此条目的主題是化學元素「磷」。关于人體必需的營養素,請見「
磷營養 」。
磷 15 P 外觀 無色、蠟狀白 、黃 、深紅、紅 、紫 或黑 由左而右分別是:蠟狀白磷 (黃色切面), 顆粒狀紅磷 ,塊狀紅磷 、紫磷 概況 名稱·符號 ·序數 磷(phosphorus)·P·15 元素類別 非金屬 族 ·週期 ·區 15 ·3 ·p 標準原子質量 30.973761998(5)[ 1] 电子排布 [Ne ] 3s2 3p3 2, 8, 5磷的电子層(2, 8, 5) 歷史 發現 亨尼格·布蘭德 (1669年)確認其為一元素者 安東萬·拉瓦節 [ 2] (1777)物理性質 物態 固態 密度 (接近室温 ) (白磷) 1.823, (紅磷) ≈ 2.2 – 2.34, (紫磷) 2.36, (黑磷) 2.69g ·cm −3 熔点 (白磷) 44.2 °C, (黑磷) 610°C 昇華點 (紅磷) ≈ 416 – 590 °C, (紫磷) 620°C 沸點 (白磷) 280.5°C 熔化热 (白磷) 0.66kJ·mol−1 汽化热 (白磷) 12.4 kJ·mol−1 比熱容 (白磷) 23.824 J·mol−1 ·K−1 蒸氣壓 ((白磷))壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k 溫/K 279 307 342 388 453 549
蒸氣壓 ((紅磷, 沸點 431 °C))壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k 溫/K 455 489 529 576 635 704
原子性質 氧化态 (粗体为常见氧化态)5 , 4, 3, 2[ 3] , 1[ 4] , −1, −2, −3 (弱酸 性氧化物)电负性 2.19(鲍林标度) 电离能 第一:1011.8kJ·mol−1 第二:1907 kJ·mol−1 第三:2914.1 kJ·mol−1 (更多 ) 范德华半径 180 pm 磷的原子谱线 雜項 晶体结构 体心立方 磁序 (白,紅,紫,黑)抗磁性 [ 5] 熱導率 (白磷) 0.236, (黑磷) 12.1 W·m−1 ·K−1 体积模量 (白磷) 5, (紅磷) 11 GPa CAS号 7723-14-0 同位素 主条目:磷的同位素
磷 (英語:Phosphorus ;源于拉丁語 :Phosphorum ),是一种化学元素 ,化学符号 为P ,原子序数 为15,原子量 為7001309737619980000♠ 30.973761 998 u 。元素磷存在两种主要形态,一种是白磷 ,另一种是红磷 。但由于其具有高度反应性,磷在地球上从来不以单体元素 的形式存在。磷在地壳 中的含量大约为0.1%,通常以磷酸盐 的形式出现在矿物中。
元素磷于1669年由德国炼金术士亨尼格·布兰德 首次以白磷的形式分离出来,这标志着磷成为人类通过化学方法发现的第一个化学元素[ 6] 。“磷”(古希臘語 :Φωσφόρος ,羅馬化: Phōsphoros ,字面意思为“光的使者”)这一名称源自希腊神话 中的启明星 之神福斯福洛斯 ,命名灵感来自白磷在氧气 中发出的微弱光辉。磷的这一特性也成为了“磷光 ”一词的由来,尽管白磷本身并不产生磷光,而是由于其氧化作用 引起的化学发光 。磷与氮 、砷 、锑 、铋 和锇 同属于氮族元素 ,因此与它们具有一些相似的特性。
磷是维持生命 所必需的元素,其主要通过磷酸盐来发挥作用。磷酸盐是一种含有磷酸根离子(PO4 3− )的化合物 ,是DNA 、RNA 、三磷酸腺苷 (ATP)和磷脂 等复杂化合物的组成部分,这些化合物对细胞 至关重要。元素磷最早是从人类尿液中分离出来的,而骨灰 则是早期磷酸盐的重要来源。磷酸盐矿中含有化石 ,因为动物遗骸和排泄物的化石沉积物中含有磷酸盐。在许多植物生态系统中,低磷酸盐含量是限制植物生长的关键因素之一。人类需要使用磷酸盐来替代植物从土壤中去除的磷。磷酸盐的年需求量的增长速度几乎是人类人口增长的两倍,其还广泛应用于洗涤剂 、杀虫剂 和神经毒剂 等有机磷化学 产品中。
磷 是一种易起化学反应 的、有毒的氮族 非金属 元素。它的化学反应活性和毒性取决于形态不同而有所区别。
磷化氫 燃烧的火叫鬼火 。
把白磷溶於二硫化碳 ,再把溶液灑在紙上。二硫化碳揮發後留下白磷,白磷在空氣中自燃,令紙張燒焦 磷可以在空气中燃烧 ,生成大量五氧化二磷
白烟:
4 P + 5 O 2 ⟶ P 4 O 10 {\displaystyle {\ce {4P + 5O2 -> P4O10}}}
在有催化剂 存在的情况下,白磷、红磷和水经过几步反应生成H3 PO4 、H2 及很少量的H3 PO3 和PH3 :
P 4 + 16 H 2 O = 4 H 3 PO 4 + 10 H 2 {\displaystyle {\ce {P4 + 16H2O = 4H3PO4 + 10H2}}} [ 7]
有关磷元素发现的绘画 在化学史 上第一个发现磷元素的人,当推十七世纪 的一个德国 汉堡 商人亨尼格·布蘭德 (Henning Brand,约1630年~约1710年)。他是一个相信炼金术 的人,在三十年戰爭 時他擔任初級軍官,戰爭結束後成為玻璃工匠的學徒。後來他娶了一位有錢人的女兒。豐饒的嫁妝讓他從此不愁吃穿,所以他開始追求他真正的興趣,也就是尋找賢者之石 。當時的社會相信賢者之石要透過煉金術才能製成,可以把所有東西變成黃金,甚至可以讓人長生不老。
然而,反覆的實驗失敗終究還是花光了他的所有積蓄。更不幸的是他妻子也過世了。之後他又娶了另一位女人,這位後來娶的妻子不只帶給他財富讓他可以繼續實驗,也給他一個兒子可以在實驗室幫他的忙。
由于他相信人體本身就是一種煉金術,因為從嘴巴吃進去的跟排泄出來的物質完全不一樣。所以他使用尿作了大量实验。1669年,他在一次实验中,将砂 、木炭 、石灰 等和尿混合,加热蒸馏 ,虽没有得到黄金,而竟意外地得到一种十分美丽的物质,它色白 质软,能在黑暗的地方放出闪烁的亮光,于是波兰特给它取了个名字,叫“冷光”,这就是今日称之为白磷的物质。波兰特对制磷之法,起初极守秘密,不过,他发现这种新物质的消息立刻传遍了德国。[ 8]
德国化学家孔克爾 曾用尽种种方法想打听出这一秘密的制法,终于探知这种所谓发光的物质,是由尿里提取出来的,于是他也开始用尿做试验,经过苦心摸索,终于在1678年也告成功。他是把新鲜的尿蒸馏,待蒸到水分 快干时,取出黑色 残渣,放置在地窑里,使它腐烂,经过数日后,他将黑色残渣取出,与两倍于“尿渣”重的细砂混合。一起放置在曲颈瓶 中,加热蒸馏 ,瓶颈则接连盛水的收容器。起初用微火加热,继用大火干馏 ,及至尿中的挥发性物质完全蒸发后,磷就在收容器中凝结成为白色蜡状的固体 。后来,他为介绍磷,曾写过一本书,名叫《论奇异的磷质及其发光丸》。
在磷元素的发现上,英国 化学家罗伯特·波义耳 差不多与孔克尔同时,用与他相近的方法也制得了磷。波义耳的学生汉克维茨 (Codfrey Hanckwitz)曾用这种方法在英国制得较大量的磷,作为商品运到欧洲 其他国家 出售。他在1733年曾发表论文,介绍制磷的方法,不过说得十分含糊,以后,又有人从动物 骨质中发现了磷。
由于单质 磷在空气 中会自燃 或缓慢氧化而放热发光,因此磷的拉丁文 名称Phosphorum 来源于希腊文 Φωσφόρος 的拉丁化 ,原指“启明星 ”,意为“光亮”。
而在中文 裡,磷的本字為粦,根據晋代《博物志 》記載,「戰鬬死亡之處,有人馬血,積中爲粦,著地入艸木,如霜露不可見。有觸者,著人體後有光,拂拭即散無數,又有吒聲如鬻豆。舛者,人足也。言光行著人。」可見上部"米"字乃代表鬼火 之"炎"字轉寫,下部"舛"字則指人足部。
“磷”字本与“粦”无关,如司馬相如 在作賦時將其與"嶙"、"粼"混用,指光亮。南朝 时期的字典《玉篇 》中記載為雲母 之意。本作为鬼火 之源的"粦"後加石字偏旁以作為其元素性質之辨,指鬼火之源所含的元素。此與"磷"之原來諸義皆有所不同。
磷在地壳 中的含量为0.09%。磷不以单质 存在,通常在磷酸盐 中天然存在,尤其是磷灰石 。磷也存在于生物体当中,是原生质 的基本成分。
磷的现代制法是将磷酸钙与砂(主要成分为二氧化硅)及焦炭一起放在电炉中加热。为使反应式易于理解,可写成两步如下:
已发现磷的同位素 共有13种,包括磷27 至磷39 ,其中只有磷31 是稳定的,其他同位素 都带有放射性 。
磷的含氧酸 非常丰富,结构较为复杂,且大多具有商业价值。这些含氧酸都有和氧相连的氢原子,可以体现酸性 ,也有些有不体现酸性的直接连在磷上的氢原子。纵然许多磷的含氧酸已经被合成,但仅有以下几种是较常见的。其中的三种——次磷酸 、亚磷酸 和磷酸 尤为重要。
最常见的磷化合物 是磷酸盐 (PO 4 3 − {\displaystyle {\ce {PO4^3-}}} ),它是一个呈四面体 的阴离子 。[ 9] 其一个很重要的作用是用作化肥。磷酸根离子是(正)磷酸的共轭碱。磷酸是一个三元酸,所以它可以逐步转变为以下三种共轭碱:
H 3 PO 4 + H 2 O ↽ − − ⇀ H 3 O + + H 2 PO 4 − {\displaystyle {\ce {H3PO4 + H2O <=> H3O+ + {H2PO4}^{-}}}} K a1 = 7.25×10−3 H 2 PO 4 − + H 2 O ↽ − − ⇀ H 3 O + + HPO 4 2 − {\displaystyle {\ce {{H2PO4}^{-}+ H2O <=> H3O+ + {HPO4}^{2-}}}} K a2 = 6.31×10−8 HPO 4 2 − + H 2 O ↽ − − ⇀ H 3 O + + PO 4 3 − {\displaystyle {\ce {{HPO4}^{2-}+ H2O <=> {H3O}^{+}+ {PO4}^{3-}}}} K a3 = 3.98×10−13 磷酸及其衍生物有聚合成链或环而形成P − O − P {\displaystyle {\ce {P-O-P}}} 键的倾向。目前已知的聚磷酸衍生物已经有很多,比如ATP 。它们通过磷酸氢盐(例如HPO 4 2 − {\displaystyle {\ce {{HPO4}^{2-}}}} 和H 2 PO 4 2 − {\displaystyle {\ce {{H2PO4}^{2-}}}} )脱水得到。例如,下列缩合反应 在工业上非常广泛地用于生产三磷酸钠 (俗称五钠):
2 Na 2 [ ( HO ) PO 3 ] + Na [ ( HO ) 2 PO 2 ] ⟶ Na 5 [ O 3 P − O − P ( O ) 2 − O − PO 3 ] + 2 H 2 O {\displaystyle {\ce {2Na2[(HO)PO3] + Na[(HO)2PO2] -> Na5[O3P-O-P(O)2-O-PO3] + 2H2O}}} 十氧化四磷 (P4 O10 )是磷酸的酸酐 。它是白色的固体,与水反应非常剧烈。
PCl 5 {\displaystyle {\ce {PCl5}}} 和PF 5 {\displaystyle {\ce {PF5}}} 两种化合物具有共同点:它们都较不稳定,且都是白色或浅色的。PCl 5 {\displaystyle {\ce {PCl5}}} 和PF 5 {\displaystyle {\ce {PF5}}} 的空间构型 都是五角双锥 ,并且它们都是路易斯酸 。后者可以形成PF 6 − {\displaystyle {\ce {{PF6}^{-}}}} 离子,它和SF 6 {\displaystyle {\ce {SF6}}} 互为等电子体 。至于另外两种磷的卤化物PBr 5 {\displaystyle {\ce {PBr5}}} 和PI 5 {\displaystyle {\ce {PI5}}} 都是极不稳定的。而磷最主要的卤氧化物是三氯氧磷 (POCl 3 {\displaystyle {\ce {POCl3}}} ),它的空间构型是四面体型的。
以往一直认为磷(V)化合物中磷的d轨道参与了杂化。然而经过计算机大量计算,事实并非如此:磷只用了s和p轨道杂化[ 10] 。这可用分子轨道理论 来解释。
磷酸根中的氧可以被硫 取代,如硫代磷酸。
多种硫化磷也是已知的。
磷可用于安全火柴 、烟花 、燃烧弹 和化肥 ,还可以保护金属表面免于腐蚀 。
磷酸 的用途也十分广泛。
磷是骨骼 和牙齿 的构成材料 之一。正常成年人骨中的含磷总量约为600~900克,人体每100毫升全血中含磷35-45毫克。磷能保持人体内代谢平衡,在调节能量代谢过程中发挥重要作用。它是生命物质 核苷酸 的基本成分。它参与体内的酸碱平衡 的调节,参与体内脂肪 的代谢。
磷缺乏可以出现低磷血症 ,引起红细胞 、白细胞 、血小板 的异常,软骨病 。磷过多将导致高磷血症 ,使血液 中血钙降低导致骨质疏松。
短时间内摄取一定分量的白磷单质,可造成急性白磷中毒 。
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