualmente reaccionando con el oxígeno al instante para convertirse en partículas menos peligrosas. Pero en suelos profundos y en el fondo de los ríos y lagos el fósforo puede permanecer miles de años y más. Fosfatos: Los fosfatos tienen muchos efectos sobre los organismos. Los efectos son mayormente consecuencias de las emisiones de grandes cantidades de fosfatos en el ambiente debido a la minería y los cultivos. Durante la purificación del agua los fosfatos no son a menudo eliminado correctamente, así que pueden expandirse a través de largas distancias cuando se encuentran en la superficie de las aguas. Debido a la constante adición de fosfatos por los humanos y que exceden las concentraciones naturales, el ciclo del fósforo es interrumpido fuertemente. El incremento de la concentración de fósforo en las aguas superficiales aumenta el crecimiento de organismos dependientes del fósforo, como son las algas. Estos organismos usan grandes
    • cantidades de oxígeno y previenen que los rayos de sol entren en el agua. Esto hace que el agua sea poco adecuada para la vida de otros organismos. El fenómeno es comúnmente conocido como eutrofización. 4. Toxicidad de los compuestos al ser humano Efectos del Fósforo sobre la salud El Fósforo puede ser encontrado en el ambiente más comúnmente como fosfato. Los fosfatos son substancias importantes en el cuerpo de los humanos porque ellas son parte del material de ADN y tienen parte en la distribución de la energía. Los fosfatos pueden ser encontrados comúnmente en plantas. Los humanos han cambiado el suministro natural de fósforo radicalmente por la adición de estiércol ricos en fosfatos. El fosfato era también añadido a un número de alimentos, como quesos, salsas, jamón. Demasiado fosfato puede causar problemas de salud, como es daño a los riñones y osteoporosis. La disminución de fosfato también puede ocurrir. Estas son causadas por uso extensivo de medicinas. Demasiado poco fosfato puede causar problemas de salud. El Fósforo en su forma pura tiene un color blanco. El fósforo blanco es la forma más peligrosa de fósforo que es conocida. Cuando el fósforo blanco ocurre en la naturaleza este puede ser un peligro serio para nuestra salud. El fósforo blanco es extremadamente venenoso y en muchos casos la exposición a él será fatal. En la mayoría de los casos la gente que muere por fósforo blanco ha sido por tragar accidentalmente veneno de rata. Antes de que la gente muera por exposición al fósforo blanco ellos a menudo experimentan náuseas, convulciones en el estómago y desfallecimiento. El fósforo blanco puede causar quemaduras en la piel, dañar el hígado, corazón y riñones El fósforo blanco, es decir, la forma de fósforo elemental permanece usado como rodenticida en algunas partes del mundo. El fósforo blanco tiene toxicidad mayor al sistema gastrointestinal e hígado y la ingestión generalmente es seguida por un tipo peculiar de vómito descrito como "humo", luminiscente y con olor a ajo. Las heces resultantes pueden ser luminiscentes y con aspecto de "humo" (2). Posterior a su ingestión accidental o voluntaria puede ocurrir delirio y muerte por colapso cardiovascular dado que el fósforo blanco tiene un efecto tóxico directo sobre el miocardio y vasos periféricos. Experimentalmente, el envenenamiento agudo por fósforo deprime la síntesis proteica en el miocardio de ratones (3). Los pacientes quienes sobreviven a los efectos agudos de la toxicidad por fósforo blanco pueden tener un período relativamente asintomático que dura algunas semanas, para
    • luego experimentar un tercer estado de toxicidad sistémica que compromete el tracto gastrointestinal, el hígado, el riñón y el sistema nervioso central. El tratamiento para la intoxicación por fósforo blanco, incluye lavado orogástrico con una solución al 0.1% de permanganato de potasio, o una solución al 2-3% de peróxido de hidrógeno para oxidar el fósforo a fosfatos menos tóxicos, seguida por el uso de carbón activado y catárticos. Estas medidas no han sido adecuadamente investigadas así como los corticoides ni las transfusiones de recambio previamente recomendadas en la literatura; en un grupo de 49 pacientes suicidas de Colombia, los corticoides no previnieron el coma o la muerte por lesion hepática, en otro grupo de 15 pacientes con encefalopatía hepática, 3 de 5 pacientes tratados con transfusiones sobrevivieron respecto a 3 de 10 pacientes sin esta medida (4). 5. Solución ante la contaminación Una manera de disminuir la aportación de fosfatos al medio ambiente es eliminándolos de las plantas de tratamiento de aguas residuales. Al procesar el agua, los poli fosfatos se degradan a orto fosfatos ya sea como fosfatos de hierro (III), fosfatos de aluminio o como fosfato de calcio. La precipitación se lleva a cabo, generalmente, por adición de sulfato de aluminio, cloruro de hierro (III) o hidróxido de calcio (cal apagada). En una planta de tratamiento moderna bien equipada pueden eliminarse de las aguas residuales hasta el 98% de los fosfatos. Las industrias del fosforo pueden dividirse, en relación a sus aguas residuales, en dos tipos: Las que a partir de la extracción de fosfato anteriormente mencionados, se dedica a la producción de fosforo elemental o acido fosfórico térmico. En el primer tipo de industria cabe distinguir entre los vertidos de extracción y refino de los fosfatos, que producen aguas residuales en gran cantidad, conteniendo arcillas, fangos coloidales y aceites i los vestidos de la obtención de acido fosfórico por vía humeda, que son fuertemente ácidos (acido sulfúrico y fosfórico), gran contenido en fluor, pentoxido de fosforo ,sólidos en suspensión y algún tipo de sustancias reductoras. En la fabricación de fosforo elemental o acido fosfórico por vía térmica, los vertidos más importantes proceden de la salida de agua del condensador y son aguas residuales acidas, contienen fosforo elemental, sólidos en supencion, sílice y pentoxido de fosforo. La eliminación de fosforo en las aguas residuales implica la incorporación del mismo a una fase solida suspendida y su eliminación posterior en forma de fango. Las formas en las que se pueden llevarse a cabo este proceso son por vía química o biológica, en forma de precipitados inorgánicos o biomasa, respectivamente. A continuación, se realiza el tratamiento del fango, con las precauciones necesarias para que se produzca una resolución del fosforo en la fase liquida La eliminación del fosforo mediante decantación primaria es muy pequeña (en tomo a un 10 %).también se produce una reducción del mismo como consecuencia de su incorporación a la biomasa en el proceso convencional de fangos activos, en el que se puede llegar a eliminar entre un 20 % y un 30% del fosforo que contiene el agua a la entrada(sedlak,1991).Esto resulta insuficiente por ello se necesitan procedimientos
    • adicionales .Aunque el más habitual ha sido siempre el tratamiento físicoquimico,actualmente se están desarrollando los procesos de eliminación biológica del fosforo . La eliminación química del fosforo supone la formación de precipitados inorgánicos mediante la adición de agentes químicos y su retirada del medio liquido mediante operaciones de separación junto con el fango biológico o por separado. Los diferentes tipos de procesos de eliminación química de fosforo que pueden existir en una depuradora de aguas residuales se diferencian entre ellos en función de su ubicación relativa con el reactor biológico .los reactivos más utilizados son sales inorgánicas de Fe1 Fe2 Fe3 dependiendo su uso del tipo de agua de que se trate y de su PH En la actualidad se tiende a la eliminación de fosforo por vía biológica por el ahorro que supone en reactivos. La incorporación del fosforo al fango es un descubrimiento relativamente reciente .A comienzos de los años 60 se observó que en ciertas situaciones el fango activo era capaz de incorporar fosforo en unos niveles superiores halos habituales .En las plantas en las que se detecto este fenómeno se daba la conciencia de etapa aeróbica, llegándose a una eliminación neta del mismo. En muchas ocasiones no se alcanza los rendimientos de eliminación de fosforo deseados mediante un tratamiento biológico por lo que se necesita la adición de agentes químicos .el motivo es sobre todo que hay suficiente proporción de fosforo fácilmente degradable en el agua .Sin embargo , existe en el agua una cantidad de compuestos contaminantes la estrategia más utilizada para conseguir esta conversión se basa en considerar que la generación de AGV a partir de la materia orgánica suspendida no puede conseguirse en la etapa anaeróbica del proceso y por tanto se necesita un pre tratamiento del agua .Este consiste básicamente en la fermentación del fango primario para la eliminación del fosforo .