Phosphore

Historique de la découverte du phosphore

L’alchimiste allemand Hennig Brandt a découvert le phosphore grâce à l’urine en 1669. Initialement, il était à la recherche de la pierre philosophale qui aurait la propriété de modifier certains métaux imparfaits en métaux précieux (en or ou en argent). Il a donc distillé dans une urine humaine ces métaux défectueux et il a obtenu quelques résidus solides. Dans ces résidus, des petits cristaux blancs apparaissent et brillent dans l’obscurité. Ils sont aussi brûlants lorsqu’ils émettent une lumière aveuglante. Le phosphore fut identifié à ce moment-là. Mais à cette époque, il n’a pas encore été reconnu comme étant un élément chimique qui constitue la classification périodique.

Ensuite, Brandt a envoyé une petite quantité de ce qu’il a découvert au chimiste allemand Johann Kunckel. Il s’agit d’un chercheur renommé qui travaillait à la cour du prince John George II de Saxe. Cependant, Brandt ne lui a pas révélé comment il a créé ces petits cristaux. À son tour, Kunckel les a montrés à son ami Kraft de Dresde. Celui-ci a été fasciné par ce spécimen. Il se rend alors à Hambourg où il a acheté le secret de la fabrication du phosphore à Brandt. Ce dernier, dans le besoin, lui a remis la formule en échange de l’équivalent de deux cent vingt-cinq euros. Toutefois, il a accepté cet échange à condition que Kraft de Dresde ne révèle à personne la formule.

Même s’il était l’ami de Kunckel, Kraft de Dresde ne lui a pas communiqué le secret de la fabrication du phosphore. Ainsi, Kunckel a essayé de trouver par lui-même l’élaboration du phosphore en menant plusieurs expériences. En 1674, il réussit à découvrir la formule.

Après cette découverte, plusieurs chimistes ont, à leur tour fait, des recherches sur cet élément à partir des résidus biologiques tels que les os et les urines. Diverses formules de préparation du phosphore ont été proposées. Néanmoins, à cette époque-là, le phosphore ne se trouvait que dans les laboratoires de certains chimistes ou dans les cabinets des personnes riches qui étaient des collectionneurs de nouveautés.

Ces chimistes ont donné différents noms du phosphore lors de sa découverte :

• Phosphorus fulgurans ;
• Lumen conflans ;
• Noctiluca aërea ;
• Lumière condensée ;
• Phosphorus igneus ;
• Phosphorus pyropus.

Ces noms sont inspirés par le fait que l’élément produit une forte lumière lorsqu’il est exposé à l’air libre.

Faire connaître au grand public le phosphore

En 1769, le minéralogiste suédois Johan Gottlieb Gahn a découvert la présence du phosphore dans des os calcinés et décomposés par l’acide sulfurique. Il a ensuite réussi à en récupérer une quantité importante par le biais d’os de moutons et de bœufs. Sa démarche se résume à brûler les os dans le but de les fragiliser. Puis, il les a mélangés avec du carbonate de calcium (CaCO₃), de sels et de l’acide sulfurique. Après une réaction de ce mélange, il les a lavés et séchés avec du charbon. Il a ensuite chauffé le tout dans une cornue couverte d’eau. Il a également remarqué que le mélange de phosphore et d’hydrogène produit un gaz inflammable.

Cette expérience explique la présence des feux-follets dans les marais lorsque les matières riches en phosphore se décomposent. Elle démontre également l’origine de la lumière émise par certaines matières organiques dans les endroits sombres, à savoir :

• la substance cérébrale ou le foie de certains animaux ;
• la laitance et les œufs de poissons ;
• la chair de certaines huîtres ;
• les squelettes frais de poissons.

C’est également grâce à la présence du phosphore que certains organismes marins sont phosphorescents. Johan Gottlieb Gahn a publié cette découverte avec le chimiste suédois-allemand Carl Wilhelm Scheele.

C’est en 1803 que l’Anglais John Dalton a démontré que le phosphore est composé de plusieurs atomes. Cependant, c’est le travail de Lavoisier qui a fait connaître l’atome du phosphore et des autres éléments chimiques.

En 1867, une autre création du phosphore a été élaborée par les chimistes M. Boblique et E. Aubertin. Elle consiste à extraire le phosphore en chauffant les rochers entre 1 400 et 1 500 °C avec du sable et du coke. Ils obtiennent par la suite du phosphore blanc P₄ qui a comme réaction :

2 Ca₃(PO₄)₂ + 6 SiO₂ + 10 C → 6 CaSiO₃ + 10 CO + P₄

Dans la pratique, habituellement, le minerai est une phosphorite avec une formule de :

3 Ca₃(PO₄)₂, Ca(OH,F,Cl)₂

Toutefois, l’hydroxyapatite représente le minerai le plus courant dont la réaction est :

3 Ca₃(PO₄)₂, Ca(OH)₂ + 10 SiO₂ + 25 C → 10 CaSiO₃ + 25 CO + H₂ + 1,5 P₄

Dans le cas où le minerai renfermerait du fluorapatite, sa réaction est la suivante :

3 Ca₃(PO₄)₂, CaF₂ + 9 SiO₂ + 24 C → 9 CaSiO₃ + CaF₂ + 24 CO + 1,5 P₄

En procédant ainsi, l’obtention d’une grande quantité de phosphore à un meilleur prix est envisageable.

En 1888, J.B. Readman a amélioré la formule initiale de l’élaboration du phosphore réalisée par M. Boblique et E. Aubertin en utilisant un four électrique. Grâce à cette technique, il a réussi à obtenir une tonne de phosphore blanc. Cependant, cela a dépensé 15 MWh d’énergie.

Tous ces travaux ont pu faciliter l’étude des propriétés du phosphore.

Les chimistes célèbres travaillant sur la combinaison du phosphore avec d’autres éléments

Par ailleurs, les chimistes les plus marquants qui ont fait des travaux d’association du phosphore avec d’autres éléments sont :

• En 1772, Lavoisier dépose à l’Académie Royale des Sciences ses idées sur le phosphore. Il s’agit de la combinaison du phosphore avec l’oxygène qui donnera par la suite ce qu’on appelle un oxyde.
• En 1795, Pelletier, à son tour, a soumis ses recherches à l’Académie Royale des Sciences. Il a présenté la réaction de la combinaison du phosphore avec d’autres métaux et la préparation des acides phosphoriques et phosphoreux.
• Entre 1813 et 1817, M. Dulong et M. Davy ont travaillé sur les acides phosphoriques.
• En 1843, M. Berzelius a fait des recherches sur la combinaison du soufre avec le phosphore.

Propriétés des phosphores

Le phosphore blanc est également appelé phosphore jaune. Il a une structure quadratique et est constitué de molécules de formule P4. Il s’agit d’un solide extrêmement inflammable quand il est exposé à une température ambiante. C’est la raison pour laquelle il faut toujours le conserver dans l’eau. Ainsi, il ne réagit pas avec d’autres particules, mais s’assemble dans le corps des organismes aquatiques. Certaines industries l’utilisent pour fabriquer des produits chimiques. Il est également employé pour élaborer des munitions incendiaires. Lorsqu’il est chauffé à 280 °C, il se transforme en phosphore rouge.

De même que le phosphore blanc, le phosphore rouge a une disposition quadratique. La longueur des molécules du phosphore rouge est considérable, et ne peut être déterminée. Par rapport au phosphore blanc, le phosphore rouge est beaucoup moins inflammable. Il ne s’enflamme qu’à partir de 500 °C. Cette caractéristique de phosphore rouge a permis la fabrication des allumettes.

Quant au phosphore noir, il peut se présenter sous différentes formes de cristalline. Mais sa structure peut être comparable à celle du graphite, c’est-à-dire la disposition de ses atomes est empilée en couches hexagonales. Il est obtenu en chauffant à haute pression le phosphore blanc. Le phosphore noir peut être utilisé comme un conducteur d’un circuit électrique. De plus, la transparence et la souplesse des longueurs d’onde de sa lumière permettent une possibilité d’amélioration des écrans et des affichages flexibles.

Parmi ces trois phosphores, le phosphore blanc est le plus répandu et le plus commercialisé.

Gisements de phosphates

Le phosphate est obtenu via assemblage des minéraux qui présentent des aspects et des teintes très variés. Ces variations peuvent être des nodules, des débris de foraminifère ou de coquille de lamellibranches, des grains, des résidus de dents ou d’os, des coprolithes et des oolithes. Mais souvent, la concentration de ces minéraux est d’origine animale. Les roches phosphatées sont transformées pour avoir du phosphore. Les plus grandes usines de production de roches phosphatées se trouvent au Maroc, en Afrique du Sud, en Chine et aux États-Unis. Selon les rapports de 2009, la Chine produit 35 % du phosphore mondial. Mais elle a considérablement réduit son exportation. Quant aux États-Unis, ils produisent les 17 %, mais n’en exportent plus. D’un autre côté, l’extraction du phosphate provoque des impacts environnementaux comme la pollution des eaux souterraines et la destruction des systèmes locaux.

La pénurie du phosphore dans quelques années

Le phosphore peut s’épuiser d’ici quelques années, alors qu’il s’agit d’un des éléments les plus importants pour l’agriculture. En effet, à part l’eau et l’azote, le phosphore, sous forme minérale, est un élément vital pour faire vivre et pousser les plantes. Depuis le XX^e siècle, le nombre de la population connaît une augmentation rapide. Par conséquent, la productivité agricole doit aussi s’accroître à la même vitesse. Or, il fallait renforcer la quantité d’engrais obtenue à partir de l’azote et du phosphore pour avoir une meilleure productivité de l’agriculture.

Ce phosphore utilisé pour l’agriculture provient des roches phosphatées. Pourtant, il a été constaté que, chaque année, 18 millions de tonnes de roches phosphatées sont utilisées pour soutirer du phosphore. Suite à cette exploitation intensive, la production du phosphore ne sera plus suffisante dans les prochaines années, voire inexistante. À noter que le phosphore est un élément non renouvelable. Une solution a été proposée pour remédier à cette pénurie de phosphore. Il s’agit de recycler le phosphore dans les déchets tels que les excréments, les urines, les eaux usées, les déchets alimentaires et les os.

Le recyclage du phosphore à partir des déchets

Les scientifiques ont trouvé un moyen de récupérer du phosphore en épurant des eaux usées ou des effluents d’agriculture. La séparation du phosphore de la matière organique à laquelle il est combiné dans les effluents est réalisée en quatre étapes.

1. Dissoudre le phosphore dans l’acide formique.
2. Séparer la phase solide de la phase liquide qui contient le phosphore.
3. Cristalliser le phosphore en y incorporant de la magnésie pour provoquer une précipitation chimique.
4. Procéder à une filtration pour récupérer le phosphore sous forme minérale. Ainsi, le phosphore peut être utilisé comme engrais dans l’agriculture.

À partir de ce processus, il est facile d’obtenir de gros cristaux qui sont faciles à filtrer et à sécher.

De plus, le phosphore recyclé est moins cher que les engrais chimiques.

Les différentes utilités du phosphore, du phosphate et de l’acide phosphorique H₃PO₄

Lors des alliages avec l’acier, le phosphore est écarté parce qu’il dégrade les caractéristiques mécaniques. Cependant, les alliages peuvent aussi se faire avec le bronze, ce qui leur attribue une meilleure forme de façonnage.

Les propriétés chimiques du phosphore rouge sont utilisées dans les grattoirs pour allumettes. En effet, le frottement entre la tête de l’allumette soufrée et les grattoirs de l’allumette permet une production de l’étincelle.

Pendant la Seconde Guerre mondiale, les bombes incendiaires contiennent du phosphore blanc. De même, les armées ont recours à ce type de phosphore en tant que munitions pour incendier, éclairer et produire de la fumée (pour se déplacer sans se faire voir par les adversaires).

Le phosphore rouge est utilisé pour les feux d’artifice.

Le phosphore est l’un des composants des molécules d’ADN, de l’ATP et de l’ADT de la lécithine des êtres vivants.

En tant que phosphate, il peut être utilisé comme engrais minéraux sous forme de monohydrogénophosphate CaHPO₄ ou dihydrogénophosphate Ca(H₂PO₄)₂. Il nourrit les plantes et améliore la croissance des cultures.

Dans les compositions alimentaires, les phosphates de sodium ou de potassium sont comme des substances absorbantes qui jouent un rôle de stabilisateur.

Les boissons gazeuses contiennent de l’acide phosphorique afin de les acidifier.

Le phosphore est en mesure de neutraliser l’action du calcaire. C’est pourquoi il figure dans la liste des éléments essentiels pour la fabrication des produits de nettoyage. Cependant, sa concentration doit être réglementée afin de protéger les écosystèmes hydriques.

Il est également utilisé en tant que polisseur dans les dentifrices. Il y est présent sous forme de dihydrogénophosphate et fournit du fluor Na₂PO₃F.

L’acide phosphorique est aussi un détartrant pour les appareils ménagers et sanitaires.

En ajoutant le phosphore à un réacteur biologique, il assure la survie et la croissance des bactéries dans les eaux. Il est donc considéré comme une sorte de nutriments.

En immergeant l’acier dans un bain d’acide composé d’ions phosphatés et d’ions de manganèse, une couche de phosphate métallique se forme sur le métal. Ce procédé s’appelle la phosphatation. Elle assure la base d’accrochage pour les revêtements organiques et l’amélioration des propriétés anticorrosion et antifriction. Elle sert également de support en cas de déformation des métaux.

Les qualités du phosphore noir sont pratiques dans des applications biomédicales comme la bio imagerie, la bio détection et l’administration de médicaments. Il peut donc être très utile dans les thérapies du cancer.

Les corps composés à partir du phosphore

Le phosphore est un élément qui réagit facilement. C’est pourquoi il intervient dans différents composés tels que :

L’acide phosphorique qui a comme formule H₃PO₄. Il peut être présent dans la nourriture comme additif alimentaire. Par exemple, les sodas en contiennent.

Les phosphates de formule PO₄^3- sont des produits naturels et essentiels dans les engrais en tant que phosphate d’ammonium ou phosphate de calcium. Ils favorisent la croissance, le développement et la production des végétaux.

La phosphine est un gaz toxique légèrement plus lourd que l’air. Il a comme formule brute PH₃. Il est employé en qualité d’agent de fumigation.

Plus précisément, le cycle du phosphore suit les étapes suivantes :

• Les intempéries ou l’érosion : le phosphore est présent dans les roches de la lithosphère sous forme de PO₄^3-. Sous l’action de la pluie et du vent, des phosphates se désintègrent de ces roches. À part les intempéries, la poussière minérale, les cendres volcaniques et les aérosols peuvent être des sources de phosphates.
• L’absorption par les êtres vivants : les plantes absorbent le phosphore organique qui se trouve dans le sol et l’eau souterraine. Ces plantes transforment ces phosphores en formes inorganiques, un phénomène appelé minéralisation. Les animaux herbivores et carnivores, ainsi que les humains ingèrent le phosphore lorsque ces plantes se trouvent dans leur alimentation. Cette absorption est qualifiée en tant que processus d’assimilation. Il se peut également que les animaux intègrent du phosphore dans leur organisme lorsqu’ils boivent de l’eau potable. Toutefois, cette chaîne alimentaire prend fin lorsque les carnivores mangent des herbivores.
• La décomposition des déchets ou le retour à l’environnement : les phosphates absorbés par les animaux reviennent dans le sol par leurs excréments et leur urine. De plus, les cadavres des animaux libèrent les phosphates, qui retournent donc dans le sol, et le cycle recommence. Ces composés inorganiques peuvent également être transportés vers les rivières, les lacs et les océans pour devenir des sédiments.
• Le soulèvement géologique : les roches sédimentaires se trouvant dans la mer peuvent être déplacées vers la terre. Cela est possible par le processus appelé soulèvement géologique. Ainsi, après plusieurs années, les phosphores dans les sédiments sont délivrés dans la nature grâce au processus d’altération. Ce dernier processus complète le cycle du phosphore.

Le cycle du phosphore est essentiel parce que :

• c’est un composant indispensable pour les nucléotides et les acides nucléiques comme l’ADN et l’ARN ;
• c’est un élément nécessaire pour l’os et l’émail des dents de mammifères ;
• il constitue l’agencement de l’exosquelette des insectes ;
• c’est un composant important des phospholipides se trouvant dans les membranes biologiques, par exemple, dans la membrane cellulaire ;
• il s’agit d’un agent tampon pour garder un physio-chimique stable du corps.

L’homme peut créer un déséquilibre dans le cycle biogéochimique du phosphore. Cela peut être causé par l’utilisation de grandes quantités d’engrais riches en phosphates sur l’agriculture et par le rejet des résidus phosphatés dans les eaux usées. Une grande quantité de phosphore dans les lacs, les rivières et les mers génère la croissance des algues. Cet accroissement entraîne l’eutrophisation des milieux aquatiques.

L’eutrophisation entraînant un déséquilibre écologique

Étymologiquement, l’eutrophisation vient du grec « eutrophos » signifiant « bien nourri », « trophos » qui veut dire « nourriture » et le préfixe « eu- » indiquant « l’abondance ». Ainsi, l’eutrophisation désigne une mauvaise qualité des eaux douces ou marines littorales. Cela est provoqué par l’enrichissement de l’eau en phosphore. En effet, ce sont les activités humaines qui provoquent l’eutrophisation.

Entre autres, lorsque l’Homme utilise excessivement des engrais chimiques et des fumiers, ceux-ci sont transportés par les intempéries et se répandent dans les milieux naturels. Il y a aussi le rejet des eaux usées qui contiennent de nombreux nutriments entraînant l’intensification de la charge de ces substances dans les plans d’eau. Par conséquent, l’eutrophisation entraîne une multiplication rapide d’algues et de plusieurs plantes aquatiques qui réduisent la lumière des autres plantes et organismes. Cela crée des zones mortes dans lesquelles la vie aquatique n’existe plus. La biodiversité des écosystèmes aquatiques est donc réduite. Les algues produisent également des toxines et des substances nocives pour les animaux aquatiques. Pourtant, ils figurent dans l’alimentation de l’Homme.

Face à cela, il est donc primordial de prendre des mesures pour prévenir l’eutrophisation. Il faut à tout prix protéger la qualité de l’eau et conserver la santé des écosystèmes aquatiques. Pour ce faire, l’Homme doit d’abord réduire l’utilisation des engrais chimiques. Ensuite, il est tenu de créer des systèmes bocagers de haies et des zones tampons. Ces systèmes peuvent limiter le ruissellement et bloquer les nutriments qui se dirigent vers les eaux. Et enfin, il peut éliminer ou recycler le phosphore dans les eaux en réalisant des stations d’épuration et de traitement des lisiers d’élevage.

Les effets toxiques du phosphore

Le phosphore est un élément omniprésent dans la nature en tant que minerai phosphaté. Ces phosphates sont des substances nutritives indispensables pour tout être vivant. De plus, lorsque le phosphore est soluble et solubilisé, il est utilisé en tant que médicament. C’est l’Allemand Johann Kuchel qui, après avoir découvert la formule du phosphore, l’utilisait pour créer des pilules lumineuses. Celles-ci peuvent soigner quelques pathologies telles que la diarrhée, l’épilepsie et la fièvre maligne. Certains compléments alimentaires sont même à base de phosphore pour avoir plus d’énergie dans un état de fatigue. Ils entretiennent également les os.

Cependant, il est bon de noter que cet élément peut parfois être toxique. Le phosphore blanc, qui était autrefois utilisé comme raticide et matière première dans la fabrication d’allumettes, est aujourd’hui un des éléments dans la fabrication de certaines armes militaires. Après une explosion de bombes ou de grenades incendiaires, les victimes peuvent être atteintes d’une grave brûlure à cause du phosphore. Le phosphore blanc ingéré, même à très faible dose, entraîne la mort. Cependant, avant de mourir, elle souffre de nausées, de crampes d’estomac et de somnolence, car le phosphore blanc brûle le foie, le cœur ou les reins.

La forte présence du phosphore dans l’eau entraîne une multiplication rapide et importante des plantes aquatiques telles que les algues. À leur mort, elles se décomposent dans une couche épaisse de matière végétale au fond de l’eau. Cette couche de vase s’accumule et engendre la turbidité de l’eau. Par conséquent, cela provoque la photosynthèse et le développement des bactéries à la suite d’une pénétration de la lumière et des ultra-violets dans l’eau. De plus, la turbidité change la couleur de l’eau, qui provoquera la hausse de sa température, sa teneur en oxygène et en sel, et son évaporation. Donc, l’eau ne sera plus adaptée pour la baignade. De même, elle ne sera plus pratique pour les bateaux motorisés parce que les plantes aquatiques se coincent dans les hélices. En outre, la prolifération des algues réduit la quantité d’oxygène dans l’eau. Cela provoquera la disparition de la majorité des animaux aquatiques.