磷

無色、蠟狀白、黃、深紅、紅、紫或黑磷（Phosphorus；源於Phosphorum），是一種化學元素，化學符號為磷，原子序數為15，原子量為30.973761998u。元素磷存在兩種主要形態，一種是白磷，另一種是紅磷。但由於其具有高度反應性，磷在地球上從來不以單體元素的形式存在。磷在地殼中的含量大約為0.1%，通常以磷酸鹽的形式出現在礦物中。

元素磷於1669年由德國鍊金術士亨尼格·布蘭德首次以白磷的形式分離出來，這標誌著磷成為人類通過化學方法發現的第一個化學元素。「磷」（Φωσφόρος，字面意思為「光的使者」）這一名稱源自希臘神話中的啟明星之神福斯福洛斯，命名靈感來自白磷在氧氣中發出的微弱光輝。磷的這一特性也成為了「磷光」一詞的由來，儘管白磷本身並不產生磷光，而是由於其氧化作用引起的化學發光。磷與氮、砷、銻、鉍和鋨同屬於氮族元素，因此與它們具有一些相似的特性。

磷是維持生命所必需的元素，其主要通過磷酸鹽來發揮作用。磷酸鹽是一種含有磷酸根離子（PO43−）的化合物，是DNA、RNA、三磷酸腺苷（ATP）和磷脂等複雜化合物的組成部分，這些化合物對細胞至關重要。元素磷最早是從人類尿液中分離出來的，而骨灰則是早期磷酸鹽的重要來源。磷酸鹽礦中含有化石，因為動物遺骸和排泄物的化石沉積物中含有磷酸鹽。在許多植物生態系統中，低磷酸鹽含量是限制植物生長的關鍵因素之一。人類需要使用磷酸鹽來替代植物從土壤中去除的磷。磷酸鹽的年需求量的增長速度幾乎是人類人口增長的兩倍，其還廣泛應用於洗滌劑、殺蟲劑和神經毒劑等有機磷化學產品中。

## 性狀

磷是一種易起化學反應的、有毒的氮族非金屬元素。它的化學反應活性和毒性取決於形態不同而有所區別。

磷化氫燃燒的火叫鬼火。

### 單質磷的同素異構體

- 黑磷（金屬磷）
- 化學結構類似石墨，因此可導電。
- 化學式一般寫為$P$。
- 深黑色粉末
- 白磷（黃磷）
- 化學式：$P4$
- 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$P4O10$，必須保存在水中。$P4O10$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。
- 紅磷（赤磷）
- 化學結構為巨型共價分子。
- 化學式一般寫為$P$。
- 鮮紅色粉末，無毒，比重2.296，熔點725度，是黃磷於壓力下稀有氣體中加熱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$P$。

## 化學性質

<image>

磷可以在空氣中燃燒，生成大量五氧化二磷

白煙：$4P + 5O2 -> P4O10$在有催化劑存在的情況下，白磷、紅磷和水經過幾步反應生成H3PO4、H2及很少量的H3PO3和PH3：$P4 + 16H2O = 4H3PO4 + 10H2$

## 發現

<image>

在化學史上第一個發現磷元素的人，當推十七世紀的一個德國漢堡商人亨尼格·布蘭德（Henning Brand，約1630年~約1710年）。他是一個相信鍊金術的人，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。

由於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實驗。1669年，他在一次實驗中，將砂、木炭、石灰等和尿混合，加熱蒸餾，雖沒有得到黃金，而竟意外地得到一種十分美麗的物質，它色白質軟，能在黑暗的地方放出閃爍的亮光，於是波蘭特給它取了個名字，叫「冷光」，這就是今日稱之為白磷的物質。波蘭特對制磷之法，起初極守秘密，不過，他發現這種新物質的消息立刻傳遍了德國。

德國化學家孔克爾曾用盡種種方法想打聽出這一秘密的製法，終於探知這種所謂發光的物質，是由尿裡提取出來的，於是他也開始用尿做試驗，經過苦心摸索，終於在1678年也告成功。他是把新鮮的尿蒸餾，待蒸到水分快乾時，取出黑色殘渣，放置在地窯里，使它腐爛，經過數日後，他將黑色殘渣取出，與兩倍於「尿渣」重的細砂混合。一起放置在曲頸瓶中，加熱蒸餾，瓶頸則接連盛水的收容器。起初用微火加熱，繼用大火乾餾，及至尿中的揮發性物質完全蒸發後，磷就在收容器中凝結成為白色蠟狀的固體。後來，他為介紹磷，曾寫過一本書，名叫《論奇異的磷質及其發光丸》。

在磷元素的發現上，英國化學家羅伯特·波義耳差不多與孔克爾同時，用與他相近的方法也製得了磷。波義耳的學生漢克維茨（Codfrey Hanckwitz）曾用這種方法在英國製得較大量的磷，作為商品運到歐洲其他國家出售。他在1733年曾發表論文，介紹製磷的方法，不過說得十分含糊，以後，又有人從動物骨質中發現了磷。

## 名稱由來

由於單質磷在空氣中會自燃或緩慢氧化而放熱發光，因此磷的拉丁文名稱Phosphorum來源於希臘文Φωσφόρος的拉丁化，原指「啟明星」，意為「光亮」。

而在中文裡，磷的本字為粦，根據晉代《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」字本與「粦」無關，如司馬相如在作賦時將其與"嶙"、"粼"混用，指光亮。南朝時期的字典《玉篇》中記載為雲母之意。本作為鬼火之源的"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

磷在地殼中的含量為0.09%。磷不以單質存在，通常在磷酸鹽中天然存在，尤其是磷灰石。磷也存在於生物體當中，是原生質的基本成分。

## 製備

磷的現代製法是將磷酸鈣與砂（主要成分為二氧化矽）及焦炭一起放在電爐中加熱。為使反應式易於理解，可寫成兩步如下：

- $$Ca3(PO4)2 + 3SiO2 -> 3CaSiO3 + P2O5$$
- $$P2O5 + 5C -> 2P + 5CO$$

## 同位素

已發現磷的同位素共有13種，包括磷27至磷39，其中只有磷31是穩定的，其他同位素都帶有放射性。

## 化合物

### 含氧酸

磷的含氧酸非常豐富，結構較為複雜，且大多具有商業價值。這些含氧酸都有和氧相連的氫原子，可以體現酸性，也有些有不體現酸性的直接連在磷上的氫原子。縱然許多磷的含氧酸已經被合成，但僅有以下幾種是較常見的。其中的三種——次磷酸、亞磷酸和磷酸尤為重要。

名稱｜化學式｜磷的氧化數（化合價）｜結構式｜N元酸｜化合物形態

次磷酸｜$H3PO2$｜+1｜

<image>

｜1｜酸、鹽

亞磷酸｜$H3PO3$｜+3｜

<image>

｜2｜酸、鹽

偏亞磷酸｜$HPO2$｜+3｜

<image>

｜1｜鹽

原亞磷酸（與亞磷酸為互變異構體）｜$H3PO3$｜+3｜

<image>

｜3｜酸、鹽

連二磷酸｜$H4P2O6$｜+4｜

<image>

｜4｜酸、鹽

n（聚）偏磷酸｜$(HPO2)_{n}$｜+5｜

<image>

<image>

<image>

｜n｜鹽（n=3、4、6）

磷酸（正磷酸）｜$H3PO4$｜+5｜

<image>

（n聚磷酸n=1時）｜3｜酸、鹽

n（聚）磷酸｜$H(HPO3)_{n}OH$｜+5｜

<image>

｜n+2｜酸、鹽（n=1-6）

焦磷酸｜$H4P2O7$｜+5｜

<image>

（n聚磷酸n=2時）｜4｜酸、鹽

三磷酸｜$H5P3O10$｜+5｜

<image>

（n聚磷酸n=3時）｜5｜鹽

### 磷（V）化合物

#### 含氧化合物

最常見的磷化合物是磷酸鹽（$PO4^3-$），它是一個呈四面體的陰離子。其一個很重要的作用是用作化肥。磷酸根離子是（正）磷酸的共軛鹼。磷酸是一個三元酸，所以它可以逐步轉變為以下三種共軛鹼：

$H3PO4 + H2O <=> H3O+ + {H2PO4}^{-}$ Ka1= 7.25×10−3

${H2PO4}^{-} + H2O <=> H3O+ + {HPO4}^{2-}$ Ka2= 6.31×10−8

${HPO4}^{2-} + H2O <=> {H3O}^{+} + {PO4}^{3-}$ Ka3= 3.98×10−13

磷酸及其衍生物有聚合成鏈或環而形成$P-O-P$鍵的傾向。目前已知的聚磷酸衍生物已經有很多，比如ATP。它們通過磷酸氫鹽（例如${HPO4}^{2-}$和${H2PO4}^{2-}$）脫水得到。例如，下列縮合反應在工業上非常廣泛地用於生產三磷酸鈉（俗稱五鈉）：

$$2Na2[(HO)PO3] + Na[(HO)2PO2] -> Na5[O3P-O-P(O)2-O-PO3] + 2H2O$$

十氧化四磷（P4O10）是磷酸的酸酐。它是白色的固體，與水反應非常劇烈。

$PCl5$和$PF5$兩種化合物具有共同點：它們都較不穩定，且都是白色或淺色的。$PCl5$和$PF5$的空間構型都是五角雙錐，並且它們都是路易斯酸。後者可以形成${PF6}^{-}$離子，它和$SF6$互為等電子體。至於另外兩種磷的鹵化物$PBr5$和$PI5$都是極不穩定的。而磷最主要的鹵氧化物是三氯氧磷（$POCl3$），它的空間構型是四面體型的。

以往一直認為磷（V）化合物中磷的d軌道參與了雜化。然而經過電腦大量計算，事實並非如此：磷只用了s和p軌道雜化。這可用分子軌道理論來解釋。

#### 含硫化合物

磷酸根中的氧可以被硫取代，如硫代磷酸。

多種硫化磷也是已知的。

## 用途

磷可用於安全火柴、煙花、燃燒彈和化肥，還可以保護金屬表面免於腐蝕。

磷酸的用途也十分廣泛。

## 對人體的影響

磷是骨骼和牙齒的構成材料之一。正常成年人骨中的含磷總量約為600～900克，人體每100毫升全血中含磷35-45毫克。磷能保持人體內代謝平衡，在調節能量代謝過程中發揮重要作用。它是生命物質核苷酸的基本成分。它參與體內的酸鹼平衡的調節，參與體內脂肪的代謝。

磷缺乏可以出現低磷血症，引起紅細胞、白細胞、血小板的異常，軟骨病。磷過多將導致高磷血症，使血液中血鈣降低導致骨質疏鬆。

短時間內攝取一定分量的白磷單質，可造成急性白磷中毒。