此条目页的主題是化學元素「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) 2.69 g ·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) 0.66 kJ·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 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 第一:1011.8 kJ·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 ( lín ) (英語:Phosphorus ;源于拉丁語 :Phosphorum ),是一種化學元素 ,化學符號 为P ,原子序數 为15,原子量 為7001309737619980000♠ 30.973761 998 u 。[6]
性状
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 。
黑磷 (金属磷)
化學結構類似石墨 ,因此可導電 。
化學式一般寫為
P
{\displaystyle {\ce {P}}}
。
深黑色粉末
白磷 (黃磷)
化學式:
P
4
{\displaystyle {\ce {P4}}}
淡黃蠟似半透明可結晶 的固體,於黑暗中能發光。放置一段時間部份表面白磷會形成紅磷,使白磷變成淡黃色。不溶於水,但可溶於苯、乙醚,需保存於水中。有特臭,劇毒。比重1.83,熔點44.4,沸點287度。可作武器白磷彈 ,吸入人體會燃燒形成磷酸酐 ,造成呼吸道及肺部灼傷,磷酸酐溶於水形成磷酸,具強脫水性,使呼吸道及肺部脫水。
在溫度35℃以上會在大氣中自燃,與氧氣産生
P
4
O
10
{\displaystyle {\ce {P4O10}}}
,必須保存在水中。
P
4
O
10
{\displaystyle {\ce {P4O10}}}
當被吸入時會與肺裏水分形成磷酸並產生大量熱能使肺部灼傷。
红磷 (赤磷)
化學結構為巨型共價分子。
化學式一般寫為
P
{\displaystyle {\ce {P}}}
。
鮮紅色粉末,無毒,比重2.296,熔點725度,是黃磷於壓力下稀有气体 中加熱8-10日而成,白磷隔除空氣加熱至250度可得紅磷。
紫磷
化學結構為層狀,但與黑磷不同。
化學式一般寫為
P
{\displaystyle {\ce {P}}}
。
化学性质
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]
发现
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。
名称由来
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。
分布
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。
制备
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:
Ca
3
(
PO
4
)
2
+
3
SiO
2
⟶ ⟶ -->
3
CaSiO
3
+
P
2
O
5
{\displaystyle {\ce {Ca3(PO4)2 + 3SiO2 -> 3CaSiO3 + P2O5}}}
P
2
O
5
+
5
C
⟶ ⟶ -->
2
P
+
5
CO
{\displaystyle {\ce {P2O5 + 5C -> 2P + 5CO}}}
同位素
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 。
化合物
含氧酸
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。
名称
化学式
磷的氧化数 (化合价 )
结构式
N元酸
化合物形态
次磷酸
H
3
PO
2
{\displaystyle {\ce {H3PO2}}}
+1
1
酸、盐
亚磷酸
H
3
PO
3
{\displaystyle {\ce {H3PO3}}}
+3
2
酸、盐
偏亚磷酸
HPO
2
{\displaystyle {\ce {HPO2}}}
+3
1
盐
原亚磷酸 (与亚磷酸为互变异构体 )
H
3
PO
3
{\displaystyle {\ce {H3PO3}}}
+3
3
酸、盐
连二磷酸
H
4
P
2
O
6
{\displaystyle {\ce {H4P2O6}}}
+4
4
酸、盐
n(聚)偏磷酸
(
HPO
2
)
n
{\displaystyle {\ce {(HPO2)_{n}}}}
+5
n
盐(n=3、4、6)
磷酸(正磷酸)
H
3
PO
4
{\displaystyle {\ce {H3PO4}}}
+5
(n聚磷酸n=1时)
3
酸、盐
n(聚)磷酸
H
(
HPO
3
)
n
OH
{\displaystyle {\ce {H(HPO3)_{n}OH}}}
+5
n+2
酸、盐(n=1-6)
焦磷酸
H
4
P
2
O
7
{\displaystyle {\ce {H4P2O7}}}
+5
(n聚磷酸n=2时)
4
酸、盐
三磷酸
H
5
P
3
O
10
{\displaystyle {\ce {H5P3O10}}}
+5
(n聚磷酸n=3时)
5
盐
磷(V)化合物
含氧化合物
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。
含硫化合物
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。
用途
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。
对人体的影响
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 。
参考文献
^ Prohaska, Thomas; Irrgeher, Johanna; Benefield, Jacqueline; Böhlke, John K.; Chesson, Lesley A.; Coplen, Tyler B.; Ding, Tiping; Dunn, Philip J. H.; Gröning, Manfred; Holden, Norman E.; Meijer, Harro A. J. Standard atomic weights of the elements 2021 (IUPAC Technical Report) . Pure and Applied Chemistry. 2022-05-04. ISSN 1365-3075 . doi:10.1515/pac-2019-0603 (英语) .
^ cf. "Memoir on Combustion in General (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 )" Mémoires de l'Académie Royale des Sciences 1777, 592–600. from Henry Marshall Leicester and Herbert S. Klickstein, A Source Book in Chemistry 1400–1900 (New York: McGraw Hill, 1952)
^ webelements . [2013-09-01 ] . (原始内容存档 于2008-05-12).
^ Ellis, Bobby D.; MacDonald, Charles L. B. Phosphorus(I) Iodide: A Versatile Metathesis Reagent for the Synthesis of Low Oxidation State Phosphorus Compounds. Inorganic Chemistry. 2006, 45 (17): 6864–74. PMID 16903744 . doi:10.1021/ic060186o .
^ Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds 互联网档案馆 的存檔 ,存档日期2012-01-12., in Lide, D. R. (编), CRC Handbook of Chemistry and Physics 86th, Boca Raton (FL): CRC Press, 2005, ISBN 0-8493-0486-5
^ 夏征农 、陈至立 (编). 《辞海 》第六版彩图本. 上海 : 上海辞书出版社 . 2009年: 第3227页. ISBN 9787532628599 .
^ 无机化学丛书.第四卷.P195.张青莲 主编
^ TodayIFoundOut.com, Matt Blitz-. How One Man’s Love of Urine Led to the Discovery of Phosphorus . Gizmodo. [2020-02-06 ] . (原始内容存档 于2020-02-06) (美国英语) .
^ D. E. C. Corbridge "Phosphorus: An Outline of its Chemistry, Biochemistry, and Technology" 5th Edition Elsevier:
Amsterdam 1995. ISBN 978-0-444-89307-9 .
^ Kutzelnigg, W. Chemical Bonding in Higher Main Group Elements (PDF) . Angewandte Chemie Int. (English) Ed. 1984, 23 (4): 272–295 [2014-04-27 ] . doi:10.1002/anie.198402721 . (原始内容存档 (PDF) 于2020-04-16).
外部連結