Le phosphore (Z = 15)

Le phosphore fait partie du 15^ème groupe (15^ème colonne) de la classification périodique, appelé parfois groupe des pnictogènes (du grec "pnigein" signifiant "asphyxier"), auquel appartiennent également l'azote, l'arsenic, l'antimoine et le bismuth. Le phosphore possède 23 isotopesOn appelle isotopes des atomes ayant le même nombre de protons, mais qui différent par leur nombre de neutrons. connus, mais seul le phosphore 31 (³¹P) est stable. Pour ce qui est de son abondance dans la croûte terrestre, il arrive en onzième position (en terme de masse).

Origine du phosphore

Lorsque de vieilles étoiles massives (au moins huit masses solaires) arrivent au terme de leur existence, elles finissent, quand la température atteint deux milliards de kelvins dans leur coeur, par réaliser la fusion de l'oxygène. Parmi les nombreuses réactions qui ont alors lieu, certaines produisent du phosphore 31 (³¹P) et du phosphore 30 (³⁰P) :

¹⁶O + ¹⁶O ---> ³¹P + ¹p (proton)

¹⁶O + ¹⁶O ---> ³⁰P + ²H (deutérium)

Cette phase n'augure rien de bon, puisqu'une fois l'oxygène épuisé, la fusion du silicium prend la relève. Cette dernière étape ne dure pas plus d'une journée et sonne le glas de notre étoile, qui termine alors son existence en supernova, phénomène apocalyptique au cours duquel une partie des éléments qu'elle a synthétisés tout au long de sa vie sont dispersés dans l'espace.

Un peu d'histoire

Rendons-nous en Allemagne, plus précisément dans la ville de Hambourg, en l'an 1669, où nous attend un certain Hennig Brandt (1630-1692). Celui-ci, marchand de son état, est passionné par l'alchimie, activité très en vogue à son époque. Il rêve de faire fortune en découvrant le secret de la pierre philosophale. Alors qu'il tente désespérément d'obtenir de l'or à partir de différents métaux, il a soudain une révélation : le pipi ! Sa couleur dorée ne peut signifier qu'une chose : ce liquide doit être la clé qui lui permettra d'atteindre son objectif. Dès lors, il va se mettre à collecter et à faire évaporer des milliers de litres d'urine, ce qui lui permet d'obtenir un résidu de couleur brunâtre. Celui-ci ne lui permet pas de fabriquer de l'or, mais il remarque qu'en chauffant un échantillon de cette substance en présence d'un métal quelconque, il finit par obtenir une pâte blanchâtre dont le comportement est étrange : non seulement cette dernière s'enflamme spontanément au contact de l'air, mais dans l'obscurité, elle émet une douce lueur verdâtre !. Il lui donne le nom de "phosphore", terme construit à partir de la racine grecque "phosphoros", qui signifie littéralement "porteur de lumière".

Ironie de l'histoire, en 1943, c'est en faisant usage (entre autres) de bombes au phosphore, que les alliés détruiront la ville de Hambourg, au cours de sept raids aériens portant le nom d' "Opération Gomorrhe". Cela coûtera la vie à près de 45 000 civils, mais que voulez-vous, quand on est dans le camp du "Bien", tout est permis.

Mais revenons à Brandt à et son urine. En 1674, le chimiste allemand Johann Kunkel parvient à découvrir son secret, et isole le phosphore à son tour. Il sera suivi de peu (en 1679) par le physicien irlandais Robert Boyle (1627-1691). En 1770, les suédois Johan G. Gahn et Carl W. Scheel mettent au point un procédé permettant d'obtenir de grandes quantités de phosphore à partir d'os de boeufs et de moutons. Il faut toutefois attendre l'année 1867 pour que soit mise au point la méthode moderne, basée sur la prodution de phosphore à partir de minerais.

Propriétés du phosphore

Le phosphore existe sous plusieurs formes cristallines (ou formes allotropiques), les plus connues étant le phosphore blanc, le phosphore rouge et le phosphore noir.

Le phosphore blanc, composé de molécules tétraèdriques constituées de 4 atomes (P₄), se présente sous la forme d'un solide ayant une consistance cireuse, de couleur blanc-jaune ! et dont l'odeur peut faire penser à celle de l'ail. Très inflammable, ses vapeurs sont corrosives, raison pour laquelle il a été employé comme arme chimique lors des deux premières guerres mondiales. Extrêmement toxique, son ingestion provoque de graves lésions au foie, et une exposition prolongée peut être à l'origine d'une nécrose de la mâchoire. Lors de sa combustion, le phosphore blanc donne du pentoxyde de phosphore, substance très hygroscopiqueUne substance hygroscopique est une substance qui a la propriété d'absorber l'humidité de l'air., qui au contact de l'eau se transforme en acide phosphorique (H₃PO₄). Cette même propriété le rend capable d'absorber l'eau des tissus vivants, et de dissoudre ces derniers.
Dans l'obscurité, le phosphore blanc brille en émettant une lueur verdâtre quand il entre en contact avec de l'oxygène, et il peut s'enflammer spontanément (on dit qu'il est pyrophorique). C'est pour cela qu'il est généralement conservé dans l'eau, liquide dans lequel il est très peu soluble.

Le phosphore rouge se présente sous la forme d'une poudre de couleur brun-rouge. Il peut être obtenu en chauffant du phosphore blanc à plus de 250°C. Beaucoup moins inflammable que ce dernier, il présente en outre l'avantage de ne pas être toxique. Les atomes de phosphore s'y organisent en longues chaînes, formées à partir des molécules tétraèdriques de phosphore blanc.

Dans le phosphore noir, les atomes de phosphore adoptent une structure en feuillets (appelée phosphorène) pouvant faire penser aux feuillets constituant le graphite. Le phosphorène se comporte comme un semi-conducteur, et des études sont actuellement menées pour voir s'il serait possible de l'employer dans des circuits électroniques.

Le phosphore joue un rôle essentiel chez les êtres vivants. Nos cellules (dont les membranes sont constituées de phospholipides) l'emploient comme vecteur d'énergie, grâce aux molécules d'adénosine triphosphate (ATP). Notre ADN contient également du phosphore, ainsi que nos os et nos dents (sous forme de phosphate de calcium). Quant aux plantes, elle ont besoin de phosphates pour assurer leur croissance.

Production industrielle du phosphore

Le phosphore n'existant pas à l'état natif, il provient essentiellement de minerais riches en phosphates, tels que l'apatite. Egalement présent dans les minerais de fer, il faut absolument l'en retirer car il péjore les qualités mécaniques de l'acier. Les principaux producteurs mondiaux de phosphate sont la Chine, les Etats-Unis et le Maroc (qui détient environ un tiers des réserves mondiales).
La production mondiale est d'environ 900 000 tonnes par an, en grande partie obtenues par réduction de phosphates naturels en présence de coke et de silice, dans un four électrique à l'intérieur duquel règne une température de 1200-1500°C (on obtient ainsi du phosphore blanc).

Quelques exemples d'utilisation du phosphore

- A la grande honte de certains belligérants, le phosphore blanc a été (et est encore) employé comme arme chimique, en tant qu'agent incendiaire (il s'avère encore plus "efficace" que le napalm). Il est également utilisé comme fumigène, en raison de sa capacité à produire de grandes quantités de fumée, ainsi que dans les balles traçantes.
Les explosions des bombes au phosphore sont assez facile à reconnaître, car elles sont caractérisées par une multitude de traits blancs lumineux, visibles sur l'image ci-dessous.

- Le phosphore rouge est principalement utilisé pour fabriquer les allumettes de sûreté. Contrairement à ce que l'on croit souvent, il ne se trouve pas sur l'allumette elle-même, mais sur le grattoir, mélangé à de la poudre de verre. Quant au bout rouge (ou "bouton") de l'allumette, il est constitué d'un mélange de chlorate de potassium, de sulfure d'antimoine et de phosphate d'ammonium (dont la tige en bois est d'ailleurs imprégnée), auquel on ajoute un peu de colorant rouge pour le côté esthétique, et de la colle pour assurer la cohésion de l'ensemble.

- Le phosphore rouge est également employé dans nombre de dispositifs pyrotechniques, comme les feux d'artifices.

- Les composés organophosphorés sont des substances organiques (donc basées sur la chimie du carbone) comportant au moins un atome de phosphore. Appartiennent à cette catégorie certains pesticides (comme le malathion) et herbicides (le plus connu étant le Roundup). Le gaz sarin, utilisé dans l'attentat du métro de Tokyo (1995) par la secte Aum Shinrikyo, est un composé organophosphoré.

Le phosphore est toutefois principalement employé sous forme de phosphates, provenant de minerais riches en ions phosphate (PO₄^3-), hydrogénophophate (HPO₃^2-), dihydrogénophophate, etc...

- Les phosphates sont principalement utilisés en agriculture et en jardinage, puisqu'ils entrent dans la composition des engrais phosphatés.

- Il n'y a pas si longtemps, nos lessives contenaient des phosphates, dont le rôle consistait à empêcher que le calcaire ne se redépose sur les tissus. Interdits en france depuis juillet 2007, leur utilisation dans les lessives est strictement réglementé par l'Union européenne depuis février 2012. Les phosphates contenus dans les eaux usées contribuent en effet au phénomène d'eutrophisation, ce qui se traduit par la prolifération des algues dans les cours d'eau, et par la disparition des autres espèces, les algues consommant tout l'oxygène disponible.

- Les additifs E540 (dihydrogénophosphate de calcium) et E541 (phosphate d'aluminium), sont associés au bicarbonate de sodium dans les poudres à lever utilisées en boulangerie-pâtisserie.

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