فسفر: کیمیا یا شیطان؟

هم‌نشینی با علمداستان عنصرها > فسفر: کیمیا یا شیطان؟

تاریخ انتشار: ۱۷ اسفند ۱۴۰۰

1_moon_venus
منبع: NASA/Bill Dunford

زمانی بسیار قبل‌تر از اینکه عنصر فسفر وارد دنیای علم شیمی شود، فسفر نامی بود که در زبان‌های یونانی‌ و لاتین به جرمی آسمانی داده بودند. این جرم آسمانی را ستاره صبح (در زبان لاتین Phosphorus) می‌نامیدند و آن را آورنده‌ی نورِ صبحگاهی می‌دانستند. امروزه می‌دانیم که آنچه ستاره صبح نامیده می‌شد همان سیاره زهره (یا ناهید) است. این سیاره که پس از عطارد نزدیک‌ترین سیاره به خورشید است وقتی در پرنورترین حالتش باشد بعد از خورشید و ماه درخشان‌ترین جسمی است که در آسمان دیده می‌شود. این سیاره را مانند دیگر سیاره‌هایی که از زمین به خورشید نزدیکترند در آسمان نزدیک به خورشید می‌بینیم، یا بعد از غروب یا قبل از طلوع خورشید. زمانی که زهره پیش از طلوع دیده می‌شود درخشش این سیاره در آسمان نشانه‌ی نزدیک شدن صبح است و به همین دلیل آن را آورنده‌ی نور خورشید می‌دانستند.

با این پیشینه‌ای که کلمه فسفر در بین مردم داشت، بی‌علت نبود که وقتی کیمیاگری آلمانی به نام هنیگ برند (Hennig Brand) در سال ۱۶۶۹ میلادی/ ۱۰۴۸ شمسی به‌طور اتفاقی عنصری کشف کرد که در تاریکی می‌درخشید، نام آن را فسفر گذاشت. فسفر از نظر زمان کشف یکی از اولین عنصرهایی است که نام کاشفِ آن می‌دانیم و جالب است که نام او، یعنی brand در زبان آلمانی به معنی آتش است. پیش از فسفر بشر عنصرهای دیگری را هم می‌شناخته، اما مانند بسیاری از دستاوردهای علمی در طول تاریخ، نمی‌دانیم چه کسی آنها را کشف کرده است: عنصرهایی مثل کربن، گوگرد، آهن، قلع، سرب، مس، نقره، طلا و ….

 

سودای تبدیل ادرار به طلا

گرچه درباره ستاره صبح (یا همان فسفر) شعرهای زیادی سروده شده و مورد توجه هنرمندانی با روحیه لطیف بوده، کشف این عنصر با استفاده از ماده اولیه‎ای انجام شد که به هیچ وجه لطافت ندارد! برند بر این عقیده بود که باید ارتباطی مقدس بین طلایی که در جستجویش بود و یک مایع طلایی‌رنگِ در دسترس، یعنی ادرار انسان، وجود داشته باشد! برند مقدار بسیار زیادی ادرار را روزها و روزها حرارت داد و طی فرایندی که جزییاتش تا سال‌ها برای کسی روشن نبود در نهایت به ماده سفید براقی رسید که وقتی در معرض هوا قرار می‌گرفت می‌درخشید. برای او شگفت‌آور بود که این درخشش بدون حضور گرما هم اتفاق می‌افتد و گویی خصوصیت ذاتی این ماده‌ی مرموز است.

این کشف برند را بسیار هیجان‌زده کرده بود و فکر می‌کرد شاید بالاخره به کیمیا دست یافته است، اما تلاش‌هایی که طی سالهای بعد برای رسیدن به طلا انجام داد بی‌نتیجه ماند. البته وقتی پولش تمام شد کشفش را به دیگران فروخت و دست کم با این کار خودش و بقیه را به ثروتی رساند.

2-match

فسفرِ عصبانی

عنصر فسفر چندین شکل مختلف دارد که همه جامد و آتش‌گیرند: فسفر سفید، قرمز، سیاه و بنفش. فسفر قرمز را به كناره‌های زبرِ قوطی كبریت می‌چسبانند و با كشیدن سر چوب‌كبریت روی این کناره‌ها آن را روشن می‌کند. فسفر سیاه هم وجود دارد که ساختنش سخت است، اما کاربردهای زیادی هم ندارد. فسفر بنفش را در آزمایشگاه و با حرارت دادنِ فسفر قرمز می‌سازند. اما ترسناک‌ترین شکل این عنصر فسفر سفید است که در شکل عنصری‌اش دست کمی از شیطان ندارد، هر چند که بویش به بدیِ بوی همسایه کناری‌اش در جدول تناوبی، یعنی گوگرد نیست! درخششی که برند در آزمایش‌هایش دید مربوط به واکنش فسفر سفید با اکسیژن بود.

3-phosphorus_bomb
پرتاب بمب فسفر سفید (منبع: Wikimedia Commons)

فسفر سفید جامدی براق و سمّی است، به‌طوری‌كه تماسِ آن با پوست باعث سوختگی شدید می‌شود. این ماده در تاریكی می‌درخشد و در هوا خودبه‌خود آتش می‌گیرد. از فسفر سفید در آتش‌بازی استفاده می‌شود و مواد انفجاری را نیز با آن می‌سازند. سلاح‌های سنگین و گلوله‌های خمپاره‌ی فسفرسفید از گذشته تا امروز در جنگ‌ها به کار رفته و نتایج ناگوار زیادی به بار ‌آورده است. در یکی از بزرگ‌ترین آتش‌افروزی‌های جنگ جهانی دوم در سال ۱۹۴۳ میلادی/۱۳۲۲ شمسی، این عنصر باعث سوختن و با خاک یکسان شدن شهرِ کاشفش، یعنی هامبورگ شد (بمب‌های آتش‌زای منیزیم ساختمان‌ها را در هم شکستند و فسفر سفید مردمی را که به خیابان آمده بودند سوزاند.)

 

فسفرِ نجات‌بخش

هرچند فسفر در شکل عنصری‌اش آتش‌گیر و گاهی بسیار خطرناک است، وقتی که ترکیباتی مثل فسفات را تشکیل می‎‌دهد به عنصری حیاتی تبدیل می‌شود که طی تاریخ حیات بشر همیشه عامل محدودکننده‌ی رشد محصولات کشاورزی بوده است. تهی شدن خاک از فسفر در طول تاریخ گرسنگی‌های دسته‌جمعی عظیمی به بار آورده و جستجوی جایگزین‌هایی (مثل انواع کودهای طبیعی) سرنوشت تمدن‌ها را رقم زده است. اما در واقع در نیمه دهه‌ی ۱۸۰۰ میلادی (بیش از دویست سال پیش) بود که بشر یاد گرفت چطور از سنگ‌های فسفات کود بسازد و عملاً برای این کمبود راه‌حلی عملی پیدا شد. کودهای فسفاته را می‌توان مسئول انفجار جمعیت بشر دانست؛ انفجاری که حالا به جایی رسیده که دیگر نه کمبود فسفر، بلکه کمبود آب است که در بسیاری از نقاط جهان به عامل محدود‌کننده تبدیل شده است.

عنصر فسفر برای تمام موجودات زنده ضروری است، زیرا در مولکول‌های تشکیل‌دهنده‌ی ساختار ژنتیکی شركت می‌كند. همچنین بخشی از مولكول آدِنوزین تری‌فسفات كه در انتقال انرژی در سلو‌ل‌ها اهمیت دارد را فسفر تشكیل می‌دهد و در بسیاری از مولکول‌های مهم دیگر در زیست‌شناسی هم پیدا می‌شود. بدن ما روزانه در حدود یك گرم فسفات نیاز دارد و مجموعاً حدود ۷۵۰ گرم ذخیره‌ی فسفات در دندان‌ها و استخوان‌های ما وجود دارد.

Apatit
آپاتیت آبی (منبع: Wikimedia Commons)

منابع و کاربردهای فسفر

فسفر هیچگاه در طبیعت به شکل خالص پیدا نمی‌شود و در کانی‌های مختلفی وجود دارد. معمولاً به‌شكل تركیباتِ فسفات دیده می‌شود که در آنها فسفر به اکسیژن متصل است. یكی از این كانی‌ها كه در تصویر بالا نشان داده شده آپاتیت است كه تركیب شیمیاییِ آن، مانند دندان‌ها و استخوان‌های ما، كلسیم فسفات است. آپاتیت معمولاً سبزرنگ است، اما انواعی از آن به رنگ‌های زرد، قهوه‌ای، آبی، بنفش، صورتی و بی‌رنگ نیز دیده می‌شود. این رنگ‌های متنوع و زیبا آپاتیت را به یك سنگ زینتی تبدیل كرده است.

کلسیم فسفات در ظروف چینی هم به کار می‌رود که سبک و در عین حال محکم‌اند. در کپسول‌های آتش‌خاموش‌کن از ترکیب آمونیوم فسفات استفاده می‌شود که با پاشیدن آن روی ماده‌ی در حال سوختن، اکسیژن به آن نمی‌رسد و آتش خاموش می‌شود. ترکیبات پیچیده‎تری از فسفر هم در حشره‌کش‌ها استفاده می‌شود و سمّی است.

در حال حاضر بیش‌ترین كاربرد تركیبات فسفر در تولید كودهای شیمیایی (به شکل آمونیوم فسفات) است. فسفات‌ها در مواد شوینده نیز به‌كار می‌روند، اما در برخی كشورها این نوع شوینده‌ها در حال كنار گذاشته شدن هستند، زیرا با وارد کردن بیش از اندازه‌ی فسفات به ذخایر طبیعی آب مانند دریاچه‌ها، منجر به رشد بی‌رویه جلبك‌ها می‌شوند. این جلبك‌ها مانع رسیدن نور و انجام فوتوسنتز به‌وسیله موجوداتِ آبزی می‌شوند. در نتیجه پس از تمام شدنِ اكسیژنِ حل‌شده در آب، موجودات زنده‌ی دریاچه‌ها می‌میرند.

5-marine
منبع: Wikimedia Commons

آیا کرم شب‌تاب فسفر سفید دارد؟!

شاید دیده باشید که در تاریکی شب، آبهای گرم دریا با رنگ سفید شیری یا آبی می‌درخشند. برخی از باکتری‌های موجود در دریا آنزیم‌های خاصی دارند که باعث انجام واکنش‌های شیمیاییِ تولیدکننده‌ی نور می‌شود. این پدیده فسفرسانس نام دارد و نامگذاری‌اش به همان معنیِ اولیه‌ی کلمه فسفر برمی‌گردد و ربطی به عنصر فسفر ندارد! به غیر از باکتری‌ها گونه‌های دیگری مثل کرم شب‌تاب و برخی قارچ‌ها هم پدیده فسفرسانس را نشان می‌دهند.

عنصرهای این داستان