Круговорот фосфора
в природе
История «путешествий» фосфора на Земле,
или, как говорят ученые-геохимики, его миграция,
очень интересна и поучительна. Атомы фосфора,
как и всех других элементов,
постоянно участвуют в великом
природном круговороте веществ.
Фосфор – относительно редкий элемент. По
данным академика А.Е.Ферсмана, его весовой кларк
(процентное содержание элемента в земле) равен всего 0,12%. В
таблице распространенности химических элементов в земной коре он
стоит на 13-м месте вслед за углеродом и хлором, перед серой. К
тому же фосфор – элемент, редко накапливающийся в больших
количествах, и потому его относят к числу
рассеянных.
В свободном виде в природе по
причине своей очень сильной окисляемости он не
встречается, но входит в состав многих минералов (их
насчитывается до 120) и множества органических
веществ. Большинство минералов, содержащих фосфор, являются
редкими. Наиболее важные минералы (природные фосфаты)
– апатит, вивианит, а также осадочная горная
порода фосфорит, состоящая из мелкокристаллического
или аморфного фосфата кальция с примесью
некоторых других веществ.
Несмотря на свою
малую распространенность и разбросанность, фосфор,
однако, имеет исключительно важное значение в жизни
растительных и животных организмов. Он входит в состав большинства
растительных и животных белков и протоплазмы. Фосфор – биогенный
элемент. Академик Ферсман называл фосфор элементом жизни и
мысли.
Источником всех фосфорных соединений
в природе следует признать апатит – фосфат
кальция, содержащий переменное количество фтора и хлора.
В зависимости от преобладания
в апатите фтора или хлора образуются
минералы фторапатит Са5F(РO4)3 или
хлорапатит Са5Сl(PO4)3. Они содержат от 5 до 36%
P2O5.
Мировое месторождение
апатитов
находится в
Хибинах
В изверженных породах обычно всегда
есть мелкие кристаллики апатита. Главнейшие его запасы
находятся в зоне магмы, но он встречается и
в тех местах, где изверженные породы образуют
контакт с осадочными. Значительные запасы апатитов
имеются в Норвегии и Бразилии. Подлинно мировое месторождение
апатитов находится у нас, на Кольском полуострове, в Хибинах, где
оно было открыто в 1925 г.
Под влиянием жизнедеятельности
микроорганизмов, почвенных кислот, а также кислот,
выделяемых корнями растений, апатиты постепенно
подвергаются выветриванию и вовлекаются в
биохимический круговорот, который в отличие от
круговорота азота, углерода, кислорода и серы
ограничивается лишь био-, гидро- и литосферой и не захватывает
атмосферы.
Растениями фосфор поглощается только из
растворенных фосфатов в виде анионов фосфорной
кислоты. Поэтому питание фосфором растений возможно лишь
при наличии в почвенном растворе
солей фосфорной кислоты, например Са
(Н2РО4)2,
СаНРО4, К2НРО4 и др. Скапливается он
главным образом в продуктовых частях – семенах, плодах. Наиболее
богаты фосфором бобовые растения, а бедны им овощи. Из растений
фосфор вместе с пищей попадает в организм животных и
человека.
В теле человека имеется свыше 1,5 кг фосфора
(1,4 кг в костях, 130 г в мышечных и 12
г в нервных тканях).
Ежесуточная потребность взрослого человека
в фосфоре от 1 до 1,2 г. Дети больше
нуждаются в фосфоре, чем взрослые. По
подсчетам ученых, с каждым куском хлеба весом 100
г человек поглощает до 1022 атомов фосфора, т.е.
такое астрономическое число, которое не только
невозможно представить, но даже и выразить обычными словами.
Больше всего его содержится в костях (свыше 5%).
Твердость скелету придает кальциевая соль
фосфорной кислоты. Очень много фосфора
в зубах (в дентине – 13%, а в зубной
эмали – 17%). При недостатке фосфора у животных
появляется заболевание
костей.
Физиологические процессы,
протекающие в животном организме,
постоянно связаны с химическими
превращениями фосфорсодержащих веществ (расщепление их
в пищеварительных органах, синтез
новых фосфорсодержащих органических соединений). Сложным
изменениям подвергаются и минеральные
фосфорные соединения в крови
и печени.
При разложении богатых фосфором органических
соединений могут образоваться газообразные и жидкие
вещества. В частности, аналогично аммиаку
может образоваться очень ядовитый бесцветный
с чесночным запахом
газ – фосфористый водород, или фосфин,
РН3. Этот газ можно получить в
лаборатории при кипячении белого фосфора с едким калием или при
действии соляной кислотой на фосфид
кальция:
Са3Р2 + 6НСl =
3СаСl2 +
2РН3.
Одновременно с фосфином при этой
реакции часто образуется в небольшом количестве жидкий продукт
соединения фосфора с водородом – дифосфин
Р2Н4, пары которого сами собой
воспламеняются при обычной температуре и поджигают газообразный
фосфин.
Подобного рода процессы происходят
и в природе, являясь причиной
появления так называемых «блуждающих огней» на
кладбищах. Вспышки фосфина днем, конечно, не бывают видны, но
ночью они вызывают суеверный страх у многих людей, которые
незнакомы с научным объяснением этого явления. Описание «блуждающих
огней» дано в «Вечерах на хуторе близ Диканьки» Н.В.Гоголем в
рассказе «Заколдованное место».
Жидкий дифосфин, выделяясь на болотах вместе
с метаном, поджигает последний, и тогда возникает новое «чудо» –
блуждающие болотные огни.
Роль подобных процессов
в природе относительно незначительна. Наоборот,
образование различного рода фосфатов происходит
в очень больших
масштабах.
Существует несколько объяснений,
как могли образоваться громадные накопления фосфатов
органического происхождения, поскольку причины,
вызывающие этот процесс, различны.
Богатый фосфором птичий помет,
известный под названием гуано, в условиях
сухого климата скапливается иногда в огромных
количествах. Так, например, на островах Тихого океана, в Чили
и Перу имеются огромные толщи гуано (до 100 м).
Гуано – одно из самых эффективных удобрений.
Оно содержит до 9% азота и 3% фосфорной
кислоты.
Большие скопления помета
имеются и в пещерах, где
обитают летучие мыши. В процессе
различных химических превращений эти вещества
постепенно образуют различные минералы (алюмофосфаты,
монофосфаты и др.). Образование залежей подобных соединений может
произойти и в результате различных геологических катастроф,
приводящих к массовой гибели животного
мира.
Значительным признанием пользуется
так называемая биолитная гипотеза происхождения фосфоритов.
Согласно ей их залежи могли образоваться в результате массовой
гибели морской фауны при встрече теплого морского течения с
холодным: быстрая смена температуры оказывает одинаково гибельное
влияние на животных, населяющих воды того и другого течения и не
приспособившихся к быстрой смене условий. Гибель животного мира
может происходить и при встрече течений с различной степенью
содержания солей в их водах, например в дельтах больших рек,
впадающих в моря и океаны.
В 1934 г. русский ученый
А.В.Казаков опубликовал химическую гипотезу
происхождения фосфоритов в морских водах. По этой
гипотезе фосфаты, растворенные в морской воде, начинают
осаждаться, когда из глубин моря они выносятся на
его поверхность. Происходит это вследствие уменьшения
кислотности воды (в связи
с удалением части углекислоты);
растворимость фосфатов в этой среде уменьшается,
и тогда избыток их выпадает на дно.
Так и образовались мощные залежи фосфоритов,
оказывающиеся затем на суше вследствие
геологических катастроф или постепенного поднятия
морского дна.
Фосфоритовые залежи есть во многих странах.
Наиболее известны месторождения в Северной Африке
(Египет, Тунис, Алжир, Марокко), в США (Флорида).
В России месторождения фосфоритов распространены на
Урале, в Поволжье, Московской, Кировской, Смоленской,
Брянской, Ленинградской и других
областях.
В процесс круговорота фосфора,
как и в природный круговорот других элементов
(кислорода, азота, серы, калия, кальция, алюминия, железа
и др.), энергично вмешивается человек. Фосфор нужен
человеку для многих целей: большое количество его поглощает
спичечная отрасль промышленности. Лучшие сорта нержавеющей стали
получаются благодаря процессу фосфатирования – покрытия тонким
слоем фосфатов, стойких против атмосферной коррозии. Аналогичной
обработке часто подвергаются изделия из цинка, алюминия и их
сплавов. Соединения фосфора идут на изготовление многих
лекарственных веществ.
Некоторые области применения
фосфора и его соединений
Главный же потребитель фосфатов
– сельское хозяйство. Со времени химика Ю.Либиха
земледельцы, поняв значение
фосфора для повышения урожая культурных растений,
начали отыскивать природные фосфаты (апатиты, фосфориты),
превращать их механическим или чаще всего химическим
путем в удобрения
и вносить в почву.
Надо заметить, что в 100 кг
пшеницы находится около 1 кг фосфора (в виде
Р2О5). Столько же фосфора
содержится в 200 кг сена, 300 кг соломы, 1500 кг зеленых кормов.
Можно себе представить, какие громадные количества фосфора уносятся
с наших полей вместе с урожаем. Часть его, конечно, возвращается в
почву, но фосфор, например, содержащийся в продуктовых частях
растений, идущих на промышленную переработку, пропадает. Не обладая
бесконечными запасами фосфора, почва вследствие этого процесса
постепенно истощается, что приводит к сильному снижению урожая и
необходимости восполнения потери фосфора. Культурные растения в
большинстве случаев очень благоприятно отзываются на внесение в
почву фосфорных удобрений в легкоусвояемой
форме.
Круговорот фосфора в
природе
Фосфорное удобрение получается
также в качестве побочного продукта
при переработке богатого фосфором чугуна
в сталь при томасовском процессе. Если
«грушу», в которой получается сталь по методу
Г.Бессемера, выстлать внутри известковой футеровкой, то известь
поглотит фосфор из расплавленного чугуна. В этом и состоит сущность
предложенного англичанином С.Дж.Томасом процесса, при котором сразу
достигаются две цели: получение доброкачественной стали и ценного
удобрения. Последнее достигается путем размалывания поглотившей
фосфор известковой футеровки. Получаемый таким путем сухой
темно-серый порошок, называемый томасшлаком, содержит от 11 до 24%
Р2О5 и является
высокоэффективным удобрением, особенно на кислых
почвах.
Главнейшие процессы,
характеризующие круговорот фосфора в природе,
изображены на рисунке. Лучшим
объяснением этого рисунка могут
служить следующие слова знаменитого русского
геолога и минералога, профессора Я.В.Самойлова, которому
принадлежит большая заслуга в деле изучения
фосфоритов: «Фосфор наших фосфоритовых
месторождений – биохимического происхождения. Из
апатита – минерала,
в котором первоначально заключен
почти целиком весь фосфор литосферы, элемент этот
переходит в тело растений, из растений – в тело
животных, которые являются
истинными концентраторами фосфора. Пройдя
через ряд животных тел, фосфор, наконец, выпадает из
биохимического цикла и вновь возвращается в
мир минеральный. При определенных физико-географических
условиях в море происходят массовая гибель животных организмов
и скопление их тел на дне морском,
а скопления эти приводят
к образованию фосфоритовых
месторождений в осадочных отложениях. Наши
фосфориты – биолиты, и если бы можно было
шаг за шагом повернуть весь ход испытанных
нашими фосфоритами перемещений в обратную сторону, то образцы,
заполняющие наши музеи, зашевелились
бы...»
Таков круговорот и значение
фосфора в природе. Крайне ядовитое
и реакционноспособное вещество (в одной из его аллотропных
форм – белом или желтом фосфоре) в своих соединениях является
существенно необходимым элементом растительной и животной
жизни.