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外观
无色、蜡状、深红、

由左而又分别是:蜡状白磷(黄色切面), 颗粒状红磷,块状红磷、紫磷
概况
名称·符号·序数 磷(phosphorus)·P·15
元素类别 非金属
·周期· 15·3·p
标准原子质量 30.973762(2)
电子排布

[] 3s2 3p3
2, 8, 5

磷的电子层(2, 8, 5)
历史
发现 亨尼格·布兰德(1669年)
确认其为一元素者 安东万·拉瓦节[1] (1777)
物理性质
物态 固态
密度 (接近室温
(白磷) 1.823, (红磷) ≈ 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
升华点 (红磷) ≈ 416 – 590  °C, (紫磷) 620 °C
沸点 (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
比热容 (白磷)
23.824 J·mol−1·K−1

蒸汽压((白磷))

压/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
温/K 279 307 342 388 453 549
蒸汽压((红磷, 沸点 431 °C))
压(Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
温(K) 455 489 529 576 635 704
原子性质
氧化态 5, 4, 3, 2[2], 1[3], −1, −2, −3
(弱性氧化物)
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
杂项
晶体结构

simple triclinic

磁序 (白,红,紫,黑) 抗磁性[4]
热导率 (白磷) 0.236, (黑磷) 12.1 W·m−1·K−1
体积模量 (白磷) 5, (红磷) 11 GPa
CAS号 7723-14-0
最稳定同位素

主条目:磷的同位素

同位素 丰度 半衰期 方式 能量MeV 产物
31P 100% 稳定,带16个中子
32P syn 14.28 天 β 1.709 32S
33P syn 25.3 天 β 0.249 33S

是一种化学元素,它的化学符号P,它的原子序数是15。

性状[编辑]

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

单质磷的同素异形体[编辑]

  • 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。放置一段时间部份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,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。
  • 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[编辑]

磷可以在空气中燃烧,生成大量五氧化二磷白烟:4P+5O2→2P2O5

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H3PO4H2及很少量的H3PO3PH3: P4(l)+16H2O(l)=4H3PO4(85%)+10H2(g)[5]

发现[编辑]

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波兰特(Henning·Brand,约1630年~约1710年)。他是一个相信炼金术的人,由于他曾听传说从尿里可以制得“金属之王”黄金,于是抱着图谋发财的目的,便用尿作了大量实验。1669年,他在一次实验中,将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[编辑]

由于单质磷在空气中会自燃而发光,因此在英语中,磷来源于希腊语中的Phosphorus,原指“启明星”,意为“光亮”。而在中文里,磷的本字为粦,根据《博物志》记载,“战鬬死亡之处,有人马血,积中为磷,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,又有咤声如鬻豆。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,后加石字偏旁以作为元素性质之辨。 此与"磷"之原来诸义皆有所不同,如司马相如在作赋时将其与"嶙"、"粼"混用,或者玉篇中记载为云母之意。

分布[编辑]

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[编辑]

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[编辑]

已发现磷的同位素共有13种,包括磷27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[编辑]

含氧酸[编辑]

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 Hypophosphorous-acid-2D.png 1 酸、盐
亚磷酸 H3PO3 +3 Phosphonic-acid-2D-dimensions.png 2 酸、盐
偏亚磷酸 HPO2 +3 Metaphosphorous acid.jpg 1
原亚磷酸(与亚磷酸为互变异构体 H3PO3 +3 (ortho)phosphorous acid.jpg 3 酸、盐
连二磷酸 H4P2O6 +4 Hypophosphoric acid.jpg 4 酸、盐
n(聚)偏磷酸 (HPO3)n +5 Trimetaphosphoric acids.jpg Quadrametaphosphoric acids.jpg Hexametaphosphoric acids.jpg n 盐(n=3、4、6)
磷酸(正磷酸) H3PO4 +5 Phosphoric acid2.svg (n聚磷酸n=1时) 3 酸、盐
n(聚)磷酸 H(HPO3)nOH +5 Polyphosphoric acids.jpg n+2 酸、盐(n=1-6)
焦磷酸 H4P2O7 +5 Pyrophosphoric-acid-2D.png (n聚磷酸n=2时) 4 酸、盐
三磷酸 H5P3O10 +5 Triphosphorsäure.svg (n聚磷酸n=3时) 5

磷(V)化合物[编辑]

含氧化合物[编辑]

最常见的磷化合物磷酸盐(PO43-),它是一个呈四面体阴离子[6]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 化学平衡符号 H3O+ + H2PO4       Ka1= 7.25×10−3
H2PO4 + H2O 化学平衡符号 H3O+ + HPO42−       Ka2= 6.31×10−8
HPO42− + H2O 化学平衡符号 H3O+ +  PO43−        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HPO42-和H2PO4-)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 Na2[(HO)PO3] + Na[(HO)2PO2] → Na5[O3P-O-P(O)2-O-PO3] + 2 H2O

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[7]。这可用分子轨道理论来解释。

用途[编辑]

磷可用于安全火柴烟花燃烧弹化肥,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[编辑]

磷是骨骼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。

参考[编辑]

  1. ^ cf. "Memoir on Combustion in General" 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)
  2. ^ webelements
  3. ^ 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. doi:10.1021/ic060186o. PMID 16903744. 
  4. ^ Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds, in Lide, D. R. (编), CRC Handbook of Chemistry and Physics 86th, Boca Raton (FL): CRC Press, 2005, ISBN 0-8493-0486-5 
  5. ^ 无机化学丛书.第四卷.P195.张青莲 主编
  6. ^ D. E. C. Corbridge "Phosphorus: An Outline of its Chemistry, Biochemistry, and Technology" 5th Edition Elsevier: Amsterdam 1995. ISBN 0-444-89307-5.
  7. ^ Kutzelnigg, W. Chemical Bonding in Higher Main Group Elements. Angewandte Chemie Int. (English) Ed. 1984, 23 (4): 272–295. doi:10.1002/anie.198402721.