Фосфор — неметалл, входящий в группу азота, обладает разнообразными аллотропными модификациями: белым, красным, черным и фиолетовым фосфором. Белый фосфор представляет собой бесцветные или слегка желтоватые кристаллы, хорошо растворимые в органических растворителях, крайне токсичный и высоко реакционноспособный. Красный фосфор — аморфная или полукристаллическая форма, менее активен, практически нетоксичен, обладает высокой термической стабильностью. Черный фосфор — слоистая кристаллическая структура, напоминающая графит, характеризуется высокой проводимостью, низкой химической активностью. Фиолетовый фосфор является промежуточной фазой между белым и красным, встречается реже.
Температура плавления белого фосфора составляет около 44,1 °C, а кипения — 280 °C. Красный фосфор термостабилен до 590 °C, при этом окисление происходит значительно медленнее, чем у белого фосфора. Черный фосфор плавится при ~600 °C под давлением, устойчив к воздействию воздуха, но может разлагаться при нагревании выше 400 °C.
Белый фосфор состоит из молекул P₄, каждая из которых имеет тетраэдрическую форму с углом P–P–P 60°, что вызывает значительное внутримолекулярное напряжение и высокую химическую активность.
Красный фосфор — полимерная структура, образованная цепями из атомов фосфора. Благодаря отсутствию напряженных P₄ тетраэдров красный фосфор термодинамически более стабильный.
Черный фосфор формирует слоистую кристаллическую решетку, где атомы соединены в шестиугольные сети, подобные графиту. В слоях присутствуют сильные ковалентные связи, а между слоями — слабые ван-дер-ваальсовы взаимодействия.
Фиолетовый фосфор образует цепи, включающие P₁₂-кластеры, его структура является сложной и промежуточной между P₄ и полимерными формами.
Фосфор проявляет многообразие химического поведения в зависимости от аллотропной формы и условий реакции:
Белый фосфор используется в производстве фосфорных кислот, пиротехнике и военной промышленности. Красный фосфор применяется в безопасных спичках, термостойких материалах и катализаторах. Черный фосфор представляет интерес для микроэлектроники и нанотехнологий благодаря слоистой структуре и высокой проводимости. Фиолетовый фосфор находит ограниченное применение в научных исследованиях как промежуточная фаза.
Фосфор является ключевым элементом в живых организмах, входя в состав нуклеиновых кислот (ДНК, РНК), АТФ и фосфолипидов. Белый фосфор токсичен для организма, вызывая поражение печени, костей и крови. Красный и черный фосфор биологически нейтральны, но промышленные соединения фосфора играют важную роль в удобрениях и биохимии.
Фосфор отличается уникальным сочетанием аллотропии, химической активности и биологической значимости. Аллотропные формы демонстрируют широкий диапазон термической стабильности и реакционной способности, что определяет их разнообразное использование в промышленности, науке и технике.