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外觀
無色、蠟狀、深紅、

由左而又分別是:蠟狀白磷(黃色切面), 顆粒狀紅磷,塊狀紅磷、紫磷
概況
名稱·符號·序數 磷(phosphorus)·P·15
元素類別 非金屬
·週期· 15·3·p
標準原子質量 30.973762(2)
電子排布

[] 3s2 3p3
2, 8, 5

磷的電子層(2, 8, 5)
歷史
發現 亨尼格·布蘭德(1669年)
確認其為一元素者 安東萬·拉瓦節[1] (1777)
物理性質
物態 固態
密度 (接近室溫
(白磷) 1.823, (紅磷) ≈ 2.2 – 2.34, (紫磷) 2.36, (黑磷) 2.69 g·cm−3
熔點 (白磷) 44.2 °C, (黑磷) 610 °C
昇華點 (紅磷) ≈ 416 – 590  °C, (紫磷) 620 °C
沸點 (白磷) 280.5 °C
熔化熱 (白磷) 0.66 kJ·mol−1
汽化熱 (白磷) 12.4 kJ·mol−1
比熱容 (白磷)
23.824 J·mol−1·K−1

蒸汽壓((白磷))

壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫/K 279 307 342 388 453 549
蒸汽壓((紅磷, 沸點 431 °C))
壓(Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫(K) 455 489 529 576 635 704
原子性質
氧化態 5, 4, 3, 2[2], 1[3], −1, −2, −3
(弱性氧化物)
電負性 2.19(鮑林標度)
電離能

第一:1011.8 kJ·mol−1
第二:1907 kJ·mol−1
第三:2914.1 kJ·mol−1

更多
范德華半徑 180 pm
雜項
晶體結構

simple triclinic

磁序 (白,紅,紫,黑) 抗磁性[4]
熱導率 (白磷) 0.236, (黑磷) 12.1 W·m−1·K−1
體積模量 (白磷) 5, (紅磷) 11 GPa
CAS號 7723-14-0
最穩定同位素

主條目:磷的同位素

同位素 豐度 半衰期 方式 能量MeV 產物
31P 100% 穩定,帶16個中子
32P syn 14.28 天 β 1.709 32S
33P syn 25.3 天 β 0.249 33S

是一種化學元素,它的化學符號P,它的原子序數是15。

性狀[編輯]

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

單質磷的同素異形體[編輯]

  • 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,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。
  • 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[編輯]

磷可以在空氣中燃燒,生成大量五氧化二磷白煙:4P+5O2→2P2O5

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

發現[編輯]

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波蘭特(Henning·Brand,約1630年~約1710年)。他是一個相信鍊金術的人,由於他曾聽傳說從尿裡可以製得「金屬之王」黃金,於是抱著圖謀發財的目的,便用尿作了大量實驗。1669年,他在一次實驗中,將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[編輯]

由於單質磷在空氣中會自燃而發光,因此在英語中,磷來源於希臘語中的Phosphorus,原指「啟明星」,意為「光亮」。而在中文裡,磷的本字為粦,根據《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,後加石字偏旁以作為元素性質之辨。 此與"磷"之原來諸義皆有所不同,如司馬相如在作賦時將其與"嶙"、"粼"混用,或者玉篇中記載為雲母之意。

分布[編輯]

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[編輯]

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[編輯]

已發現磷的同位素共有13種,包括磷27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[編輯]

含氧酸[編輯]

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 Hypophosphorous-acid-2D.png 1 酸、鹽
亞磷酸 H3PO3 +3 Phosphonic-acid-2D-dimensions.png 2 酸、鹽
偏亞磷酸 HPO2 +3 Metaphosphorous acid.jpg 1
原亞磷酸(與亞磷酸為互變異構體 H3PO3 +3 (ortho)phosphorous acid.jpg 3 酸、鹽
連二磷酸 H4P2O6 +4 Hypophosphoric acid.jpg 4 酸、鹽
n(聚)偏磷酸 (HPO3)n +5 Trimetaphosphoric acids.jpg Quadrametaphosphoric acids.jpg Hexametaphosphoric acids.jpg n 鹽(n=3、4、6)
磷酸(正磷酸) H3PO4 +5 Phosphoric acid2.svg (n聚磷酸n=1時) 3 酸、鹽
n(聚)磷酸 H(HPO3)nOH +5 Polyphosphoric acids.jpg n+2 酸、鹽(n=1-6)
焦磷酸 H4P2O7 +5 Pyrophosphoric-acid-2D.png (n聚磷酸n=2時) 4 酸、鹽
三磷酸 H5P3O10 +5 Triphosphorsäure.svg (n聚磷酸n=3時) 5

磷(V)化合物[編輯]

含氧化合物[編輯]

最常見的磷化合物磷酸鹽(PO43-),它是一個呈四面體陰離子[6]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 化學平衡符號 H3O+ + H2PO4       Ka1= 7.25×10−3
H2PO4 + H2O 化學平衡符號 H3O+ + HPO42−       Ka2= 6.31×10−8
HPO42− + H2O 化學平衡符號 H3O+ +  PO43−        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HPO42-和H2PO4-)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):

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。然而經過計算機大量計算,事實並非如此:磷只用了s和p軌道雜化[7]。這可用分子軌道理論來解釋。

用途[編輯]

磷可用於安全火柴煙花燃燒彈化肥,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[編輯]

磷是骨骼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。

參考[編輯]

  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. (編), CRC Handbook of Chemistry and Physics 86th, Boca Raton (FL): CRC Press, 2005, ISBN 0-8493-0486-5 
  5. ^ 無機化學叢書.第四卷.P195.張青蓮 主編
  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.