Fósforo
La versión actual de la página aún no ha sido revisada por colaboradores experimentados y puede diferir significativamente de la versión revisada el 27 de marzo de 2022; las comprobaciones requieren 5 ediciones .Fósforo (del lat. lumen - luz y otro griego φορός - portador) - una sustancia que puede convertir la energía que absorbe en radiación de luz ( luminiscencia ).
Información básica
Según su naturaleza química, los fósforos se dividen en inorgánicos (fósforos), la mayoría de los cuales pertenecen a los fósforos cristalinos, y orgánicos (organoluminóforos). El resplandor de los fósforos inorgánicos (fósforos cristalinos) se debe en la mayoría de los casos a la presencia de cationes extraños , contenidos en pequeñas cantidades (del 0,0001% al 2%).
Estas impurezas ( activadores ) suelen ser iones de metales de transición , por ejemplo, la luminiscencia del sulfuro de zinc es activada por una impureza de iones de cobre .
Historia
La luminiscencia es un brillo no térmico de una sustancia que se produce después de que absorbe la energía de excitación . La luminiscencia se describió por primera vez en el siglo XVIII.
Uno de los tipos de luminiscencia, la quimioluminiscencia (luminiscencia como resultado de una reacción química), fue observado por primera vez en 1669 por Hennig Brand, quien descubrió el fósforo. [una]
Hasta el siglo XX, las ideas teóricas sobre la esencia de la quimioluminiscencia convergían en que parte de la energía liberada durante una reacción química no se transforma en calor; los átomos de las sustancias que reaccionan pasan en este caso a un estado excitado, que se manifiesta en luminiscencia.
En el siglo XX, Kautsky y Zocher, en su trabajo sobre compuestos de silicio insaturados, descubrieron que cuando se exponen a la luz, se produce un fenómeno muy brillante de quimio, cátodo y fotoluminiscencia (fosforescencia y fluorescencia). Los científicos descubrieron que el enfriamiento aumentaba la luminiscencia, lo que les llevó a la idea de que los mismos objetos que provocan la fluorescencia podrían ser la fuente de la quimioluminiscencia. Es decir, los átomos de una sustancia que no participan directamente en una reacción química, pero reciben energía para el resplandor de las partículas que reaccionan.
En la década de 1920, por iniciativa de S. I. Vavilov, se iniciaron investigaciones destinadas a crear lámparas fluorescentes, nuevas fuentes de luz para la época. Al mismo tiempo, O. V. Losev descubrió la electroluminiscencia, que posteriormente se utilizó en la producción de diodos emisores de luz.
Desde principios de la década de 1990, además de los fenómenos de luminiscencia tradicionales (descarga de gas, fotoluminiscencia, inyección y electroluminiscencia de campo, catodoluminiscencia de bajo y alto voltaje), se han iniciado estudios de catodoluminiscencia en el rango medio de energías del haz de electrones. [2]
Actualmente, el fenómeno de la luminiscencia se utiliza activamente en la creación de lámparas fluorescentes y LED, en pantallas de fósforo para equipos médicos, en pantallas a color de televisores y otros dispositivos electrónicos, en diseño, así como en el sistema de seguridad y evacuación.
Cada año se mejoran las tecnologías para la producción de sustancias luminiscentes, lo que ayuda a crear fósforos con cualidades de luz mejoradas.
Clasificación
La lista de sustancias capaces de crear luminiscencia bajo una u otra influencia es bastante extensa y, por lo tanto, existen varios tipos de clasificaciones de estos compuestos. [2] La clasificación por método de excitación es la más conveniente, por lo que muchos libros sobre fósforos la utilizan.
| método de excitación de luminiscencia | Tipo de fósforos |
|---|---|
| radiación ultravioleta | Fotofósforo |
| rayo de electrones | catodoluminóforo |
| campo eléctrico | electrofósforo |
| α-, β- radiación de ondas radiactivas | radiofósforos |
| Rayos X o radiación γ | fósforo de rayos X |
| Tipo de luminiscencia | Tipo de energía absorbida |
|---|---|
| Fotoluminiscencia | Radiación electromagnética ( UV , visible) |
| luminiscencia de rayos X | Radiación electromagnética ( rayos X ) |
| catodoluminiscencia | Energía cinética de los electrones. |
| electroluminiscencia | Energía de campo eléctrico |
| radioluminiscencia | Energía de rayos α, β y γ, iones |
| quimioluminiscencia | Energía de una reacción química |
| bioluminiscencia | Energía de una reacción bioquímica. |
| triboluminiscencia | Energía mecánica de fricción |
| termoluminiscencia | Energía térmica |
| Personaje | Fósforo |
|---|---|
| intracentro | Se utiliza un fósforo no conductor con, o un fósforo con centros discretos |
| recombinación | Se utiliza un fósforo fotoconductor |
| Tipo de luminiscencia | Tiempo de respuesta |
|---|---|
| Fluorescencia | desvanecimiento rápido |
| Fosforescencia | largo |
Espectros de absorción y excitación
Una característica importante de los fósforos es su espectro de absorción, que refleja la dependencia de la cantidad de energía absorbida de la longitud de onda de la luz que incide sobre el fósforo. El espectro de emisión del fósforo depende de la naturaleza química del activador y de la base del fósforo, de su interacción y, en el caso de fósforos con varios activadores, de la interacción de los activadores entre sí. Los espectros de emisión pueden depender de la intensidad y la longitud de onda de la luz excitante, así como de la temperatura. [3]
La dependencia de los espectros de emisión de la longitud de onda de la luz excitante se puede rastrear bien en los fósforos característicos (Ca, Mg) 3 (PO 4 ) 2 ·Sn y (Ca, Zn) 3 (PO 4 ) 2 ·Sn. Sus espectros de emisión consisten en bandas anchas ubicadas en las regiones roja y verde del espectro. [3]
Métodos de síntesis
La cantidad de sustancias que se pueden usar para la síntesis de fósforos es bastante grande, pero en la práctica se usan las siguientes clases de compuestos: calcogenuros y fosfatos de metales del segundo grupo, silicatos, óxidos, tungstatos, compuestos de elementos de tierras raras.
La tecnología de fabricación de fósforos se refiere a la síntesis inorgánica fina a alta temperatura. Los fósforos se utilizan en forma de polvos policristalinos, con menos frecuencia en forma de monocristales y películas delgadas. La síntesis de fósforos se realiza a 900-1200ºС.
Para obtener un fósforo con las propiedades deseadas, es necesario observar estrictamente la composición de la carga y las condiciones de calcinación, para evitar la entrada de impurezas aleatorias y asegurar un secado completo del fósforo. También es necesario observar la pureza de los materiales en todas las etapas de la síntesis. [2]
Calcogenuros de elementos del segundo grupo .Casi todos los calcogenuros son compuestos fotosemiconductores con un tipo de conducción electrónica (una impureza tiene mayor valencia que un semiconductor puro, aparecen electrones libres). El telururo de zinc se caracteriza por la conductividad de los agujeros (la impureza tiene una valencia más baja que un semiconductor puro, aparecen roturas de enlace - agujeros), y para el telururo de cadmio, los agujeros y la electrónica. [2]
Los calcogenuros de zinc y cadmio se caracterizan por una luminiscencia "autoactivada" debido a sus propios defectos, o asociados con una mezcla de halógenos o cationes trivalentes. Además, los calcogenuros se caracterizan por la luminiscencia asociada con la introducción de impurezas activadoras. [3]
Los fósforos a base de sulfuros de metales alcalinotérreos se sintetizan calcinando mezclas de los carbonatos correspondientes con un activador, azufre , fundentes y un agente reductor. La principal reacción que ocurre durante la síntesis de fósforos se puede representar mediante la ecuación:
El sulfuro de zinc se puede obtener por el método del sulfuro de hidrógeno mediante la reacción:
También se debe mencionar el método del tiosulfato para la preparación de sulfuros , basado en reacciones que se pueden escribir de manera simplificada como:
En la síntesis de fósforos de calcogenuro, los sulfuros iniciales se obtienen de antemano. La síntesis ocurre en 3 etapas:
preparación de la mezcla
En básculas técnicas, se pesa la cantidad requerida de calcogenuro (polvo) y se le agrega una determinada cantidad de soluciones fundentes (sustancia que se agrega al mineral durante su fundición para aumentar la fusibilidad de las impurezas presentes en él y la formación de escoria). ) y un activador (una sustancia que intensifica los procesos físicos y químicos). La mezcla (la mezcla inicial utilizada en procesos pirometalúrgicos u otros procesos de alta temperatura) se mezcla completamente.
El secado
La mezcla se seca a 100-120ºС en un horno hasta espolvorear por un tiempo dependiendo de la cantidad de mezcla (alrededor de 0,5-1 hora).
Calcinación
La calcinación se lleva a cabo en un horno de mufla a una temperatura determinada de 900-1200ºС durante un tiempo que depende de la cantidad de carga (alrededor de 0,5-1 hora). En la etapa de calcinación de carga, ocurre el proceso de formación de un fósforo, es decir, cristalización de la sustancia base, difusión de impurezas activadoras introducidas en la carga, reacciones químicas heterogéneas e intercristalinas de formación de varios defectos en la red. [2]
Los seleniuros de zinc y cadmio se obtienen a partir de sulfuros mediante una reacción que, de forma simplificada, se ve así: [3]
Fosfatos de metales del segundo grupo.
Entre los fosfatos, el más utilizado en la producción de fósforos es el fosfato de calcio, que se utiliza para fuentes de luz luminiscentes. La variedad de propiedades luminiscentes de los fosfatos radica en la presencia de un gran número de modificaciones polimórficas, friabilidad relativa de las redes, que crean condiciones favorables para la formación de un fósforo. El fosfato de zinc también se utiliza para la síntesis de fósforos, que es la base para la síntesis de catodoluminóforos con radiación roja. Los fosfatos dobles de calcio y magnesio se utilizan para sintetizar fósforos, que posteriormente se utilizan en lámparas ultravioleta. [2]
Los fosfatos en fase sólida se pueden sintetizar de diferentes formas. Por ejemplo, los fosfatos de calcio y estroncio se obtienen mediante una de las siguientes opciones: [3]
silicatos
El más utilizado en la producción de fósforos de silicato es el silicato de zinc, que se utiliza como base para los catodoluminóforos con un brillo verde. Debido a su alta estabilidad química y térmica y su resistencia al bombardeo de electrones, los fósforos de silicato se utilizan en dispositivos de haces de electrones. [2] El silicato de zinc se prepara calcinando una mezcla de ZnO con SiO 2 a 1200º. [3]
El silicato de calcio activado con Pb y Mn se puede obtener calcinando una mezcla de carbonatos u óxidos de los metales correspondientes con SiO 2 . Esto requiere una temperatura de 1150º y una atmósfera de vapor de agua, que tiene un efecto mineralizante (transformación a estado sólido). [3]
sistemas de óxidoMuchos metales de los grupos II, III, IV del sistema periódico muestran luminiscencia tras la excitación foto, catódica y de rayos X, pero pocos tienen aplicaciones prácticas. El más utilizado es el óxido de zinc, que se utiliza como catodoluminóforo con un posluminiscencia muy breve, así como en indicadores de catodoluminóforo de bajo voltaje.
Los óxidos y oxisulfuros de elementos de tierras raras (REE) se utilizan cada vez más como base para la síntesis de catodoluminóforos. Su ventaja esencial es la alta saturación de color y la alta estabilidad al bombardeo de electrones. [2]
tungstatosLos fósforos de tungstato son principalmente autoactivados, es decir, luminiscentes sin la introducción de un activador. [2]
compuestos de tierras rarasLos compuestos REE desempeñan con éxito el papel tanto de la sustancia principal como del activador. Dichos compuestos se utilizan en la síntesis de catodoluminóforos que operan a altas densidades de corriente de excitación de electrones. [2]
Aplicación
El uso de fósforos en la tecnología nos permite ahorrar electricidad, ya que el desarrollo de la tecnología de semiconductores ha estimulado el trabajo en la creación de fuentes de luz electroluminiscentes de inyección. La capacidad de ver la televisión se proporciona gracias a los fósforos, porque para las pantallas de los tubos receptores de televisión se practica el uso de mezclas de fósforos para obtener un alto brillo del resplandor cercano al blanco. El uso de fósforos en la industria médica le permite hacer radiografías y fluorografías. Y también la capacidad de los fósforos para brillar sin una fuente de energía eléctrica ha encontrado aplicación en los sistemas de evacuación y seguridad contra incendios.
El fósforo se utiliza para corregir el espectro de emisión en algunas fuentes de luz . En las lámparas fluorescentes y de fósforo de mercurio de arco (XRL), la bombilla interna está recubierta con un fósforo que absorbe la radiación ultravioleta creada por el vapor de mercurio y la emite en el rango visible .
Los LED blancos contienen un cristal emisor de luz azul recubierto con un fósforo granate de itrio y aluminio (YAG) que absorbe parte de la luz azul y emite luz en la región roja-amarilla.
Los fósforos inorgánicos se utilizan en lámparas fluorescentes , tubos de rayos catódicos , para la fabricación de pantallas de rayos X, sirven como indicadores de radiación, etc.
Los fósforos orgánicos (a veces denominados "lumógenos") se utilizan para fabricar tintes fluorescentes brillantes para textiles, plásticos, joyas, en tintas de impresión, para la pigmentación de arcilla polimérica, pinturas para papel tapiz, pigmentos para tatuajes , cosméticos, materiales luminiscentes, utilizados para detectar grietas. en detalle, análisis luminiscente sensible en química , biología , medicina y medicina forense .
Véase también
Notas
- ↑ Volkov V.A., Vonsky E.V., Kuznetsova G.I. Químicos destacados del mundo. — Moscú, 1991.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Guretskaya Z.I. Tecnología de fósforos y pantallas luminiscentes. — Moscú, 2005.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Kazankin OF, Markovsky L.Ya., Mironov I.A., Pekerman F.M., Petoshina L.N. fósforos inorgánicos. - Leningrado, 1975.
Literatura
- Zhirov N.F. Fósforos. - M. : Estado. editorial de la industria de defensa, 1940 . — 480 s.
- Kazankin O.N., Markovsky L.Ya., Mironov I.A. fósforos inorgánicos . - 1975. - 192 págs.