फॉस्फोरस और उसके अपरूप
फॉस्फोरस (प्रतीक P, परमाणु क्रमांक 15) समूह 15 का अधातु है, नाइट्रोजन के ही परिवार में। यह प्रकृति में मुक्त नहीं मिलता; फॉस्फेट के रूप में मिलता है, जैसे फॉस्फेट चट्टान, Ca₃(PO₄)₂।
अपरूप एक ही तत्व के अलग-अलग रूप हैं:
- सफ़ेद फॉस्फोरस: P₄ अणु (4 परमाणुओं का पिरामिड, आबंध कोण 60°, तनाव में)। नरम और मोम जैसा, अँधेरे में हल्का चमकता है, ज़हरीला, हवा में लगभग 30 °C पर जल उठता है। पानी के नीचे रखा जाता है।
- लाल फॉस्फोरस: P परमाणु लंबी श्रृंखला में जुड़े। स्थायी, उसी तरह ज़हरीला नहीं, लगभग 260 °C पर ही जलता है। माचिस की पट्टी पर लगता है।
- काला फॉस्फोरस: परतदार, सबसे कम अभिक्रियाशील रूप।
बनाना: फॉस्फेट चट्टान को रेत और कोक के साथ विद्युत भट्ठी में गरम कीजिए: 2Ca₃(PO₄)₂ + 6SiO₂ + 10C → 6CaSiO₃ + 10CO + P₄। P₄ की भाप पानी के नीचे ठंडी की जाती है।
फॉस्फोरस नाइट्रोजन (N₂) से इतना ज़्यादा अभिक्रियाशील क्यों है? N≡N का त्रि-आबंध बहुत मज़बूत है; तनावग्रस्त P₄ के P–P एकल आबंध कमज़ोर हैं।
फॉस्फोरस का जलना: ऑक्साइड और फॉस्फोरिक अम्ल
फॉस्फोरस ऑक्सीजन में जलता है। उत्पाद हवा की मात्रा पर निर्भर है।
- कम हवा: P₄ + 3 O₂ → P₄O₆ (फॉस्फोरस(III) ऑक्साइड)।
- ख़ूब हवा: P₄ + 5 O₂ → P₄O₁₀ (फॉस्फोरस(V) ऑक्साइड, सफ़ेद धुआँ)। इसे अक्सर P₂O₅ लिखते हैं।
P₄O₁₀ पानी का बहुत प्यासा है, इसलिए शुष्कक के रूप में प्रयोग होता है। पानी से यह फॉस्फोरिक अम्ल देता है:
P₄O₁₀ + 6 H₂O → 4 H₃PO₄
H₃PO₄ में तीन –OH समूह हैं जो H⁺ दे सकते हैं, इसलिए यह त्रिक्षारकीय है। NaOH के साथ तीन तरह के लवण बनते हैं: NaH₂PO₄, Na₂HPO₄ और Na₃PO₄ (फॉस्फेट)। यह कोल्ड ड्रिंक, जंग हटाने वाले घोल और उर्वरकों में काम आता है।
फॉस्फाइड और फॉस्फीन
फॉस्फाइड फॉस्फोरस का किसी धातु के साथ यौगिक है, जैसे कैल्शियम फॉस्फाइड Ca₃P₂ या ऐल्युमिनियम फॉस्फाइड AlP। (यहाँ P, P³⁻ है।)
फॉस्फाइड पानी या अम्ल से अभिक्रिया करके फॉस्फीन PH₃ देते हैं:
- Ca₃P₂ + 6 H₂O → 3 Ca(OH)₂ + 2 PH₃
- AlP + 3 H₂O → Al(OH)₃ + PH₃
इसे सफ़ेद फॉस्फोरस को NaOH विलयन के साथ उबालकर भी बना सकते हैं: P₄ + 3 NaOH + 3 H₂O → PH₃ + 3 NaH₂PO₂।
फॉस्फीन, PH₃: रंगहीन, बहुत ज़हरीली गैस, गंध सड़ी मछली या लहसुन जैसी। अणु पिरामिड है (ऊपर P, नीचे तीन H, एक एकाकी युग्म), आबंध कोण लगभग 93.5°, जो अमोनिया (107°) से छोटा है। यह बहुत दुर्बल क्षार है: PH₃ + HI → PH₄I (फॉस्फोनियम आयोडाइड)। यह जलती है: 2 PH₃ + 4 O₂ → P₂O₅ + 3 H₂O। अशुद्ध फॉस्फीन अपने आप जल सकती है, जिससे शायद दलदल पर दिखने वाली "भूतिया रोशनी" समझाई जाती है।
फॉस्फेट और उर्वरक
पौधों को N, P और K (नाइट्रोजन, फॉस्फोरस, पोटैशियम) चाहिए। फॉस्फोरस DNA में, ATP (कोशिका का ऊर्जा-पैकेट) में और हड्डियों में होता है। पौधे इसे घुलनशील फॉस्फेट आयनों के रूप में लेते हैं।
समस्या: फॉस्फेट चट्टान Ca₃(PO₄)₂ पानी में अघुलनशील है, इसलिए जड़ें इसे नहीं ले सकतीं। उपाय: इसे घुलनशील लवण बनाइए।
- एकल सुपरफॉस्फेट: Ca₃(PO₄)₂ + 2 H₂SO₄ → Ca(H₂PO₄)₂ + 2 CaSO₄।
- ट्रिपल सुपरफॉस्फेट: Ca₃(PO₄)₂ + 4 H₃PO₄ → 3 Ca(H₂PO₄)₂ (बोरी में ज़्यादा P)।
- अमोनियम फॉस्फेट: H₃PO₄ + 2 NH₃ → (NH₄)₂HPO₄ N और P दोनों देता है।
सावधानी: बहुत ज़्यादा फॉस्फेट बहकर तालाबों और झीलों में पहुँचता है और शैवाल को खिलाता है। शैवाल पानी ढक लेते हैं और बाद में सड़ते हैं, ऑक्सीजन ख़त्म हो जाती है और मछलियाँ मर जाती हैं। इसे सुपोषण (यूट्रोफिकेशन) कहते हैं।
करके देखिए: पहले अनुमान, फिर जाँच
3D बोर्ड पर P₄O₆ चुनिए और कैप्शन पढ़ने से पहले लाल O परमाणु गिनिए (उत्तर 6)। फिर P₄O₁₀ चुनिए और फिर गिनिए (10)। घर का सुरक्षित काम: माचिस की डिब्बी के किनारे की पट्टी देखिए। वह लाल फॉस्फोरस है। तीली जलाइए और सिर जलता देखिए: यह फॉस्फोरस यौगिकों की ऑक्सीजन से अभिक्रिया है। सफ़ेद फॉस्फोरस को कभी न छुएँ। खाद की बोरी का लेबल देखिए और N-P-K की तीन संख्याएँ ढूँढिए।
मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ
- P₄ + 3 O₂ → P₄O₆ (limited air)
- P₄ + 5 O₂ → P₄O₁₀ (plenty of air)
- P₄O₁₀ + 6 H₂O → 4 H₃PO₄
- Ca₃P₂ + 6 H₂O → 3 Ca(OH)₂ + 2 PH₃
- Ca₃(PO₄)₂ + 2 H₂SO₄ → Ca(H₂PO₄)₂ + 2 CaSO₄
- Molar masses: P 31, O 16, H 1, Ca 40, S 32 (g/mol)
हल किए गए उदाहरण
1. संतुलित कीजिए: P₄ + O₂ → P₄O₁₀।
दाएँ पक्ष में 10 O परमाणु हैं, इसलिए बाएँ में 5 O₂ चाहिए। P₄ + 5 O₂ → P₄O₁₀। P: 4 = 4, O: 10 = 10।
2. ख़ूब हवा में 6.2 g फॉस्फोरस जलने पर कितना P₄O₁₀ बनेगा? (P = 31, O = 16)
P परमाणुओं के मोल = 6.2 ÷ 31 = 0.2। हर P₄O₁₀ में 4 P परमाणु हैं, इसलिए 0.2 ÷ 4 = 0.05 मोल P₄O₁₀। P₄O₁₀ का मोलर द्रव्यमान = 4×31 + 10×16 = 284 g/mol। द्रव्यमान = 0.05 × 284 = 14.2 g।
3. 18.2 g Ca₃P₂ अधिक पानी से अभिक्रिया करता है। बनी PH₃ का द्रव्यमान ज्ञात कीजिए। (Ca = 40, P = 31, H = 1)
Ca₃P₂ का मोलर द्रव्यमान = 3×40 + 2×31 = 182 g/mol। मोल = 18.2 ÷ 182 = 0.1। समीकरण में प्रति Ca₃P₂ से 2 PH₃ मिलते हैं, इसलिए 0.2 मोल PH₃। PH₃ का मोलर द्रव्यमान = 34। द्रव्यमान = 0.2 × 34 = 6.8 g। (STP पर आयतन 0.2 × 22.4 = 4.48 L।)
4. लाल फॉस्फोरस खुले में रखना सुरक्षित है पर सफ़ेद फॉस्फोरस नहीं, क्यों?
सफ़ेद फॉस्फोरस 60° आबंध कोण वाला P₄ है। तनाव से आबंध कमज़ोर हैं, इसलिए यह लगभग 30 °C पर ऑक्सीजन से अभिक्रिया करके जल उठता है। लाल फॉस्फोरस श्रृंखला है जिसमें ऐसा तनाव नहीं और वह लगभग 260 °C पर ही जलता है।
5. 0.1 मोल H₃PO₄ को पूरा उदासीन करने के लिए कितने मोल NaOH चाहिए?
H₃PO₄ त्रिक्षारकीय है: H₃PO₄ + 3 NaOH → Na₃PO₄ + 3 H₂O। इसलिए 0.1 × 3 = 0.3 मोल NaOH।
6. H₃PO₄ में फॉस्फोरस का द्रव्यमान प्रतिशत ज्ञात कीजिए।
मोलर द्रव्यमान = 3×1 + 31 + 4×16 = 98 g/mol। P का प्रतिशत = 31 ÷ 98 × 100 ≈ 31.6 %।
7. 31 g Ca₃(PO₄)₂ को एकल सुपरफॉस्फेट बनाने के लिए कितना H₂SO₄ चाहिए? (Ca = 40, P = 31, O = 16, S = 32)
Ca₃(PO₄)₂ का मोलर द्रव्यमान = 3×40 + 2×(31 + 64) = 310 g/mol। मोल = 31 ÷ 310 = 0.1। समीकरण: 1 Ca₃(PO₄)₂ को 2 H₂SO₄ चाहिए, इसलिए 0.2 मोल। H₂SO₄ का मोलर द्रव्यमान = 98। द्रव्यमान = 0.2 × 98 = 19.6 g।
8. PH₃ में H–P–H कोण (लगभग 93.5°) NH₃ के H–N–H कोण (107°) से छोटा क्यों है?
फॉस्फोरस बड़ा परमाणु है और उसकी आबंधन कक्षकें लंबी हैं तथा कम मिश्रित होती हैं। एकाकी युग्म ज़्यादा जगह लेता है, इसलिए तीनों P–H आबंध 90° के पास दब जाते हैं।
आम गलतियाँ
- सफ़ेद फॉस्फोरस को P लिखना। यह P₄ है (पिरामिड में चार परमाणु)।
- P₄O₆ और P₄O₁₀ को मिला देना। कम हवा से 6 O, ख़ूब हवा से 10 O।
- फॉस्फीन को अमोनिया जैसा प्रबल क्षार कहना। PH₃ बहुत दुर्बल क्षार है।
- अघुलनशील चट्टान फॉस्फेट को सीधे उर्वरक की तरह डालना। पौधों को घुलनशील फॉस्फेट चाहिए, इसलिए पहले उसे अम्ल से उपचारित करते हैं।