Foszfor

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2022. március 27-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 5 szerkesztést igényelnek .

A foszfor ( lat. lumen - fény és más görög φορός - hordozó) - olyan anyag , amely az általa elnyelt energiát fénysugárzássá ( lumineszcenciává ) tudja alakítani .

Alapvető információk

Kémiai természetük szerint a foszforokat szervetlenekre (foszforokra) osztják fel, amelyek többsége a kristályos foszforokhoz tartozik, és szervesre (organoluminoforokra). A szervetlen foszforok (kristályfoszforok) izzása a legtöbb esetben a kis mennyiségben (0,0001% és 2% között) lévő idegen kationok jelenlétének köszönhető.

Az ilyen szennyeződések ( aktivátorok ) általában átmeneti fémionok , például a cink-szulfid lumineszcenciáját egy rézionok szennyezése aktiválja .

Történelem

A lumineszcencia egy anyag nem termikus izzása, amely azután lép fel, hogy elnyeli a gerjesztési energiát . A lumineszcenciát először a 18. században írták le.

A lumineszcencia egyik fajtáját, a kemilumineszcenciát (kémiai reakció eredményeként létrejövő lumineszcencia) 1669-ben figyelte meg először Hennig Brand, aki felfedezte a foszfort. [egy]

A 20. századig a kemilumineszcencia lényegéről alkotott elméleti elképzelések közeledtek ahhoz, hogy a kémiai reakció során felszabaduló energia egy része nem alakul hővé; a reagáló anyagok atomjai ilyenkor gerjesztett állapotba kerülnek, ami lumineszcenciában nyilvánul meg.

A 20. században Kautsky és Zocher a telítetlen szilíciumvegyületekkel kapcsolatos munkájuk során felfedezték, hogy amikor fénynek vannak kitéve, a kemi-, katód- és fotolumineszcencia (foszforeszcencia és fluoreszcencia) nagyon fényes jelensége lép fel. A tudósok azt találták, hogy a hűtés növelte a lumineszcenciát, ami arra a gondolatra vezette őket, hogy ugyanazok a tárgyak lehetnek a kemilumineszcencia forrásai, amelyek fluoreszcenciát okoznak. Vagyis egy anyag atomjai, amelyek közvetlenül nem vesznek részt egy kémiai reakcióban, hanem a reagált részecskéktől kapnak energiát a ragyogáshoz.

Az 1920-as években S. I. Vavilov kezdeményezésére olyan kutatások kezdődtek, amelyek fénycsövek, új fényforrások létrehozására irányultak. Ugyanakkor O. V. Losev felfedezte az elektrolumineszcenciát, amelyet később fénykibocsátó diódák előállítására használtak.

Az 1990-es évek eleje óta a hagyományos lumineszcencia jelenségek (gázkisülés, fotolumineszcencia, injektálás és terepi elektrolumineszcencia, kis- és nagyfeszültségű katód-lumineszcencia) mellett megkezdődtek a katód-lumineszcencia vizsgálata az elektronnyaláb energiáinak középső tartományában. [2]

Jelenleg a lumineszcencia jelenségét aktívan használják fénycsövek és LED-ek létrehozásában, orvosi berendezések fényporos képernyőiben, televíziók és egyéb elektronikus eszközök színes képernyőiben, tervezésben, valamint a biztonsági és evakuációs rendszerben.

Minden évben javulnak a lumineszcens anyagok előállításának technológiái, ami elősegíti a jobb fényminőségű foszforok előállítását.

Osztályozás

A lumineszcenciát létrehozni képes anyagok listája meglehetősen kiterjedt, ezért ezeknek a vegyületeknek többféle osztályozása létezik. [2] A gerjesztési módszer szerinti osztályozás a legkényelmesebb, ezért sok foszforról szóló könyv használja ezt.

Osztályozás a lumineszcencia gerjesztésének módja szerint

Lumineszcenciás gerjesztési módszer	A fényporok típusa
UV sugárzás	Fotofoszfor
elektronsugár	katód-luminofor
elektromos mező	Elektrofoszfor
Radioaktív hullámok α-, β- sugárzása	Radiofoszforok
Röntgen- vagy γ-sugárzás	Röntgen foszfor

Osztályozás az elnyelt energia típusa szerint

Lumineszcencia típusa	Az elnyelt energia típusa
Fotolumineszcencia	Elektromágneses sugárzás ( UV , látható)
Röntgen-lumineszcencia	Elektromágneses sugárzás ( röntgen )
katódlumineszcencia	Az elektronok kinetikus energiája
elektrolumineszcencia	Elektromos mező energia
Radiolumineszcencia	α-, β-, γ- sugarak, ionok energiája
Kemilumineszcencia	Kémiai reakció energiája
biolumineszcencia	Biokémiai reakció energiája
tribolumineszcencia	A súrlódás mechanikai energiája
termolumineszcencia	Hőenergia

Osztályozás a ragyogást okozó folyamatok jellege szerint

karakter	Foszfor
Intracenter	Nem vezetőképes foszfort vagy különálló központú fényporokat használnak
Rekombináció	Fényvezető foszfort használnak

Osztályozás ragyogás időtartama szerint

Lumineszcencia típusa	Időbeli válasz
Fluoreszcencia	gyors elhalványulás
Foszforeszcencia	hosszú

Abszorpciós és gerjesztési spektrumok

A fényporok fontos jellemzője az abszorpciós spektruma, amely az elnyelt energia mennyiségének a fényporra beeső fény hullámhosszától való függését tükrözi. A fénypor emissziós spektruma függ az aktivátor kémiai természetétől és a foszfor alapjától, ezek kölcsönhatásától, illetve több aktivátorral rendelkező foszfor esetén az aktivátorok egymás közötti kölcsönhatásától. Az emissziós spektrumok függhetnek a gerjesztő fény intenzitásától és hullámhosszától, valamint a hőmérséklettől. [3]

Az emissziós spektrumok függése a gerjesztő fény hullámhosszától jól nyomon követhető a (Ca, Mg) 3 (PO 4 ) 2 ·Sn és (Ca, Zn) 3 (PO 4 ) 2 ·Sn jellemző fényporokon. Emissziós spektrumaik széles sávokból állnak, amelyek a spektrum vörös és zöld tartományában helyezkednek el. [3]

Szintézis módszerek

A foszforok szintéziséhez felhasználható anyagok száma meglehetősen nagy, de a gyakorlatban a következő vegyületosztályokat használják: a második csoportba tartozó fémek kalkogenidjei és foszfátjai , szilikátok, oxidok, volfrámok, ritkaföldfémek vegyületei.

A fényporok gyártási technológiája a magas hőmérsékletű finom szervetlen szintézisre vonatkozik. A fényporokat polikristályos porok, ritkábban egykristályok és vékony filmek formájában használják. A fényporok szintézise 900-1200ºС-on történik.

A kívánt tulajdonságokkal rendelkező fénypor előállításához szigorúan be kell tartani a töltet összetételét és a kalcinálás körülményeit, meg kell akadályozni a véletlenszerű szennyeződések bejutását, és biztosítani kell a foszfor alapos kiszáradását. A szintézis minden szakaszában meg kell figyelni az anyagok tisztaságát is. [2]

A második csoport elemeinek kalkogenidjei

Szinte minden kalkogenid foto-félvezető vegyület, elektronikus típusú vezetéssel (egy szennyeződésnek nagyobb a vegyértéke, mint a tiszta félvezetőnek, szabad elektronok jelennek meg). A cink-telluridra jellemző a lyukas vezetőképesség (a szennyeződés vegyértéke alacsonyabb, mint a tiszta félvezetőé, kötésszakadások jelennek meg - lyukak), a kadmium-tellurid esetében pedig a lyuk és az elektronika. [2]

A cink- és kadmium-kalkogenideket saját hibáik miatt „önaktiváló” lumineszcencia jellemzi, vagy halogének vagy háromértékű kationok keverékével társulnak. Ezenkívül a kalkogenideket az aktiváló szennyeződések bejuttatásával összefüggő lumineszcencia jellemzi. [3]

Az alkáliföldfém-szulfidokon alapuló foszforokat a megfelelő karbonátok aktivátorral, kénnel , folyasztószerrel és redukálószerrel való kalcinálásával állítják elő. A foszforok szintézise során fellépő fő reakció a következő egyenlettel ábrázolható:

{\displaystyle {\mathsf {4MeCO_{3}+4S\rightarrow 3MeS+MeSO_{4}+4CO_{2))))

A cink-szulfidot hidrogén-szulfidos módszerrel a következő reakcióval állíthatjuk elő:

{\displaystyle {\mathsf {ZnSO_{4}+H_{2}S\rightarrow ZnS+H_{2}SO_{4))))

Szintén meg kell említeni a szulfidok előállítására szolgáló tioszulfátos eljárást , amely olyan reakciókon alapul, amelyeket leegyszerűsítve így írhatunk le:

{\displaystyle {\mathsf {MeSO_{4}+2Na_{2}S_{2}O_{3}\rightarrow MeS_{2}O_{3}+Na_{2}SO_{4))))

{\displaystyle {\mathsf {MeS_{2}O_{3}+H_{2}O\rightarrow MeS+H_{2}SO_{4))))

A kalkogenid foszforok szintézise során a kezdeti szulfidokat előre megkapják. A szintézis 3 szakaszban történik:

Keverék előkészítése

Műszaki mérlegeken lemérik a szükséges mennyiségű kalkogenidet (port), és adott mennyiségű folyasztószert adnak hozzá (olyan anyagot, amelyet az ércbe olvasztása során adnak a benne lévő szennyeződések olvadékonyságának és salakképződésének növelésére) ) és egy aktivátor (olyan anyag, amely felerősíti a fizikai és kémiai folyamatokat). A keveréket (a pirometallurgiai vagy más magas hőmérsékletű eljárásokban használt kezdeti keveréket) alaposan összekeverjük.

Szárítás

A keveréket kemencében 100-120ºC-on porolásig szárítjuk a keverék mennyiségétől függően (kb. 0,5-1 óra).

Kalcinálás

A kalcinálást tokos kemencében, adott 900-1200ºС hőmérsékleten, a töltés mennyiségétől függően (körülbelül 0,5-1 óra) végezzük. A töltéskalcinálás szakaszában a foszfor képződésének folyamata következik be, vagyis az alapanyag kristályosodása, a töltésbe bevitt aktiváló szennyeződések diffúziója, heterogén kémiai és interkristályos reakciók, amelyek a rács különféle hibáinak képződését eredményezik. [2]

A cink- és kadmium-szelenideket szulfidokból nyerik egy reakcióval, amely leegyszerűsítve így néz ki: [3]

{\mathsf {MeS+H_{2}SeO_{3}\rightarrow MeSe+SO_{2}+H_{2}O))

A második csoportba tartozó fémek foszfátjai

A foszfátok közül a foszforgyártásban a legszélesebb körben alkalmazott kalcium-foszfát, amelyet lumineszcens fényforrásokhoz használnak. A foszfátok lumineszcens tulajdonságainak sokfélesége a nagyszámú polimorf módosulat jelenlétében, a rácsok relatív törékenységében rejlik, amelyek kedvező feltételeket teremtenek a foszfor képződéséhez. A cink-foszfátot foszforok szintézisére is használják, amely a vörös sugárzású katód-luminoforok szintézisének alapja. Kettős kalcium- és magnézium-foszfátokat használnak a foszforok szintetizálására, amelyeket később ultraibolya lámpákban használnak fel. [2]

A szilárd fázisban lévő foszfátokat különböző módon lehet szintetizálni. Például a kalcium- és stroncium-foszfátokat a következő lehetőségek egyikével lehet előállítani: [3]

{\mathsf {Me_{2}P_{2}O_{7}+MeCO_{3}{\xrightarrow {1000^{\circ }C))Me(PO_{4})_{2}+CO_ {2}}}

{\mathsf {3MeCO_{3}+2(NH_{4})_{2}HPO_{4}{\xrightarrow {1100^{\circ }C}}Me_{3}(PO_{4}) _{2}+4NH_{3}+3CO_{2}+2H_{2}O}}

szilikátok

A szilikát foszforok gyártásában legszélesebb körben használt cink-szilikát, amelyet zöld fényű katód-luminoforok alapjául használnak. Nagy kémiai és termikus stabilitásuk, valamint elektronbombázással szembeni ellenállásuk miatt a szilikát foszforokat elektronsugaras eszközökben használják. [2] A cink-szilikátot úgy állítják elő, hogy ZnO és SiO 2 keveréket kalcinálnak 1200°-on. [3]

A Pb-vel és Mn-nal aktivált kalcium-szilikát a megfelelő fémek karbonátjainak vagy oxidjainak SiO 2 -vel történő kalcinálásával állítható elő . Ehhez 1150º-os hőmérsékletre és vízgőz atmoszférára van szükség, amely mineralizáló hatású (szilárd halmazállapotúvá alakul). [3]

oxid rendszerek

A periódusos rendszer II., III., IV. csoportjába tartozó fémek közül sok mutat lumineszcenciát foto-, katódos és röntgengerjesztésre, de kevésnek van gyakorlati alkalmazása. A legszélesebb körben használt cink-oxid, amelyet nagyon rövid utófényű katód-luminoforként, valamint kisfeszültségű katód-luminofor indikátorokban használnak.

A ritkaföldfém-elemek (REE) oxidjait és oxiszulfidjait egyre gyakrabban használják a katód-luminoforok szintézisének alapjául. Lényeges előnyük a magas színtelítettség és az elektronbombázással szembeni nagy stabilitás. [2]

Tungstates

A volfrámfoszforok főként önaktiválódnak, azaz aktivátor bevezetése nélkül lumineszkálnak. [2]

Ritkaföldfém vegyületek

A REE vegyületek mind a fő anyag, mind az aktivátor szerepét sikeresen betöltik. Az ilyen vegyületeket nagy elektrongerjesztési áramsűrűség mellett működő katód-luminoforok szintézisében használják. [2]

Alkalmazás

A foszforok technológiai felhasználása lehetővé teszi, hogy megtakarítsuk az áramot, mivel a félvezető technológia fejlődése ösztönözte az injekciós elektrolumineszcens fényforrások létrehozását. A TV-nézés lehetőségét a foszforok biztosítják, mivel a vevő televíziócsövek képernyőinél foszforok keverékét alkalmazzák a fehérhez közeli nagy fényerő eléréséhez. A foszforok felhasználása az orvosi iparban lehetővé teszi röntgen és fluorográfia készítését. A fényporok azon képessége, hogy elektromos energiaforrás nélkül izzanak, az evakuálási és tűzvédelmi rendszerekben is alkalmazásra talált.

A foszfort egyes fényforrások emissziós spektrumának korrigálására használják . A fluoreszkáló és íves higanyfényszóró (XRL) esetében a belső bura fényporral van bevonva, amely elnyeli a higanygőz által keltett ultraibolya sugárzást, és a látható tartományban bocsát ki .

A fehér LED -ek ittrium-alumínium-gránát (YAG) foszforral bevont kék fényt kibocsátó kristályt tartalmaznak , amely elnyeli a kék fény egy részét, és fényt bocsát ki a vörös-sárga tartományban.

A szervetlen fényporokat fénycsövekben , katódsugárcsövekben , röntgenképernyők gyártásához használják, sugárzásjelzőként stb.

A szerves foszforokat (néha "lumogéneknek" nevezik) fényes fluoreszcens festékek készítésére használják textilekhez, műanyagokhoz, ékszerekhez, nyomdafestékekben, polimer agyag pigmentációjához, tapétafestékekhez, tetováló pigmentekhez , kozmetikumokhoz, lumineszcens anyagokhoz, repedések kimutatására. részletesen, érzékeny lumineszcens analízis a kémiában , a biológiában , az orvostudományban és a törvényszéki orvostudományban .

Lásd még

Jegyzetek

↑ Volkov V.A., Vonsky E.V., Kuznyecova G.I. A világ kiváló vegyészei. - Moszkva, 1991.
↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Guretskaya Z.I. A fényporok és a lumineszcens képernyők technológiája. - Moszkva, 2005.
↑ 1 2 3 4 5 6 7 Kazankin O.F., Markovsky L.Ya., Mironov I.A., Pekerman F.M., Petoshina L.N. szervetlen foszforok. - Leningrád, 1975.

Irodalom

Zhirov N. F. foszforok. - M . : Állam. védelmi ipar kiadója, 1940 . — 480 s.

Kazankin O.N., Markovsky L.Ya., Mironov I.A. Szervetlen foszforok . - 1975. - 192 p.