变化多端的磷元素

寻找新元素并探究其性质，是社会发展的必然途径，也是科学发展史中最具探查性的领域之一。人类对元素持之以恒的坚持与追寻，造就了现代世界，丰富着美丽生活，同样也延续了我们鲜活的化学文化。其中磷元素的发现不仅极具传奇色彩，同时其变化多端的化学身份也令人神往，一度使得众多学者对其研精覃思，下面让我们一同追随化学家探险的足迹，破解磷元素的奥秘，认识磷元素多变的身份。

1 传奇的磷史

古老的东方，皇帝为追求长身不老，涌现大量道士进行炼丹之术，同样早在16世纪期，西方人民为追求长生之术，大量炼金师的身份随之也迎面而来。炼金师在执着于长生之术的同时，也向往金钱名利的追求，致力于“金”的提炼，虽然此时他们还不知道元素的存在，但却已经懂得如何利用碱金属提炼金。为此，大量炼金师不断寻求能够提炼金的物质，他们认为金是太阳的眼泪，是精神的支持，是权力的象征，亦是长生的灵药，也正是因为对金的迷恋，为探索元素之旅迈出了突破性的第一步。

通过金的提炼实现财富的追求，使得炼金师何尼格•波兰特认为，人类作为宇宙的缩影，金会不会隐藏在人的体内呢？带着这一猜想，波兰特着手进行了他的实验探索。他认为尿液跟金有着相同的颜色，则金可能隐藏在人体尿液中，于此展开了用尿提取金的实验操作[1]（图1），具体实验大体分为简单的三个步骤：

1、 首先将50桶尿液进行加热煮沸，去掉尿液中多余的成分水；

2、 其次将得到的提取物进行蒸馏直至糊状；

3、最后在高温条件下对其糊状物持续加热至两到三天。

图1.波兰特实验（图源自网络视频）

波兰特实验持续加热到最后一步的时候，相继产生了一缕缕白烟，并在空气出现了自发燃烧的现象。可是这种物质它并没有太阳般的金色，也没有金子般相同的性质，但在其燃烧过程中却有着太阳般耀眼的光亮及深夜间寒冷的温度，因此波兰特将其称之为,寒冷的夜光。

虽然波兰特从尿液中提取出了新的可自燃元素，但却没有提取出金，于是在他的实验中这个秘密并未得到重视，并以较低的价钱将其出售。然而不久时间，磷却在欧洲宫廷中受到大力追捧。

1677年，磷被传送到查尔斯二世的宫廷中，同样是炼金师的罗伯特•波义耳在目睹这一发光物质后，对其进行了深入研究。后人在波义耳的书中，节选到《关于寒冷的夜光的新实验和观察》这一文章，其中同样记载了关于磷的具体实验操作：取半粒干燥的磷和6倍重的硫粉，放在折好的纸片中并用刀柄进行摩擦，磷燃烧了（图2）。后来，这一实验不仅被誉为制造火柴的前驱体，同时还催生了一个庞大的工业，迅速促进社会发展。

图2.波义耳实验（图源自网络视频）

磷的发现使一位炼金师变成了第一位伟大的现代化学家，并为未来新元素的发现奠定了基础，使炼金术远离阴暗，进入一个开明、理性的时期。同时伴随元素这一概念的诞生与发展，拉瓦锡也才真正认识到波兰特所提取的发光物质其实也是一种元素，于是根据波兰特的名称将其命名为磷（P），自此正式成为元素家族中的一员[2]。

图 3.磷的性质（图源自网络）

2 纷繁复杂的磷世界

波兰特首次发现可自燃的磷是属于磷范畴的其中一种——白磷，但随着世人对化学世界的不断探索与追寻，我们知道在变化多端的化学领域，根据原子排列方式不同，构成物质不同，相随其性质也完成不同，在化学界将其称之为同素异形体，并在块体磷的不同物相类中分其为白磷、红磷、黑磷[3]。

图4. 块体磷的不同物相类外观，由左至右分别是：蜡状白磷，颗粒状红磷，块状红磷、黑磷[3]

（一）暴躁如雷的白磷

白磷是块体磷物质中最为活泼的一种存在，亦是最重要的一种存在，熔点约为 44℃，在室温下就可以与空气中的氧气发生反应，引发“自燃”。它由4个P原子以60°键角构成正四面体（Ｐ4）分子，外状是一种柔软的淡黄色蜡状固体，不溶于水，但可溶于苯、乙醚等有机溶剂中，有臭味，含剧毒。其实纯白磷几乎是一种透明如水的状态，但放置一段时间后，其部分表面白磷会形成微量红磷，使白磷变成淡黄色，这也就说明了为什么常见白磷为浅黄色半透明态固体[3]。

（二）默默无闻的红磷

继白磷之后，早在1845年奥地利化学家施勒特尔发现了磷的第二种同素异形体——红磷。红磷的化学式直接写为P，是一种紫红或略带棕色的颗粒状或块状物质，难溶于水，无毒无味，但在其燃烧时产生的白烟有毒。红磷中磷原子的排列为链状，相较于白磷会更加稳定，熔点约为300℃，固难与氧发生反应，所以 人们通常用红磷取代白磷制作更为安全的火柴。

（三）多才多艺的黑磷

黑磷是白磷和红磷在高温高压条件下转化生成的最不活泼的另一种同素异形体，其化学性质最稳定，密度最大，又因为其在外观、性能和结构上类似于石墨，亦被称之为金属磷。固黑磷在半导体、光学等领域均发挥着巨大作用，此外黑磷还在气敏性传感器、光伏太阳能电池等方面被广泛应用，同时它在生物医学领域也具有一定优势，利用超小黑磷量子点作为光热制剂应用于肿瘤治疗当中[3]。

3 无处不在的磷生活

（一）磷在农产业中的应用

在农产业中,磷、氮、钾被称为是肥料三要素，直接参与农作物光合作用、呼吸作用、细胞分裂等过程。对于农作物的生长磷具有一定的促进作用，可增强其根系发育、成熟速率，还可增色增味，提高产物品质。此外，磷对于农作物的抗旱、抗寒、抗倒伏能力具有一定的帮扶作用，并可降低其虫害机率、减少落花落果数量，提高农作物生产率。

图5.磷对农产业的作用（图源自网络）

土壤中的磷主要是以螯合态的形式存在,不易被植物吸收，如若过量使用，则会造成一定的产业弊端，导致农业面源污染，土壤板结、水体富营养化等现象，所以为了生态环境，科学指导施肥是防止污染的有效措施。随着科技的发展，为了从源头进行污染管理，科学家利用解磷微生物制作生物肥料，这种肥料可以将土壤中难以吸收的磷转化为能够被农作物主动吸收的可溶性磷，不仅对生态环境起到保护作用，还提高了磷的利用率[4]。

（二）磷在生物学中的应用

P与C、H、O、N、S等非金属元素共同被称为是生命组成中必不可少的常量元素。人体内，磷大约占体重的百分之一，其中百分之八十与钙结合，以磷酸钙的形式储存在我们坚硬的骨骼和牙齿中，除此之外在DNA序列，血液及人体其他组织中也都含有磷元素[2]。而体内多余的磷元素将以尿液的形式排除体外，且正常每升尿中磷含量小于1克。

在医学中，磷对其载药性、抗菌活性及神经再生等功能方面也具有一定的医疗效应[5]。例如含磷合成药物可促进骨骼增长，治疗骨质疏松症等疾病。同时由于黑磷层内原子之间较强的共价键及层与层之间较弱的范德华力，使得黑磷很容易被剥离为单层或超薄的纳米片,根据这一性质，现阶段随着纳米技术的发展，新兴的黑磷纳米材料也在生物医学领域中被广泛应用，根据其出色的光学吸收能力、高效的药物负载率、良好的生物相容性及无毒的生物降解性等功能，为口腔医学、脑靶向药物的运输创造了新的平台[6]。

然而与其他五种元素相比，磷在地球上的储存量并不是十分丰富，美国化学学会（ACS）所列举的元素稀缺程度周期表中，磷是唯一具有短缺风险的生命必须元素[7]。

（三）磷在工业中的应用

在工业生产中, 磷及其化合物也有着非常重要的应用价值。白磷可用于制备高纯度的磷酸（H3PO4），用于工业助焊剂、分散剂、防腐剂等，制备三聚磷酸钠（俗称“五钠”）用于肥皂增效剂、水处理剂，以及制备次磷酸钠（NaH2PO2）作为抗氧化剂用于化学镀镍等等。同时红磷根据其极高的理论比容量、合适的氧化还原电位及丰富的资源储量，成为极具潜力的钠离子电池负极材料[8]。此外，磷在电子、食品等行业也同样有着广泛的应用。

4 总结

磷的发现、多变与应用告诉我们纷繁复杂的化学世界，变化多端的元素领域都充满着惊奇无比的奥妙与秘籍。从未知到应用，从探索到创新，无数学者已将磷的知识融入我们生活的方方面面。然而任何事物都有其双面性，虽然磷的发现为我们的生活带来诸多益处，但其同样也有黑暗的一面。早在二战时期，因其毒性投放到汉堡的数千颗炸弹中都含有磷，而可悲的是波兰特就是在汉堡发现了磷。

所以到底如何使用，其实并不取决于磷，而是取决于人类。投身于科学事业的伟大工作者，历经千辛万苦，凭借不懈努力将月亮之光带给人类，希望都可将其应用于光辉事业中，造福人类。