Historien om fosfor; från evigt liv till ond bråd död

Som ni kanske tidigare märkt så har jag en viss fixering vid ämnet fosfor. Inte enbart har jag skrivit tidigare inlägg om det här i bloggen samt skaffat mig en doktorandtjänst om ämnet, jag fick även det kärleksfulla (?) smeknamnet "Miss P" när jag var på 'summer campus' i Frankrike.

Hur som. Ämnet är fascinerande i nutiden, men har en kanske ännu mer fascinerande historia. Eftersom jag just nu sitter och "sätter min forskningsfråga i relation till annan relevant och aktuell forskning" så snubblar jag över en hel del spännande information. Kanske inte det man skulle kalla för aktuellt, men jag kan inte låta bli att dela med mig till er. Här kommer alltså en kort historia om alkemister, sprängämnen, fabriksarbetare med självlysande skelett och stora mängder mänsklig urin. En historia om fosfor.

*mystisk och dramatisk musik*

Ren vit fosfor lyser i mörker, eftersom ytan reagerar med syret i luften och bildar  de kortlivade ämnena HPO och P2O2 som bägge avger ett svagt grönt sken. 

Fosfor upptäcktes år 1669 av Herr Doktor Henning Brand (även stavat Hennig Brand/Brandt). Han hade det nu mera ganska ovanliga yrket alkemist. Ni som kan er Harry Potter vet vad alkemisterna framförallt försökte åstadkomma, nämligen De Vises Sten. Enligt myten är det ett självlysande rött pulver med förmågan att omvandla oädla metaller till glimmande guld, och att förlänga livet på den som förtär det. Med evig ungdom och oändlig rikedom som tänkt slutprodukt kan man tänka sig att Herr Brand kände en viss upphetsning när han en dag lyckades framställa en mystisk substans, som dessutom lyste i mörkret. Ämnet var dock inte de vises sten, utan vad vi nu känner till som fosfor (från grekiskans ‘phôs’ som betyder ‘‘ljus’’, och ‘phoros’ som betyder ‘‘bärare’’). Det han framställt var den giftiga och mycket reaktiva varianten vit fosfor (även kallas gul fosfor). Fosfor kan även förekomma i röd form, och är då betydligt mer ofarlig.

Om ni läsare känner för att utföra ett äkta 1600-tals alkemiexperiment så finns Henning Brands enkla recept bevarat och lyder som följande:

• Boil 50 buckets of human urine to reduce it to a thick syrup. 
• Heat until a red oil distills up from it, and draw that off. 
•  Allow the remainder to cool, where it consists of a black spongy upper part and a salty lower part. Discard the salt, mix the red oil back into the black material. 
• Heat that mixture strongly for 16 h. First white fumes come off, then an oil, then phosphorus. 
• The phosphorus may be passed into cold water to solidify. 

 ‘‘The Alchymist, In Search of the Philosopher’s Stone’’. Henning Brands upptäckt av fosfor 1669. Målning av  Joseph Wright. Notera de stackars assistenterna i bakgrunden, som antagligen fått äran att samla ihop och hantera 50 hinkar mänsklig urin. 

Fosfor var alltså upptäckt, men det skulle dröja i alla fall hundra år innan man kom underfund med hur man skulle utnyttja denna nya resurs. I slutet av 1700-talet upptäckte man att ben innehåll betydligt större koncentrationer fosfor än vad urin gör, och den industriella framställningen av fosfor tog fart.

Buffelben forslades via järnväg till fabriker, i USA år 1885

Ett viktigt användningsområdet för vit fosfor under 1800-talet var produktionen av tändstickor. Dock användes ingen skyddsutrustning, vilket gjorde att arbetarna utvecklade vad som kallades "phossy jaw". Sjukdomen manifesterar sig till en början i en nekros av käkben och omkringliggande vävnad, och utvecklas sedan till allvarliga hjärnskador samt förlust av funktion i viktiga inre organ. Om inte de påverkade käkbenen snabbt opererades bort dog patienten. Eftersom sjukdomen berodde på att fosfor ansamlats i skelettet kunde man ibland se hur de drabbades käkbenen lyste i mörker.

Användandet av vit fosfor vid framställning av tändstickor blev internationellt förbjudet först år 1906, i Bernekonventionen. Då hade arbetare protesterat och strejkat i över tjugo år, med den mest berömda strejken i London 1888, "The matchgirl strike". Efter förbudet ersattes den vita fosforn med den betydligt säkrare röda fosforn som man precis hade listat ut hur man kunde producera.
(Den cyniskt lagda kan misstänka att det snarare var detta tekniska framsteg, än arbetarnas protester, som gav upphov till förändringen. Levande arbetare jobbar trots allt bättre, om man nu har alternativ.)

"Phossy jaw". Ingen googling för den kräsmagade. 

Förbudet mot användandet av vit fosfor för tändstickor känns antagligen helt rimligt för de flesta. Det skulle också vara totalt rimligt att förbjuda användandet av vit fosfor helt och hållet, eftersom det är ett oerhört farligt ämne. HA! För att sammanfatta det hela med Harry Martinssons ord, "Det finns skydd mot allt som tänkas kan, men det finns inget skydd mot människan". Det logiska steget för vår ras är med andra ord att tillverka stora mängder vapen och göra vårt bästa för att bomba oss tillbaka till stenåldern.Ett något dyster exempel är till exempel är de 2000 ton brinnande brinnande fosfor som släpptes över Hamburg, Henning Brands forna hemstad, under andra världskriget. And that's why we can't have nice things.   

Vit fosfor brinner alltså vid kontakt med luft, och bilder då en rök som drar åt sig vatten. Slutresultatet av reaktionen är fosforsyra, vilket är kraftigt frätande. Fosfor som vapen ger alltså mycket svårsläckta bränder samt svåra skador på de personer som får det på sig. Denna egenskap, tillsammans med den tidigare nämnda toxiciteten, har gett fosfor smeknamnet "djävulens ämne".

Vit fosfor över Gaza

Men, undrar ni, är inte fosfor det man lägger på åkrarna? Jo, naturligtvis. Detta djävulens ämne är också helt essentiellt för alla levande celler. Fosfor är en del av cellmembran, enzymer, energivalutan ATP samt inte minst arvsmassan DNA och RNA. Primär- och sekundärkonsumenter (alltså växt- och köttätare) får i sig sitt nödvändiga fosfor i organisk form via födan, medans primärproducenter (växter, alger, svampar etc) behöver ta upp den från sin omgivning. I växternas fall så tas fosfor upp via rötterna i form av icke-organiskt väte- eller divätefosfat.

Historian om fosfor som gödselmedel är dock något mindre dramatisk. I alla tider har människor känt till att det växer bättre om man lägger på lite bajs. Till exempel finns det bevis för att gödsel från både kreatur och människor har använts i Kina under i alla fall de senaste femtusen åren, att Japanska bönder hämtade "night soil" från 1600-talets Tokyo och att medeltida lorder i England straffade bönder som förde bort fårlortar från betesmarken. Vi har alltså känt till gödselns betydelse långt innan vi visste att näringsämnen fanns eller att växter behöver dem.   

     

Brytning av guano i Peru för användning som gödsel på åkrarna. Guano kommer från fåglar eller fladdermöss, och är rikt på både kväve och fosfor. 

Under 1800-talet behandlades ben med syra för att göra fosforn mer växttillgängligt. Processen utvecklades sedan av en man vid namn John Laws, som kom på hur man effektivt kunde utvinna superfosfat (en blandning av kalciumdivätefosfat och kalciumsulfat) från apatit (kalciumfosfat), andra fosforrika mineral, ben etc.

Idag kommer majoriteten av den fosfor vi använder till gödsel från mineral brutet från gruvor. Bilden nedan visar hur användningen av mineralfosfor (rött) steg skarpt efter andra världskrigets slut, och ligger betydligt högre än användningen av fosfor från stallgödsel (grönt). 

Figur över användningen av olika former av fosfor, från: Cordell, D., Drangert, J.-O., and White, S., (2009), The story of phosphorus: Global food security and food for thought. Global Environmental Change, 2009. 19(2009) p. 292-305. 

Ungefär 90 % av världens reserver av fosforrika mineral finns i Marocco, Västsahara, Kina, USA, Sydafrika och Jordan. Kvalitén på råvaran skiftar dock rejält. I värsta fall finns det kontaminering av tungmetaller som kadmium och bly, eller av det radioaktiva ämnet uran. I Sverige använder vi dock fosfor från Finland, som är av en mycket hög kvalitet.

En modern fosforgruva i Marocko. 

Idag används framförallt ammoniumfosfat som fosforgödning, istället för det tidigare så vanliga superfosfatet.

Ammoniumfosfat

 Så. Det var lite om detta djävulens ämne, som är så nödvändigt för vår existens. Ett ämne vars upptäckt har hjälpt till att mata världens befolkning, men också har hjälpt till att döda ansenliga delar av den. Från historiska problem med förgiftade fabriksarbetare och brinnande städer till dagens bekymmer med övergödning, kontaminering samt en eventuell katastrofal framtida bristsituation. Allt har att göra med detta livsnödvändiga ämne.  



Vill du veta mer? Här är lite källor och tips för vidare förkovring:

• Podcasten Myter och Mysterier - avsnittet om Alkemi (inte något om fosfor dock)

•  K. Ashley, D. Cordell, D. Mavinic. A brief history of phosphorus: From the philosopher’s stone to nutrient recovery and reuse. Chemosphere 84 (2011) 737–746

• Cordell, D., Drangert, J.-O., and White, S., (2009), The story of phosphorus: Global food security and food for thought. Global Environmental Change, 2009. 19(2009) p. 292-305. 

• Emsley, J. The 13th Element: The Sordid Tale of Murder, Fire, and Phosphorus (bok)