磷

无色、蜡状白、黄、深红、红、紫或黑磷（Phosphorus；源于Phosphorum），是一种化学元素，化学符号为磷，原子序数为15，原子量为30.973761998u。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。“磷”（Φωσφόρος，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（PO43−）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。

## 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。

磷化氢燃烧的火叫鬼火。

### 单质磷的同素异构体

- 黑磷（金属磷）
- 化学结构类似石墨，因此可导电。
- 化学式一般写为$P$。
- 深黑色粉末
- 白磷（黄磷）
- 化学式：$P4$
- 淡黄蜡似半透明可结晶的固体，于黑暗中能发光。放置一段时间部分表面白磷会形成红磷，使白磷变成淡黄色。不溶于水，但可溶于苯、乙醚，需保存于水中。有特臭，剧毒。比重1.83，熔点44.4，沸点287度。可作武器白磷弹，吸入人体会燃烧形成磷酸酐，造成呼吸道及肺部灼伤，磷酸酐溶于水形成磷酸，具强脱水性，使呼吸道及肺部脱水。
- 在温度35℃以上会在大气中自燃，与氧气产生$P4O10$，必须保存在水中。$P4O10$当被吸入时会与肺里水分形成磷酸并产生大量热能使肺部灼伤。
- 红磷（赤磷）
- 化学结构为巨型共价分子。
- 化学式一般写为$P$。
- 鲜红色粉末，无毒，比重2.296，熔点725度，是黄磷于压力下稀有气体中加热8-10日而成，白磷隔除空气加热至250度可得红磷。
- 紫磷
- 化学结构为层状，但与黑磷不同。
- 化学式一般写为$P$。

## 化学性质

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磷可以在空气中燃烧，生成大量五氧化二磷

白烟：$4P + 5O2 -> P4O10$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H3PO4、H2及很少量的H3PO3和PH3：$P4 + 16H2O = 4H3PO4 + 10H2$

## 发现

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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·布兰德（Henning Brand，约1630年~约1710年）。他是一个相信炼金术的人，在三十年战争时他担任初级军官，战争结束后成为玻璃工匠的学徒。后来他娶了一位有钱人的女儿。丰饶的嫁妆让他从此不愁吃穿，所以他开始追求他真正的兴趣，也就是寻找贤者之石。当时的社会相信贤者之石要透过炼金术才能制成，可以把所有东西变成黄金，甚至可以让人长生不老。

然而，反复的实验失败终究还是花光了他的所有积蓄。更不幸的是他妻子也过世了。之后他又娶了另一位女人，这位后来娶的妻子不只带给他财富让他可以继续实验，也给他一个儿子可以在实验室帮他的忙。

由于他相信人体本身就是一种炼金术，因为从嘴巴吃进去的跟排泄出来的物质完全不一样。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。

德国化学家孔克尔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”。

而在中文里，磷的本字为粦，根据晋代《博物志》记载，“战鬬死亡之处，有人马血，积中为粦，着地入艸木，如霜露不可见。有触者，着人体后有光，拂拭即散无数，又有吒声如鬻豆。舛者，人足也。言光行着人。”可见上部"米"字乃代表鬼火之"炎"字转写，下部"舛"字则指人足部。

“磷”字本与“粦”无关，如司马相如在作赋时将其与"嶙"、"粼"混用，指光亮。南朝时期的字典《玉篇》中记载为云母之意。本作为鬼火之源的"粦"后加石字偏旁以作为其元素性质之辨，指鬼火之源所含的元素。此与"磷"之原来诸义皆有所不同。

## 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：

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

## 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｜$H3PO2$｜+1｜

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｜1｜酸、盐

亚磷酸｜$H3PO3$｜+3｜

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｜2｜酸、盐

偏亚磷酸｜$HPO2$｜+3｜

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｜1｜盐

原亚磷酸（与亚磷酸为互变异构体）｜$H3PO3$｜+3｜

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｜3｜酸、盐

连二磷酸｜$H4P2O6$｜+4｜

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｜4｜酸、盐

n（聚）偏磷酸｜$(HPO2)_{n}$｜+5｜

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｜n｜盐（n=3、4、6）

磷酸（正磷酸）｜$H3PO4$｜+5｜

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（n聚磷酸n=1时）｜3｜酸、盐

n（聚）磷酸｜$H(HPO3)_{n}OH$｜+5｜

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｜n+2｜酸、盐（n=1-6）

焦磷酸｜$H4P2O7$｜+5｜

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（n聚磷酸n=2时）｜4｜酸、盐

三磷酸｜$H5P3O10$｜+5｜

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（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（$PO4^3-$），它是一个呈四面体的阴离子。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：

$H3PO4 + H2O <=> H3O+ + {H2PO4}^{-}$ 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链或环而形成$P-O-P$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${HPO4}^{2-}$和${H2PO4}^{2-}$）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）：

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

十氧化四磷（P4O10）是磷酸的酸酐。它是白色的固体，与水反应非常剧烈。

$PCl5$和$PF5$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。$PCl5$和$PF5$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${PF6}^{-}$离子，它和$SF6$互为等电子体。至于另外两种磷的卤化物$PBr5$和$PI5$都是极不稳定的。而磷最主要的卤氧化物是三氯氧磷（$POCl3$），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。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。