Fosfor

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 27 martie 2022; verificările necesită 5 modificări .

Fosfor (din lat.  lumen  - lumină și alte grecești φορός  - purtător) - o substanță care poate transforma energia pe care o absoarbe în radiație luminoasă ( luminiscență ).

Informații de bază

În funcție de natura lor chimică, fosforii sunt împărțiți în anorganici (fosfori), dintre care majoritatea aparțin fosforilor de cristal, și organici (organoluminofori). Strălucirea fosforilor anorganici (fosfori cristali) se datorează în majoritatea cazurilor prezenței cationilor străini , conținute în cantități mici (de la 0,0001% la 2%).

Astfel de impurități ( activatori ) sunt de obicei ioni de metale tranziționale , de exemplu luminiscența sulfurei de zinc este activată de o impuritate a ionilor de cupru .

Istorie

Luminescența este o strălucire non-termică a unei substanțe care apare după ce aceasta absoarbe energia de excitație . Luminescența a fost descrisă pentru prima dată în secolul al XVIII-lea.

Unul dintre tipurile de luminiscență, chemiluminiscența (luminiscența ca rezultat al unei reacții chimice), a fost observat pentru prima dată în 1669 de Hennig Brand, care a descoperit fosforul. [unu]

Până în secolul al XX-lea, ideile teoretice despre esența chemiluminiscenței convergeau spre faptul că o parte din energia eliberată în timpul unei reacții chimice nu se transformă în căldură; atomii substanţelor care reacţionează trec în acest caz într-o stare excitată, care se manifestă prin luminescenţă.

În secolul al XX-lea, Kautsky și Zocher, în munca lor asupra compușilor de siliciu nesaturat, au descoperit că atunci când sunt expuși la lumină, are loc un fenomen foarte luminos de chimio, catodo și fotoluminiscență (fosforescență și fluorescență). Oamenii de știință au descoperit că răcirea a crescut luminiscența, ceea ce i-a condus la ideea că aceleași obiecte care provoacă fluorescența ar putea fi sursa chemiluminiscenței. Adică, atomii unei substanțe care nu participă direct la o reacție chimică, dar primesc energie pentru strălucirea de la particulele care au reacţionat.

În anii 1920, la inițiativa lui S. I. Vavilov, au început cercetările care vizează crearea lămpilor fluorescente, noi surse de lumină pentru acea vreme. În același timp, O. V. Losev a descoperit electroluminiscența, care a fost ulterior folosită în producția de diode emițătoare de lumină.

De la începutul anilor 1990, pe lângă fenomenele tradiționale de luminescență (descărcare gazoasă, fotoluminiscență, electroluminiscență prin injecție și câmp, catodoluminiscență de joasă și înaltă tensiune), au început studiile de catodoluminiscență în domeniul mediu al energiilor fasciculului de electroni. [2]

În prezent, fenomenul luminiscenței este utilizat activ în crearea de lămpi fluorescente și LED-uri, în ecranele cu fosfor pentru echipamente medicale, în ecranele color ale televizoarelor și a altor dispozitive electronice, în proiectare, precum și în sistemul de securitate și evacuare.

În fiecare an sunt îmbunătățite tehnologiile de producere a substanțelor luminiscente, ceea ce ajută la crearea fosforilor cu calități luminoase îmbunătățite.

Clasificare

Lista substanțelor capabile să creeze luminiscență sub una sau alta influență este destul de extinsă și, prin urmare, există mai multe tipuri de clasificări ale acestor compuși. [2] Clasificarea după metoda excitației este cea mai convenabilă, așa că multe cărți despre fosfor o folosesc.

Clasificare după metoda de excitare a luminiscenței
Metoda excitației prin luminescență Tip de fosfor
radiații UV Fotofosfor
fascicul de electroni catodoluminofor
câmp electric Electrofosfor
radiația α-, β- a undelor radioactive Radiofosfori
Raze X sau radiații γ fosfor cu raze X
Clasificarea după tipul de energie absorbită
Tip de luminescență Tip de energie absorbită
Fotoluminiscență Radiația electromagnetică ( UV , vizibilă)
Luminescență cu raze X Radiația electromagnetică ( raze X )
catodoluminiscenţă Energia cinetică a electronilor
electroluminiscență Energia câmpului electric
Radioluminescență Energia razelor α-, β-, γ-, ionilor
Chemiluminiscență Energia unei reacții chimice
bioluminescență Energia unei reacții biochimice
triboluminiscenţă Energia mecanică de frecare
termoluminiscență Energie termală
Clasificare în funcție de natura proceselor care provoacă strălucirea
Caracter Fosfor
Intracentric Se folosește un fosfor neconductiv cu, sau un fosfor cu centre discrete
Recombinare Se folosește un fosfor fotoconductor
Clasificare după durata strălucirii
Tip de luminescență Timp de răspuns
Fluorescenţă estompare rapidă
Fosforescenţă lung

Spectrele de absorbție și excitație

O caracteristică importantă a fosforilor este spectrele lor de absorbție, care reflectă dependența cantității de energie absorbită de lungimea de undă a luminii incidente asupra fosforului. Spectrul de emisie al fosforului depinde de natura chimică a activatorului și de baza fosforului, de interacțiunea lor, iar în cazul fosforilor cu mai mulți activatori, de interacțiunea activatorilor între ei. Spectrele de emisie pot depinde de intensitatea și lungimea de undă a luminii excitante, precum și de temperatură. [3]

Dependența spectrelor de emisie de lungimea de undă a luminii excitante poate fi bine urmărită pe fosforii caracteristici (Ca, Mg) 3 (PO 4 ) 2 · Sn și (Ca, Zn) 3 (PO 4 ) 2 · Sn. Spectrele lor de emisie constau din benzi largi situate în regiunile roșii și verzi ale spectrului. [3]

Metode de sinteză

Numărul de substanțe care pot fi utilizate pentru sinteza fosforilor este destul de mare, dar în practică se folosesc următoarele clase de compuși: calcogenuri și fosfați ai metalelor din a doua grupă, silicați, oxizi, tungstate, compuși ai elementelor pământurilor rare.

Tehnologia de fabricație a fosforilor se referă la sinteza anorganică fină la temperatură înaltă. Fosforii sunt utilizați sub formă de pulberi policristaline, mai rar sub formă de monocristale și pelicule subțiri. Sinteza fosforilor se realizează la 900-1200ºС.

Pentru a obține un fosfor cu proprietățile dorite, este necesar să se respecte cu strictețe compoziția încărcăturii și condițiile de calcinare, pentru a preveni pătrunderea de impurități aleatorii și pentru a asigura uscarea completă a fosforului. De asemenea, este necesar să se respecte puritatea materialelor în toate etapele sintezei. [2]

Calcogenuri ale elementelor din a doua grupă

Aproape toate calcogenurile sunt compuși foto-semiconductori cu conducție de tip electronic (o impuritate are o valență mai mare decât un semiconductor pur, apar electroni liberi). Telurura de zinc se caracterizează prin conductivitate în găuri (impuritatea are o valență mai mică decât un semiconductor pur, apar rupturi de legătură - găuri), iar pentru telurura de cadmiu, găuri și electronice. [2]

Calcogenurile de zinc și cadmiu se caracterizează prin luminescență „autoactivată” datorită propriilor defecte, sau se asociază cu un amestec de halogeni sau cationi trivalenți. De asemenea, calcogenurile se caracterizează prin luminiscență asociată cu introducerea de impurități activatoare. [3]

Fosforii pe bază de sulfuri de metale alcalino-pământoase sunt sintetizați prin calcinarea amestecurilor de carbonați corespunzători cu un activator, sulf , fluxuri și un agent reducător. Principala reacție care are loc în timpul sintezei fosforilor poate fi reprezentată prin ecuația:

Sulfura de zinc poate fi obținută prin metoda hidrogenului sulfurat prin reacția:

De menționat, de asemenea, metoda tiosulfatului pentru prepararea sulfurilor , bazată pe reacții care pot fi scrise într-un mod simplificat ca:

În sinteza fosforilor calcogenuri se obțin în prealabil sulfurile inițiale. Sinteza are loc în 3 etape:

Prepararea amestecului

La cântare tehnice, se cântărește cantitatea necesară de calcogenură (pulbere) și se adaugă o cantitate dată de soluții de flux (o substanță adăugată minereului în timpul topirii sale pentru a crește fuzibilitatea impurităților prezente în acesta și formarea de zgură). ) și un activator (o substanță care intensifică procesele fizice și chimice). Amestecul (amestecul inițial utilizat în procese pirometalurgice sau alte procese la temperatură înaltă) este bine amestecat.

Uscare

Amestecul se usucă la 100-120ºС într-un cuptor până la praf pentru un timp în funcție de cantitatea de amestec (aproximativ 0,5-1 oră).

Calcinare

Calcinarea se efectuează într-un cuptor cu mufă la o temperatură dată de 900-1200ºС pentru un timp în funcție de cantitatea de încărcare (aproximativ 0,5-1 oră). În etapa calcinării sarcinii, are loc procesul de formare a unui fosfor, adică cristalizarea substanței de bază, difuzia impurităților activatoare introduse în sarcină, reacții chimice eterogene și intercristaline de formare a diferitelor defecte în rețea. [2]

Selenurile de zinc și cadmiu sunt obținute din sulfuri printr-o reacție care, într-o formă simplificată, arată astfel: [3]

Fosfații de metale din a doua grupă

Dintre fosfați, cel mai utilizat în producția de fosfor este fosfatul de calciu, care este folosit pentru sursele de lumină luminiscente. Varietatea proprietăților luminiscente ale fosfaților constă în prezența unui număr mare de modificări polimorfe, friabilitatea relativă a rețelelor, care creează condiții favorabile pentru formarea unui fosfor. Fosfatul de zinc este, de asemenea, utilizat pentru sinteza fosforilor, care este baza pentru sinteza catodoluminoforilor cu radiație roșie. Fosfații dubli de calciu și magneziu sunt utilizați pentru a sintetiza fosfori, care sunt ulterior utilizați în lămpile cu ultraviolete. [2]

Fosfații în fază solidă pot fi sintetizați în diferite moduri. De exemplu, fosfații de calciu și stronțiu sunt obținuți prin una dintre următoarele opțiuni: [3]

silicati

Cel mai utilizat în producția de fosfor de silicat este silicatul de zinc, care este folosit ca bază pentru catodoluminofori cu o strălucire verde. Datorită stabilității lor chimice și termice ridicate și rezistenței la bombardamentul electronic, fosforii silicați sunt utilizați în dispozitivele cu fascicul de electroni. [2] Silicatul de zinc este preparat prin calcinarea unui amestec de ZnO cu SiO2 la 1200º . [3]

Silicatul de calciu activat cu Pb si Mn poate fi obtinut prin calcinarea unui amestec de carbonati sau oxizi ai metalelor corespunzatoare cu SiO2 . Aceasta necesită o temperatură de 1150º și o atmosferă de vapori de apă, care are un efect de mineralizare (transformare în stare solidă). [3]

sisteme de oxizi

Multe metale din grupele II, III, IV ale sistemului periodic prezintă luminiscență la excitația foto, catodică și cu raze X, dar puține au aplicații practice. Cel mai utilizat este oxidul de zinc, care este folosit ca catodoluminofor cu o strălucire foarte scurtă, precum și în indicatorii catodoluminofor de joasă tensiune.

Oxizii și oxisulfurile elementelor pământurilor rare (REE) sunt din ce în ce mai folosite ca bază pentru sinteza catodoluminoforilor. Avantajul lor esențial este saturația ridicată a culorii și stabilitatea ridicată la bombardamentul electronic. [2]

Tungstate

Fosforii tungstat sunt în principal auto-activați, adică luminesc fără introducerea unui activator. [2]

Compuși de pământuri rare

Compușii REE joacă cu succes rolul atât de substanță principală, cât și de activator. Astfel de compuși sunt utilizați în sinteza catodoluminoforilor care funcționează la densități mari de curent de excitare a electronilor. [2]

Aplicație

Utilizarea fosforilor în tehnologie ne permite să economisim energie electrică, deoarece dezvoltarea tehnologiei semiconductoare a stimulat munca la crearea surselor de lumină electroluminiscente prin injecție. Capacitatea de a viziona la televizor este asigurată datorită fosforilor, deoarece pentru ecranele tuburilor de televiziune receptoare se practică utilizarea amestecurilor de fosfor pentru a obține o luminozitate ridicată a strălucirii aproape de alb. Utilizarea fosforilor în industria medicală vă permite să faceți raze X și fluorografie. Și, de asemenea, capacitatea fosforilor de a străluci fără o sursă de energie electrică și-a găsit aplicație în sistemele de evacuare și de siguranță la incendiu.

Fosforul este folosit pentru a corecta spectrul de emisie în unele surse de lumină . În fosforul de mercur fluorescent și arc (XRL) , becul interior este acoperit cu un fosfor care absoarbe radiația ultravioletă creată de vaporii de mercur și emite în domeniul vizibil .

LED-urile albe conțin un cristal emițător de lumină albastră acoperit cu un fosfor de ytriu-aluminiu granat (YAG) care absoarbe o parte din lumina albastră și emite lumină în regiunea roșu-galben.

Fosforii anorganici sunt utilizați în lămpi fluorescente , tuburi catodice , pentru fabricarea ecranelor cu raze X, servesc ca indicatori de radiație etc.

Fosforii organici (uneori denumiți „lumogeni”) sunt utilizați pentru a face coloranți fluorescenți strălucitori pentru textile, materiale plastice, bijuterii, în cerneluri de imprimare, pentru pigmentarea argilei polimerice, vopsele pentru tapet, pigmenți pentru tatuaje , cosmetice, materiale luminiscente, utilizate pentru detectarea fisurilor. în detaliu, analiză luminiscentă sensibilă în chimie , biologie , medicină și criminalistică .

Vezi și

Note

  1. ↑ Volkov V.A., Vonsky E.V., Kuznetsova G.I. Chimiști remarcabili ai lumii. - Moscova, 1991.
  2. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Guretskaya Z.I. Tehnologia fosforilor și a ecranelor luminiscente. - Moscova, 2005.
  3. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Kazankin O.F., Markovsky L.Ya., Mironov I.A., Pekerman F.M., Petoshina L.N. fosfori anorganici. - Leningrad, 1975.

Literatură