磷元素

**磷**（拼音：lín，注音：ㄌ丨ㄣˊ；英語：Phosphorus；源於拉丁語：Phosphorum），是一種化學元素，化學符號為 **P**，原子序數為 15，原子量為 30.973762 u。

## 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 ${\ce {P}}$ 。
  * 深黑色粉末
* 白磷（黃磷）
  * 化學式： ${\ce {P4}}$
  * 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 ${\ce {P4O10}}$ ，必須保存在水中。 ${\ce {P4O10}}$ 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。
* 紅磷（赤磷）
  * 化學結構為巨型共價分子。
  * 化學式一般寫為 ${\ce {P}}$ 。
  * 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 ${\ce {P}}$ 。

## 化學性質

磷可以在空氣中燃燒，生成大量五氧化二磷

白煙：

> 
> $$
> {\ce {4P + 5O2 -> P4O10}}
> $$
> 
> 
> 
> 

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：

> 
> $$
> {\ce {P4 + 16H2O = 4H3PO4 + 10H2}}
> $$
> 
> 
> 
> 

## 發現

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，而當時的社會相信賢者之石要透過煉金術才能製成。當時社會相信，賢者之石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：

 * ${\ce {Ca3(PO4)2 + 3SiO2 -> 3CaSiO3 + P2O5}}$
* ${\ce {P2O5 + 5C -> 2P + 5CO}}$

## 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。

 

### 磷（V）化合物

#### 含氧化合物

最常見的磷化合物是磷酸鹽（ ${\ce {PO4^3-}}$ ），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：

　
: ${\ce {H3PO4 + H2O <=> H3O+ + {H2PO4}^{-}}}$       _K_a1= 7.25×10−3

　
: ${\ce {{H2PO4}^{-}+ H2O <=> H3O+ + {HPO4}^{2-}}}$    _K_a2= 6.31×10−8

　
: ${\ce {{HPO4}^{2-}+ H2O <=> {H3O}^{+}+ {PO4}^{3-}}}$      _K_a3= 3.98×10−13

磷酸及其衍生物有聚合成鏈或環而形成 ${\ce {P-O-P}}$ 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 ${\ce {{HPO4}^{2-}}}$ 和 ${\ce {{H2PO4}^{2-}}}$ ）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）：

　
: ${\ce {2Na2[(HO)PO3] + Na[(HO)2PO2] -> Na5[O3P-O-P(O)2-O-PO3] + 2H2O}}$

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。

 ${\ce {PCl5}}$ 和 ${\ce {PF5}}$ 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。 ${\ce {PCl5}}$ 和 ${\ce {PF5}}$ 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 ${\ce {{PF6}^{-}}}$ 離子，它和 ${\ce {SF6}}$ 互為等電子體。至於另外兩種磷的鹵化物 ${\ce {PBr5}}$ 和 ${\ce {PI5}}$ 都是極不穩定的。而磷最主要的鹵氧化物是三氯氧磷（ ${\ce {POCl3}}$ ），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。然而經過計算機大量計算，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，引起紅血球、白血球、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。

## 參考文獻

## 外部連結

* 元素磷在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的介紹（英文）
* EnvironmentalChemistry.com —— 磷（英文）
* 元素磷在 _The Periodic Table of Videos_（諾丁漢大學）的介紹（英文）
* 元素磷在 Peter van der Krogt elements site 的介紹（英文）
* WebElements.com – 磷（英文）