Sciences · Éléments chimiques
Phosphore
Le phosphore (P, numéro atomique 15) est un non-métal très réactif qui existe sous plusieurs formes, dont le phosphore blanc qui luit dans l’obscurité. Il est indispensable à la vie : ADN, ATP, os et dents.
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Le phosphore a été le premier élément découvert par une personne identifiée, en 1669, à partir d’urine. Il est à la fois une ressource agricole stratégique, puisque les engrais phosphatés nourrissent les cultures du monde entier, et un pilier du vivant : chaque molécule d'ADN et chaque molécule d’ATP en contient.
Fiche d’identité
| Caractéristique | Valeur |
|---|---|
| Symbole | P |
| Numéro atomique | 15 |
| Masse atomique | 30,974 u |
| Famille | Non-métal, pnictogène (groupe 15, période 3) |
| État à 20 °C | Solide |
| Fusion | 44,1 °C (phosphore blanc) |
| Ébullition | 280,5 °C (phosphore blanc) |
| Découverte | 1669, Hennig Brand, à Hambourg |
| Abondance | environ 0,1 % de la croûte terrestre |
Propriétés et formes
Le phosphore existe sous plusieurs formes appelées allotropes :
| Forme | Aspect | Comportement |
|---|---|---|
| Phosphore blanc | solide cireux, blanc-jaunâtre | molécules P₄ ; s’enflamme spontanément à l’air vers 30 °C ; luit dans le noir ; très toxique ; conservé sous l’eau |
| Phosphore rouge | poudre rouge sombre | polymère stable à l’air, peu toxique ; obtenu en chauffant le blanc |
| Phosphore noir | solide feuilleté, d’aspect graphitique | forme la plus stable, obtenue sous haute pression |
La lueur verdâtre du phosphore blanc n’est pas de la phosphorescence au sens physique : elle provient de l’oxydation lente de sa vapeur à l’air, une chimiluminescence.
Le phosphore possède cinq électrons externes. Dans la nature, il apparaît presque toujours sous forme de phosphates (ion PO₄³⁻).
Isotopes
Le phosphore naturel ne compte qu’un isotope stable, le phosphore 31. Le phosphore 32, radioactif (période d’environ 14 jours), est un traceur classique de la biologie moléculaire ; il a permis en 1952 l’expérience de Hershey et Chase, qui a montré que l’ADN porte l’information génétique des virus.
Où le trouve-t-on ?
Le phosphore se trouve dans les roches phosphatées, surtout d’origine sédimentaire marine, riches en apatite (phosphate de calcium). Le guano, accumulation d’excréments d’oiseaux marins, a été une source majeure au XIXᵉ siècle.
Production
Le Maroc, avec le Sahara occidental, détient de loin les plus grandes réserves mondiales de roche phosphatée, environ 70 % selon l’Institut d’études géologiques des États-Unis. La Chine, le Maroc, les États-Unis et la Russie sont les principaux producteurs. La roche est attaquée par l’acide sulfurique pour produire de l’acide phosphorique, à la base des engrais. Le phosphore élémentaire est obtenu en four électrique, par réduction de la roche par le carbone en présence de silice.
Usages
- Engrais phosphatés : environ 80 à 90 % de la roche extraite.
- Alimentation animale et additifs alimentaires (acide phosphorique des sodas, phosphates des charcuteries et fromages fondus).
- Allumettes : le phosphore rouge est sur le frottoir des allumettes de sûreté ; la tête contient un oxydant.
- Détergents : les phosphates, longtemps utilisés comme adoucisseurs, sont interdits dans les lessives ménagères dans l’Union européenne.
- Batteries lithium-fer-phosphate (LFP) des véhicules électriques.
- Chimie : pesticides organophosphorés, retardateurs de flamme.
- Armement : munitions incendiaires au phosphore blanc, dont l’usage contre des zones peuplées est très encadré.
Rôle biologique et toxicité
Le corps adulte contient environ 700 g de phosphore, dont 85 % dans les os et les dents sous forme d’hydroxyapatite (voir squelette et os). Il forme le squelette sucre-phosphate de l’ADN et de l’ARN, les membranes cellulaires (phospholipides) et l'ATP, la molécule qui transporte l’énergie dans les cellules (voir respiration cellulaire). Les carences sont rares, car il est présent dans presque tous les aliments riches en protéines.
Dans l’environnement, l’excès de phosphates lessivés vers les rivières et les lacs provoque l'eutrophisation : prolifération d’algues, puis manque d’oxygène.
Le phosphore blanc est extrêmement toxique : quelques dizaines de milligrammes peuvent tuer, et il provoque des brûlures profondes. Au XIXᵉ siècle, les ouvrières des fabriques d’allumettes souffraient de nécrose de la mâchoire, ce qui conduisit à son interdiction dans les allumettes au début du XXᵉ siècle.
Histoire du nom
En 1669, l’alchimiste allemand Hennig Brand fait bouillir de grandes quantités d’urine pour y chercher la pierre philosophale. Il obtient une substance blanche qui brille dans l’obscurité. Il la nomme phosphore, du grec phôsphoros, « porteur de lumière », nom que les Grecs donnaient à l’étoile du matin, Vénus. En 1769-1771, les Suédois Johan Gottlieb Gahn et Carl Wilhelm Scheele montrent que les os en contiennent, ce qui fournit une source plus pratique. Lavoisier le reconnaît comme élément en 1777.
Questions fréquentes
Pourquoi le phosphore brille-t-il dans le noir ?
Le phosphore blanc s’oxyde lentement au contact de l’air, et cette réaction émet de la lumière. Les objets « phosphorescents » du commerce n’en contiennent pas : ils utilisent d’autres pigments.
Pourquoi les engrais contiennent-ils du phosphore ?
Les plantes en ont besoin pour leurs racines, leurs fleurs, leurs graines et pour stocker l’énergie. Les sols cultivés s’appauvrissent si on ne leur en restitue pas.
Va-t-on manquer de phosphore ?
Les réserves connues couvrent encore de nombreuses décennies de consommation, mais elles sont concentrées et non renouvelables, d’où l’intérêt du recyclage.