Bagaimana ia ditemukan saat menyuling air seni?
Pada 1669, alkimiawan Hamburg Hennig Brand mencari batu bertuah. Penalarannya bertolak dari warna: air seni berwarna keemasan, maka mungkin ia mengandung emas.
Ia mengumpulkan jumlah yang besar — catatan menyebut lebih dari seribu liter —, membiarkannya meragi berhari-hari, menguapkannya sampai memperoleh endapan kental, dan memanaskannya sampai membara dalam retort. Dari penyulingan itu keluar uap putih yang mengembun di bawah air menjadi zat seperti lilin.
Zat itu bercahaya dalam gelap. Brand menamainya fosfor, dari bahasa Yunani phosphoros, pembawa cahaya.
Itu bukan emas, tetapi itulah unsur pertama yang ditemukan pada masa sejarah oleh orang yang dapat disebut namanya. Emas, besi, atau belerang telah dikenal sejak zaman kuno tanpa penemu.
Perolehannya sangat kecil dan sumbernya menjelaskan hal itu: air seni mengandung fosfat dari metabolisme tulang. Beberapa dekade kemudian terbukti bahwa tulang adalah bahan baku yang jauh lebih baik, dan pada abad XIX orang beralih ke batuan fosfat.
⚠️ Cahaya yang memberi nama pada unsur itu bukan fosforesensi dalam arti teknis modern. Itu kemiluminesensi: fosfor putih teroksidasi perlahan jika ada udara lembap dan reaksinya memancarkan cahaya.
Apa yang membedakan fosfor putih dari yang merah?
Geometrinya, dan akibatnya ekstrem.
Fosfor putih terdiri dari molekul P₄ tetrahedral. Setiap atom terikat pada tiga atom lain, yang memaksa sudut ikatan 60 derajat. Sudut alami bagi orbital yang terlibat akan mendekati 100 derajat, sehingga molekulnya sangat tertekan.
Tegangan itu menyimpan energi dan membuatnya luar biasa reaktif. Ia menyala sendiri di udara di atas sekitar 30 °C, karena itu ia disimpan di bawah air. Ia juga sangat beracun: dosis mematikannya sekitar satu miligram per kilogram, dan ia menimbulkan nekrosis tulang.
Fosfor merah diperoleh dengan memanaskan yang putih sampai sekitar 250 °C tanpa udara. Tetrahedronnya terbuka dan saling terikat membentuk rantai polimer. Tanpa tegangan dan tanpa molekul terpisah, bahannya stabil di udara, tidak menyala sendiri, dan tidak beracun bila tertelan.
Ada pula fosfor hitam, bentuk yang paling stabil secara termodinamika, berstruktur berlapis mirip grafit dan bersifat semikonduktor, serta fosfor ungu, varian polimer lain.
Bahwa unsur yang sama beralih dari racun piroforik menjadi bahan pakai sehari-hari lewat perubahan struktur adalah salah satu contoh paling jernih bahwa kimia tidak hanya bergantung pada atom apa yang ada, melainkan pada bagaimana mereka tersusun.
Mengapa kehidupan bergantung pada fosfat?
Karena gugus PO₄³⁻ melakukan sesuatu yang tak dilakukan gugus fungsi lain sebaik itu: menyatukan dua hal secara stabil sekaligus dapat dibongkar.
Dalam DNA dan RNA, fosfat membentuk ikatan fosfodiester yang menyatukan satu gula dengan gula berikutnya. Setiap fosfat mempertahankan satu muatan negatif setelah membentuk kedua ikatan, yang menjaga molekulnya larut dan, terutama, menahannya di dalam membran sel: molekul bermuatan tidak menembus lapis ganda lipid.
Dalam ATP, tiga fosfat berantai. Muatan negatifnya saling menolak, sehingga memutus ikatan terakhir melepaskan energi yang dapat dipakai. ATP bukan gudang energi jangka panjang melainkan mata uang: sel manusia mendaur ulang bobot dirinya sendiri dalam ATP sepanjang satu hari.
Pada membran, fosfolipid memiliki kepala fosfat hidrofilik dan dua ekor hidrokarbon hidrofobik. Kedwikutuban itu membuat mereka tersusun sendiri menjadi lapis ganda.
Dalam pengaturan, menambahkan fosfat pada protein mengubah bentuk dan aktivitasnya. Kinase memfosforilasi dan fosfatase melepasnya; sakelar itu mengatur sebagian besar pensinyalan sel.
Bagaimana korek api sebenarnya bekerja?
Korek api modern memisahkan kedua bahan reaksinya, dan pemisahan itulah yang membuatnya aman.
Kepalanya berisi kalium klorat sebagai pengoksidasi, belerang atau sulfida sebagai bahan bakar, kaca gerus sebagai pengasah, dan bahan pengikat. Dengan sendirinya ia tidak mudah menyala.
Bidang gesek pada kotaknya berisi fosfor merah bercampur kaca gerus. Saat digesek, gesekan menghasilkan panas yang cukup untuk mengubah sedikit fosfor merah setempat menjadi fosfor putih, yang menyala seketika. Percikan itu menyalakan klorat pada kepalanya, dan reaksinya merambat ke kayunya.
Korek api sebelum 1844 membawa fosfor putih pada kepalanya sendiri. Ia menyala saat digesek pada permukaan apa pun, yang praktis dan berbahaya, dan terutama menyakiti para pembuatnya. Nekrosis rahang akibat paparan fosfor putih, yang dikenal sebagai phossy jaw, melanda para pekerja perempuan pabrik Britania dan memicu pemogokan buruh korek api London pada 1888. Sebuah konvensi internasional melarang fosfor putih pada korek api pada 1906.
Mengapa pasokannya mengkhawatirkan?
Karena fosfor tidak memiliki pengganti maupun sumber terbarukan.
Nitrogen pertanian dapat dibuat dari udara lewat Haber-Bosch. Fosfor tidak: tidak ada fosfor di atmosfer. Semua yang dipakai berasal dari batuan fosfat yang ditambang, sumber yang terbatas.
Cadangannya juga sangat terpusat. Maroko dan Sahara Barat menampung sekitar 70 % cadangan dunia yang teridentifikasi, disusul jauh oleh Tiongkok, Mesir, dan Aljazair. Pemusatan itu lebih tinggi daripada minyak bumi pada masa pemusatan terbesarnya.
Fosfor yang ditebar sebagai pupuk juga tidak terpulihkan. Sebagian diserap tanaman dan sampai ke meja makan; sisanya hanyut ke sungai dan danau, tempat ia menyumbang eutrofikasi bersama nitrogen. Yang memang sampai ke makanan berakhir di air limbah.
Dari sanalah minat yang tumbuh pada pemulihan fosfat di instalasi pengolahan air limbah, tempat ia dapat diendapkan sebagai struvit dan dikembalikan ke lahan. Kini itu teknologi yang matang tetapi penerapannya tidak merata, karena fosfat mineral masih lebih murah.