“磷家”那些事兒

為了慶祝元素周期表誕生150周年，聯(lián)合國宣布將2019年定為“國際化學(xué)元素周期表年”。以此為契機(jī)，《科學(xué)大眾·中學(xué)生》雜志打造“元素家族”專欄，節(jié)選江蘇科普作家魯超所著《鬼臉化學(xué)課·元素家族》部分內(nèi)容進(jìn)行刊載，供同學(xué)們閱讀、學(xué)習(xí)。

元素檔案：

姓名：磷（P）。

排行：元素周期表第15位。

性格：白磷的脾氣暴躁，40℃下就能自燃，紅磷則溫和很多，黑磷更是穩(wěn)重。

形象：是善惡兼具的矛盾體，既能制成恐怖的白磷彈，也能構(gòu)建靈動(dòng)的生命。

磷存在于人體所有細(xì)胞中，是維持骨骼和牙齒的必要物質(zhì)，是構(gòu)成DNA、RNA等的重要元素。但是在科學(xué)家揭開磷的奧秘之前，圍繞它發(fā)生過不少令人啼笑皆非的故事。這么重要的一種元素，它究竟是如何一步步為我們所熟知的呢7

在俄羅斯著名作家果戈理的小說集《狄康卡近鄉(xiāng)夜話》里，有這樣一段故事：“一位老大爺中了惡魔妖法，昏昏沉沉地陷入了鬼魅之境，驀然看到小路邊的墳堆上閃爍著點(diǎn)點(diǎn)燭光。老大爺直起身子，雙手叉腰，注目凝視——燭光熄滅了，但是在離他不遠(yuǎn)的地方又重新出現(xiàn)了?！?/p>

這里所謂的“燭光”當(dāng)然不是蠟燭的光，而是通常所說的“鬼火”。在我國清代蒲松齡的《聊齋志異》中，“鬼火”也常常出現(xiàn)。古人迷信，經(jīng)常把“鬼火”添油加醋地描述為閻羅王出巡的鬼燈籠。

現(xiàn)在我們當(dāng)然不會(huì)相信這種荒謬的解釋了，那么“鬼火”究竟是什么呢？

讓我們把思緒拉回到17世紀(jì)，那時(shí)現(xiàn)代化學(xué)還未建立，煉金術(shù)士們相信世界上存在著一種“哲人石”，可以點(diǎn)石成金。這些煉金術(shù)士就嘗試用各種詭秘的方法，去尋找這種傳說中的石頭。

1669年，德國漢堡有一位商人兼煉金術(shù)士布蘭德，他相信人的尿液中含有一些精華物質(zhì)，所以他搜集了很多尿液，不停地蒸餾蒸餾再蒸餾。我真不知道他是怎樣弄到這么多尿液，又是怎么忍受這些味道的，只知道按照記錄，他總共蒸餾了5500升尿液，得到125克白色蠟狀物體。

布蘭德欣喜若狂，以為自己成了“哲人石”的發(fā)現(xiàn)者。然而他又迅速失望，因?yàn)檫@種白蠟跟黃金一點(diǎn)都不一樣，放到空氣中很容易自燃，發(fā)出奇特的綠光，不發(fā)熱也不會(huì)點(diǎn)燃其他物質(zhì)。他用“冷光”命名這種新物質(zhì)，也就是磷現(xiàn)在的英文名“Phosphorus”。

1675年，化學(xué)家昆克爾聽說了布蘭德的發(fā)現(xiàn)，想買下這個(gè)配方，結(jié)果布蘭德將配方賣給了出價(jià)更高的昆克爾的朋友克拉夫特。后來昆克爾自己也獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了這個(gè)方法，畢竟，蒸餾尿液也沒什么技術(shù)含量。

克拉夫特帶著這個(gè)“神秘”配方，自以為是地巡游歐洲，到處展示。到了英國，他將磷的樣品給著名化學(xué)家玻意耳看，并透露了提取方法。也許是玻意耳嫌這種方法太惡心，或者他不知道怎么去搞到那么多的尿液，便改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)方法，用碳和石英在高溫下還原磷酸鈉，也同樣得到了磷。

磷的發(fā)現(xiàn)一下子傳遍歐洲，化學(xué)家們迅速展開了對(duì)磷的研究。1783年，拉瓦錫的一個(gè)學(xué)徒發(fā)現(xiàn)了一種磷毒氣，他在實(shí)驗(yàn)記錄本上記下這樣一段文字：“我用些苛性鉀想使磷溶解，幾個(gè)小時(shí)后，我發(fā)現(xiàn)有許多氣泡附著在磷的表面。為了加速那些酸質(zhì)的反應(yīng)，我加熱到40℃-55℃。瓶里的磷還沒完全溶解，就有一種臭魚般的氣體產(chǎn)生，讓人難以忍受。當(dāng)這些氣體一接觸空氣，就立刻自行爆炸起火?！?/p>

這是不是和“鬼火”有些相似呢？人們之所以會(huì)在亂墳崗或沼澤地看到“鬼火”，是因?yàn)槿祟惡蛣?dòng)物身體里有很多磷元素，死后腐爛就會(huì)生成磷化氫，磷化氫不會(huì)自燃，但它會(huì)自聚成聯(lián)膦（二磷化四氫）。聯(lián)膦非常容易自燃，發(fā)出冷光。這種光非常微弱，在白天看不見，到了漆黑的夜晚，就會(huì)忽明忽暗地出現(xiàn)。這讓害怕黑暗的人們感到更加恐怖，于是真的以為是鬼魂在閃耀了。

現(xiàn)在人們已經(jīng)知道，磷有4種同素異形體：白磷（黃磷）、紅磷、紫磷、黑磷。它們可以說是四兄弟，白磷是小弟，黑磷是大哥。

如今生產(chǎn)白磷還一直沿用玻意耳的方法，只不過將磷酸鈉換成了磷酸鈣，后者是磷礦石的主要成分，分布更加廣泛。白磷是無色透明的晶體，遇光照會(huì)顯出淡黃色，所以也叫黃磷。

白磷的脾氣有點(diǎn)火暴，燃點(diǎn)只有40℃，在空氣中會(huì)自燃，所以它一般都只能保存在水里。白磷的這種特性被武器專家利用起來，做成白磷燃燒彈。這是一種極為危險(xiǎn)與恐怖的武器，白磷的燃燒和汽油等碳基物質(zhì)的燃燒不一樣，它接觸到人的身體后，會(huì)燒穿皮肉，并深入到骨頭。二戰(zhàn)末期，白磷彈被應(yīng)用到戰(zhàn)場(chǎng)上。后來，人們認(rèn)識(shí)到這一武器的殘酷，于是在1980年通過的《特定常規(guī)武器公約》中，將白磷彈列為違禁武器，不允許對(duì)平民或在平民區(qū)使用。目前，總共有90多個(gè)國家簽署了這一公約?，F(xiàn)在，許多國家僅僅使用白磷彈做信號(hào)彈和煙幕彈。

白磷還有劇毒，約0.1克就能致人死亡。

在隔絕空氣的情況下，將白磷加熱到一定程度，再凝結(jié)下來，便可得到紅磷。相對(duì)于激情似火的小弟弟白磷，紅磷三哥要穩(wěn)重不少，無毒，燃點(diǎn)很高，常溫下不會(huì)燃燒。以前的人們很熟悉紅磷，因?yàn)榛鸩窈袃蓚?cè)紅紅的東西就含了紅磷。

1865年，德國人希托夫在一根密閉的管子里加熱紅磷，得到了一個(gè)單斜晶體，外觀是漂亮的紫羅蘭顏色，他把這稱為紫磷。后來人們發(fā)現(xiàn)將白磷和熔融的鉛放在一起加熱到500℃，也可以得到紫磷。

在12000個(gè)大氣壓下，將白磷加熱到高溫，可以得到一種類似石墨的黑色物質(zhì)，這就是大哥黑磷，它是類似石墨的層狀物質(zhì)。黑磷雖然形象黑了點(diǎn)，卻是最穩(wěn)重持家的，在幾種磷的同素異形體中，它的熱穩(wěn)定性最好，最不容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。和石墨一樣，它也很光滑，可以導(dǎo)電。

近年來，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了“磷家”失散多年的兄弟——P2，它的結(jié)構(gòu)類似氮?dú)夥肿?，由兩個(gè)磷原子通過三鍵結(jié)合成一個(gè)磷分子。這種同素異形體只能存在于1200℃以上，而且非常不穩(wěn)定。

在浩瀚無邊的太平洋上，有一個(gè)美麗的島嶼，干百年來，遷徙的鳥兒總是喜歡來到這里歇息片刻。它們將自己的排泄物留在了這里，日積月累，變成了這個(gè)島嶼最寶貴的財(cái)富。

這里就是世界上最小的島國瑙魯，這個(gè)小國僅有大約22平方千米，卻有70%的面積被鳥糞覆蓋，堪稱“烏糞之國”。因?yàn)轼B糞中富含磷酸鹽，所以這里有天然的磷礦。島嶼上的土著居民就依靠這些磷礦過上了富裕的生活，他們?cè)诎拇罄麃喣珷柋窘艘蛔?2層的大廈，人稱“鳥糞大廈”。

地球上的磷礦石最主要由磷灰石組成，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)，可以分為羥磷灰石、氟磷灰石和氯磷灰石等，其主要成分分別是含羥基、氟、氯的磷酸鈣。純凈的磷灰石晶體是無色透明的，但有時(shí)候因?yàn)橐恍┙饘匐x子的雜質(zhì)而呈現(xiàn)出綠色、藍(lán)色、紅色，有些特別漂亮的可以算得上寶石級(jí)。更多的時(shí)候，因?yàn)楹泻芏嘤袡C(jī)物雜質(zhì)，它呈現(xiàn)出深灰色，正如同它的名字。

瑙魯?shù)牧椎V石之所以這么值錢，是因?yàn)榱追适亲钪匾幕手?，世界?0%以上的磷礦石都用于生產(chǎn)各種磷肥。

磷元素是生物生長(zhǎng)的必需元素，如果莊稼缺少磷元素，會(huì)生長(zhǎng)緩慢、矮小瘦弱。植物需要磷，動(dòng)物當(dāng)然也不例外，還有相當(dāng)一部分磷礦石被用來做動(dòng)物飼料。

既然植物和動(dòng)物都“吃”磷，我們?nèi)祟愐瞾硪稽c(diǎn)吧？是的，我們的食品里也有磷，不過不是為了補(bǔ)充磷元素，因?yàn)槲覀兠刻斐缘膭?dòng)物和植物里的磷已經(jīng)夠用了。食品中的磷是三聚磷酸鈉（STPP），作為添加劑使用。在食品中，它起保濕的作用，還可以在肉類、海鮮里起防腐作用，已經(jīng)被證明是安全的。

三聚磷酸鈉更多地被用來生產(chǎn)洗滌劑，洗衣粉里就能見到它。我們用的自來水雖然經(jīng)過處理，但仍然含有一些鈣、鎂離子，有點(diǎn)“硬度”，很多洗滌劑在“軟水”中效果很好，遇到“硬水”就不好使了。而三聚磷酸鈉能去除水中的那些鈣、鎂離子，讓它們?cè)僖矡o法搗亂。

興一利，必生一弊。磷元素真是好，植物動(dòng)物都愛“吃”，可是我們不要忘了，微小的藻類、細(xì)菌也是生物啊。三聚磷酸鈉排放到水體里以后，逐漸水解為磷酸鹽。水里的藻類、細(xì)菌最愛“吃”了，它們大快朵頤后大量繁殖，就引起了水體的富營(yíng)養(yǎng)化。

如今，每年有數(shù)百萬噸的三聚磷酸鈉被生產(chǎn)出來，它們大多數(shù)都被添加到洗衣粉中，又排放到水體里。三聚磷酸鈉已經(jīng)被公認(rèn)為水體富營(yíng)養(yǎng)化的罪魁禍?zhǔn)?，為了解決這一問題，“無磷洗衣粉”的概念被提出來了。

我當(dāng)然希望無磷洗衣粉能解決當(dāng)前的問題，不過我又擔(dān)心無磷洗衣粉的生產(chǎn)會(huì)導(dǎo)致更大的污染，誰說得準(zhǔn)呢？

（責(zé)任編輯：白玉磊責(zé)任校對(duì)：趙夢(mèng)祺）