Fosfor za glad – drago za fosforom

U knjigama, udžbenicima, leksikonima i na web stranicama (svakakvih) piše da jest otkriven fosfor 1669. godine njemački alkemičar Henning Brand iz Hamburga – i (obično) ništa više. No priča nije daleko od jednostavne, jer je Brand krio način na koji ga je dobio, no ipak je za 200 talira prodao recept Johannu Danielu Kraftu, koji je opet povjerio Robertu Boyleu da se fosfor dobiva iz nečega „što je od čovječjeg tijela“ – da bi taj treći kemičar otkrio tajnu i 1680. godine upoznao cijelom učenom svijetu kako se dobiva novi kemijski element: fosfor ostaje od mokraće, točnije od mokraćnog taloga. Iza Brandove tajne nad tajnama krije se posve jednostavan tehnološki postupak i još jednostavnija kemija.

Radi se o tome da urin i njegov sediment sadrže fosfat, ali i organske tvari. Organska tvar se zagrijavanjem pretvara u ugljik, koji zatim reducira fosfate u elementarne (bijeli) fosfor koji vrijedi na 440 ^oC, pa se iz reakcijske smjese može lako odvojiti destilacijom. Za pokus ne treba imati ništa drugo nego retortu, hladilo i, dakako, dovoljnu količinu sirovine, tj. mokraće i njezina taloga. Fosfor u mraku svijetli (po čemu je dobio ime), a lako se i zapali – dovoljno je puhnuti u njegov prah.

Jednostavan postupak dobivanja

Možda u fosforu leži tajna grčke vatre, samozapaljive tekućine koju je u sedmom stoljeću izumio Grk Kalinikos i njome dvaput spalio arapsko brodovlje pred Konstanipolom. Postupak dobivanja fosfora je toliko jednostavan da ne bi bilo neobično da ga je priredio netko prije Branda.

No to je samo moja divlja hipoteza, iza koje možda leži ironija povijesti kao što je ironija povijesti da njemačka riječ Brand znači požar i da je Brandov rodni grad Hamburg u Drugom svjetskom ratu do temelja spaljen i to upravo fosfornim bombama.

Ironija povijesti je i da se danas fosfor ne dobiva iz nečega „što je od čovječjeg tijela“, mokraće ili kostiju, dakle organske sirovine, nego iz minerala apatitkoji je po kemijskom sastavu kalcijev fosfat s nešto fluoridnih, hidroksidnih i kloridnih iona, Ca₅(NAKON₄)₃(F,OH,Cl). Kažem to zato jer da bi se tako fosfor dobivao iz obnovljivih izvora, no ovako… Ovako se ležišta fosfora iscrpljuju i samo je pitanje dana kad ih više neće biti.

Iz Maroka dolazi 70% fosfora

Statistike su se neumoljive. Godišnje se u svijetu proizvede 30 milijuna tona fosfora (što elementarnog, što u obliku njegovih spojeva) i za tu se svrhu iskopa i preradi 223 milijuna tona fosforne rude. Iako bez fosfora nema života (jer ulazi u sastav nukleinskih kiselina i mnogih drugih biogenih spojeva), iako svatko od nas ima u svom tijelu oko kilogram fosfora, rudna nalazišta fosfata vrlo su rijetka. Gotovo sav fosfor dolazi iz dvije države, Kine i Marokasa 70% svjetskih rezervi leži u Maroku.

Sa strane potrošnje slična je stvar: 85 % dobivenog fosfora koristi se za proizvodnju umjetnih gnojiva, a 10 % za ishranu stoke. Za proizvodnju 130 tona žita treba utrošiti tonu fosfata, no to opet ovisi o tome kako se gnoji. Umjetno gnojivo nije bilo koje i bilo kakva sol koja sadrži za biljku nužne elemente, nego sol koja se u zemlji otapava onom brzinom kojom je biljka troši.

Pretjerana potrošnja gnojiva

Neusklađenim brzinama ne nastaju samo gospodarske štete zbog prekomjerne potrošnje gnojiva, nego se zagađuje i okoliš, posebno podzemne vode. Korištenjem gnojiva u Kini gubi se čak 200 kg od 525 kilograma bačenih fosfata na tlo – dok američki farmer na istoj površini koristi šest puta manje fosfata i 23 puta manje zagađuje okoliš.

No koliko god bi se moglo još mnogo učiniti u racionalnoj upotrebi umjetnika, posebno fosfornih gnojiva, ne može se vidjeti činjenica da potražnja za fosfatima raste. Razlog tome je povećanje proizvodnje hrane zbog porasta stanovništva i životnog standarda. Nasuprot tome mineralne zalihe fosfata ostaju kakve su bile. One se procjenjuju na 71 milijardu tona, no ako se računaju samo ležišta koja se isplate iskorištavati današnjom tehnologijom, taj broj pada na 16 milijardi. Uz današnju potrošnju to bi dostajalo za 70 godinano ako – prema predviđanjima – potrošnja fosfatnih gnojiva poraste dva puta do 2050. godine, jasno je da nam prijeti nova vrsta gladi, gladi za fosfatima.

Novi problem su – baterije za EV

Nova upotreba fosfata također pridonosi ovoj gladi. Količina od 11 milijuna tona (5%) rude koja se ne prerađuje u gnojivo i dodatak hrani za životinje, već se koristi u druge svrhe, mogla bi se značajno povećati zbog električnih automobila. Oni naime upotrebljavaju litij-željezo-fosfatne (LFP) baterije, temeljene na litijevom željezovom fosfatu, LiFePO₄. Baterija električnog automobila sadrži 25,5 kg fosfora. Kada se predviđa buduća proizvodnja takvih automobila, radi se o 3 milijuna tona fosfora. Koliko će se trebati proizvesti 2050. godine samo za automobilske baterije – a to je čak 10% današnje proizvodnje.

Gdje je izaz? Izlaz nije u povratku mokraće nego u racionalnoj potrošnji, a još više u razvoju novih tehnologija za recikliranje fosfora i njegovih spojeva. O tome već sada treba početi misliti, jer će 2050. godina biti prekasno.

Nenad Raos je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnom zvanju, koji je radio do umirovljenja 2016. godine u zagrebačkom Institutu za medicinska istraživanja i medicinu rada (IMI). Autor je i koautor oko 200 znanstvenih i stručnih radova iz područja teorijske (računalne) kemije, kemije kompleksnih spojeva, bioanorganske kemije i povijesti znanosti. Bio je pročelnik Sekcije za izobrazbu Hrvatskog kemijskog društva, glavni urednik Prirode te urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji. Još se od studentskih dana bavi popularizacijom znanosti. Autor je 3000 znanstveno-popularnih članaka te 14 znanstveno-popularnih knjiga.