磷元素

引入

白磷为什么能在空气中自燃?它和红磷是同一种元素吗?

磷在生命体中扮演什么角色?DNA 和 ATP 为什么都含有磷?

火柴为什么能点火?早期火柴和现代火柴有什么不同?

磷是一种重要的非金属元素,在自然界中主要以磷酸盐的形式存在。磷不仅是化肥的关键成分,也是构成 DNA、RNA、ATP 等生命分子的基本元素。没有磷,就没有生命。

正文

定义

磷（$\mathrm{P}$）是第 15 族（氮族元素）元素,原子序数 15,电子排布 $[\mathrm{Ne}]3s^{2}3p^3$,常见氧化态为 $-3$、$+3$、$+5$。

基本性质

性质	描述
原子序数	$15$
电子排布	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^3$
相对原子质量	$30.97$
常见氧化态	$-3$、$+3$、$+5$

磷的同素异形体

磷有多种同素异形体,最常见的是白磷和红磷。

性质	白磷 $\mathrm{P}{}_4$	红磷
结构	正四面体分子	链状高分子结构
颜色	白色或淡黄色（蜡状）	暗红色粉末
毒性	剧毒	无毒
着火点	$40{}^{\circ }\mathrm{C}$	$240{}^{\circ }\mathrm{C}$
溶解性	不溶于水,溶于 $\mathrm{CS}{}_2$	不溶于水和 $\mathrm{CS}{}_2$
保存	保存在水中	密封保存即可
自燃	在空气中缓慢氧化,可自燃	不自燃

**白磷的自燃:**白磷着火点低,在空气中缓慢氧化放热,热量积累到着火点时自燃。所以白磷必须保存在水中,切割时也要在水下操作。

$\mathrm{P}{}_4+5\mathrm{O}{}_2\to \mathrm{P}{}_4\mathrm{O}{}_{10}$（$\mathrm{P}{}_2\mathrm{O}{}_5$ 的分子式实际为 $\mathrm{P}{}_4\mathrm{O}{}_{10}$）

白磷与红磷的转化:

$\mathrm{P}{}_4(白磷)\stackrel{260{}^{\circ }\mathrm{C},隔绝空气}{\to }红磷$

这是化学变化,说明同素异形体之间的转化属于化学变化。

五氧化二磷

$\mathrm{P}{}_4\mathrm{O}{}_{10}$（常简写为 $\mathrm{P}{}_2\mathrm{O}{}_5$）是磷的最重要氧化物。

**物理性质:**白色固体,有极强的吸水性,常用作干燥剂。

与水反应:

$\mathrm{P}{}_2\mathrm{O}{}_5+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\to 2\mathrm{HPO}{}_3$（偏磷酸,冷水）

$\mathrm{P}{}_2\mathrm{O}{}_5+3\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\stackrel{\mathrm{\Delta }}{\to }2\mathrm{H}{}_3\mathrm{PO}{}_4$（磷酸,热水）

磷酸

$\mathrm{H}{}_3\mathrm{PO}{}_4$ 是一种重要的中强酸。

性质	描述
外观	无色透明黏稠液体（纯品）或晶体
溶解性	与水互溶
酸性	中强酸,三元酸
稳定性	稳定,不易分解
氧化性	弱（浓磷酸无强氧化性）

分步电离:

$\mathrm{H}{}_3\mathrm{PO}{}_4\rightleftharpoons \mathrm{H}{}^{+}+\mathrm{H}{}_2\mathrm{PO}{}_4{}^{-}$

$\mathrm{H}{}_2\mathrm{PO}{}_4{}^{-}\rightleftharpoons \mathrm{H}{}^{+}+\mathrm{HPO}{}_4{}^{2-}$

$\mathrm{HPO}{}_4{}^{2-}\rightleftharpoons \mathrm{H}{}^{+}+\mathrm{PO}{}_4{}^{3-}$

磷酸盐:

类型	溶解性	例子
正盐（$\mathrm{PO}{}_4{}^{3-}$）	大多不溶（碱金属盐除外）	$\mathrm{Ca}{}_3(\mathrm{PO}{}_4){}_2$、$\mathrm{Na}{}_3\mathrm{PO}{}_4$
酸式盐（$\mathrm{HPO}{}_4{}^{2-}$、$\mathrm{H}{}_2\mathrm{PO}{}_4{}^{-}$）	一般可溶	$\mathrm{Ca}(\mathrm{H}{}_2\mathrm{PO}{}_4){}_2$、$\mathrm{NaH}{}_2\mathrm{PO}{}_4$

**检验 $\mathrm{PO}{}_4{}^{3-}$:**加 $\mathrm{AgNO}{}_3$ 生成黄色 $\mathrm{Ag}{}_3\mathrm{PO}{}_4$ 沉淀,加稀硝酸沉淀溶解。

磷的存在与用途

**存在:**自然界中磷主要以磷酸盐矿物（磷灰石 $\mathrm{Ca}{}_5(\mathrm{PO}{}_4){}_3\mathrm{F}$）形式存在,不以游离态存在。

用途:

用途	说明
磷肥	过磷酸钙 $\mathrm{Ca}(\mathrm{H}{}_2\mathrm{PO}{}_4){}_2\cdot \mathrm{CaSO}{}_4$ 是重要磷肥
火柴	火柴盒侧面涂红磷,划擦时摩擦生热点燃
烟火	白磷燃烧产生大量白烟（$\mathrm{P}{}_2\mathrm{O}{}_5$）,用于烟幕弹
生物化学	磷脂（细胞膜）、DNA/RNA（磷酸骨架）、ATP（能量载体）
工业	制磷酸、磷酸盐

磷与生命

磷是生命不可或缺的元素:

• **DNA 和 RNA:**磷酸二酯键连接核苷酸,形成核酸的骨架
• **ATP（三磷酸腺苷）:**生物体内能量传递的”通用货币”
• **磷脂:**构成细胞膜的双分子层
• **骨骼和牙齿:**羟基磷灰石 $\mathrm{Ca}{}_5(\mathrm{PO}{}_4){}_3(\mathrm{OH})$ 是骨骼的主要无机成分

参见核酸-化学。

引出

白磷中毒后如何急救?

磷肥为什么不能与碱性肥料混用?

富营养化水体中的磷主要来自哪里?

参考:氮族元素、氮元素、基本营养物质