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15
P
Phosphore

Découvert en 1669 par Henning Brandt. Il chauffa sa propre urine, condensa les vapeurs qui se dégageaient du résidu et obtint une poudre blanche. Au contact de l’air, elle explosa avec des flammes d’un blanc éblouissant. Il lui donna le nom de phosphorus, du grec phôs signifiant lumière et phoros signifiant qui porte.

Le phosphore blanc a ensuite était largement utilisé dans les bombes incendiaires ou les balles traçantes. Plus tard, il est utilisé comme arme chimique, notamment comme neurotoxique dans le tristement célèbre sarin.

Données physico-chimiques

Données atomiques

Numéro atomique Masse atomique Configuration électronique Structures cristallines
15 30,97 g.mol-1 [Ne] 3s2 3p3
  • blanc : forme alpha, cubique centrée, à température ambiante, qui se transforme à -81°C en forme bêta, triclinique,
  • rouge : obtenue amorphe à partir de P blanc vers 250°C, devient monoclinique à plus haute température,
  • violette : monoclinique, obtenue par chauffage prolongé de P rouge, à 550°C,
  • noire : orthorhombique, obtenue sous haute pression.

Données physiques

Masses volumiques : Température de fusion Température d’ébullition Conductibilité électrique Conductibilité thermique Solubilité dans l’eau
  • blanc : 1,82 g.cm-3
  • rouge : 2,34 g.cm-3
  • violet : 2,36 g.cm-3
  • noir : 2,70 g.cm-3
 44,1°C  280°C 1,0.10-9 S.m-1 0,235 W.m-1.K-1 très peu soluble

Données chimiques

Électronégativité de Pauling E° : P4(s) + 2H+ + 2e = H2P4(s)
E° : 1/4P4(s) + 3H+ + 3e = PH3(g)
2,19 -0,35 V 0,06 V

Données thermodynamiques

Phosphore rouge :

  • Enthalpie molaire standard de formation à 298,15 K : -17,6 kJ.mol-1
  • Enthalpie libre molaire standard de formation à 298,15 K : -12,1 kJ.mol-1
  • Entropie molaire standard à 298,15 K : S° = 22,8 J.K-1mol-1
  • Capacité thermique molaire sous pression constante à 298,15 K : Cp° = 21,2 J.K-1mol-1
  • Enthalpie molaire standard de fusion à la température de fusion : 20,3 kJ.mol-1
Phosphore gazeux :

  • Enthalpie molaire standard de formation à 298,15 K : 314,8 kJ.mol-1
  • Enthalpie libre molaire standard de formation à 298,15 K : 278,4 kJ.mol-1
  • Entropie molaire standard à 298,15 K : S° = 163,1 J.K-1mol-1
  • Capacité thermique molaire sous pression constante à 298,15 K : Cp° = 20,8 J.K-1mol-1

Données industrielles

Matières premières

La teneur moyenne de l’écorce terrestre est de 0,11 % en phosphore.

Minerai principal : le phosphate calcique naturel qui est une fluorapatite phosphocalcique : Ca10(PO4)6F2 plus ou moins carbonatée d’une teneur moyenne de 26 à  34 % en P2O5 (soit 57 à 74 % en phosphate tricalcique (Ca3(PO4)2, PTC)) pour le minerai marchand. Voir le chapitre engrais phosphatés.

Élaboration industrielle

Par une voie thermique, qui est la première étape de l’élaboration de l’acide phosphorique très pur destiné au traitement de surfaces métalliques, à la microélectronique ou à l’acidification des boissons. L’acide phosphorique étant, par ailleurs, principalement fabriqué, en solution aqueuse.

Le phosphate naturel est réduit, en présence de coke et de silice, au four électrique vers 1200-1500°C selon la réaction :

4 Ca5(PO4)3F + 18 SiO2 + 30 C = 3 P4 + 30 CO + 18 CaSiO3 + 2 CaF2

Les consommations, pour 1 t de P2O5 à 100 %, sont de 3,9 t de phosphate à 29 % de P2O5, 1,3 t de silice, 0,6 t de coke et de 13 000 à 15 000 kWh d’électricité.

Le phosphore obtenu sous forme de vapeur est condensé sous eau pour obtenir du phosphore blanc.

Production

La production mondiale annuelle de phosphore est de 910 000 t.

Producteurs : en Europe.

Lanxess, en France, à Epierre (73) qui a repris, en septembre 2013, l’usine du groupe néerlandais ThermPhos International,

Fosfa, en République tchèque avec 50 000 t/an et aux Pays Bas, à Vlissingen, avec 80 000 t/an,

Alwernia, à Alwernia, en Pologne, avec 40 000 t/an.

Utilisations

Les principales utilisations sont les suivantes, en dehors d’une étape dans la fabrication de l’acide phosphorique très pur :

  • Synthèse des chlorures de phosphore (PCl3, oxychlorures) : 50 % des emplois,
  • Synthèse du sulfure de phosphore, P2S5 : 25 % des emplois,
  • Synthèse du pentaoxyde du phosphore P2O5 destiné à élaborer divers produits organiques (organophosphorés) pour les industries des herbicides, élastomères, tensioactifs…
  • Synthèse de l’hypophosphate de sodium utilisé dans le nickelage chimique.