磷：历史，性质，结构，获得，用途 - 化学

该荧光体是由化学符号P表示，并且具有原子序数15非金属元素它有三个主要同素异形体：白色，红磷和黑色。白磷是磷光的，暴露在空气中会自燃，并且剧毒。

在250ºC的温度下，白磷变成红磷。一种不溶于空气的聚合形式，不会在空气中燃烧。在高温和高压下以及是否存在催化剂的情况下，均会获得黑磷，该黑磷与石墨相似，是良好的电导体。

白磷储存在一个装有水的瓶子中。资料来源：W. Oelen

H. Brand在1669年首次分离出磷。为此，他使用尿液作为该元素的来源。1770年，W。Scheele发现他还可以从骨头中分离出磷。

后来，由于J. Burgess Readman（1800）发明了电炉，磷酸盐岩成为了其中含氟磷灰石矿物产生磷的主要来源。

磷是地壳中第十二大最丰富的元素，占重量的0.1％。此外，它是人体中第六大元素。主要集中在羟磷灰石形式的骨头中。

因此，它是生物的必需元素，已成为植物的三种主要营养素之一。磷是核酸化学结构的一部分。储能化合物（ATP），辅酶通常是新陈代谢的化合物。

历史

-发现

尿中

德比的约瑟夫·赖特（Joseph Wright）的绘画说明了磷的发现。资料来源：德比的约瑟夫·赖特

磷是1669年由Henning Brand分离的，它是第一个分离出元素的人类。布兰德（Brand）是来自汉堡的德国炼金术士，并设法从尿液中获得磷化合物。为此，他从50个桶中收集了尿液并将其分解。

布兰德然后蒸发了尿液，并得到了黑色的残留物，他将其保留了几个月。为此，他添加了沙子并加热了它，从而消除了气体和油。最终，他获得了一种白色固体，该固体在黑暗中发出绿色光，他称之为“冷火”。

“磷”一词恰好来自希腊语“磷”，意为光的载体。

布兰德（Brand）没有发布他的实验结果，而是将其出售给了各种炼金术士，包括：约翰·卡夫（Johann Kraft），昆克尔·洛森斯顿（Kunckel Lowenstern）和威廉·莱布尼兹（Wilhelm Leibniz）。他们中的一些人可能向巴黎科学院报告了布兰德的工作，从而传播了他们的研究成果。

但是，Brand实际上并未分离出磷，而是分离出了磷酸钠氨。1680年，罗伯特·博伊尔（Robert Boyle）改进了布兰德（Brand）的程序，由此他能够获得同素异形体形式的磷（P ₄）。

在骨头里

Johan Gottlieb Gahn和Carl Wihelm Scheele于1769年建立，在骨骼中发现了磷的化合物磷酸钙。脱脂的骨骼经过强酸（例如硫酸）的消化过程。

然后将消化产物在装有煤和煤的钢制容器中加热，从而通过蒸馏蒸馏得到白磷。直到1840年，骨骼才是磷的主要来源，当时为此用鸟粪代替了它们。

在鸟粪里

鸟粪是鸟粪和鸟分解产物的混合物。在19世纪，它被用作磷和肥料的来源。

-工业发展

磷酸盐岩在1850年开始用作磷的来源。这与詹姆斯·伯吉斯·雷德曼（James Burgess Readman，1888）发明的用于煅烧岩石的电炉一起，使PRs成为生产磷和肥料的主要原料。

1819年，火柴工厂成立，开始了磷的工业发展。

物理和化学特性

出现

根据同素异形体形式，它可以是无色，蜡状白色，黄色，猩红色，红色，紫色或黑色。

原子重量

30,973u

原子序数（Z）

十五

熔点

白磷：44.15ºC

红磷：〜590ºC

沸点

白磷：280.5ºC

密度（室温）

白色：1,823克/厘米³

红色：2.2-2.34 g / cm ³

紫罗兰色：2.36克/厘米³

黑色：2.69克/厘米³

熔化热

白磷：0.66 kJ / mol

汽化热

白磷：51.9 kJ / mol

摩尔热容量

白磷：23.824 J /（mol.K）

氧化态

-3， -2，-1，+ 1，+ 2，+ 3，+ 4和+5

根据与之结合的元素的电负性，磷可以显示+3或-3的氧化态。磷与氮不同，倾向于优先与+5氧化态反应。五氧化二磷（P ₂ O ₅或P ₂ ⁵⁺ O ₅ ²⁺）就是这种情况。

电负性

鲍林标度为2.19

电离能

-首先：1,101 kJ / mol

-第二：2,190.7 kJ / mol

-第三：2,914 kJ / mol

导热系数

白磷：0.236 W /（mK）

黑色荧光粉：12.1 W /（mK）

结果表明，黑磷的热量几乎是白磷的六倍。

磁性顺序

白色，红色，紫色和黑色荧光粉是反磁性的。

同位素

磷有20种同位素，主要是：³¹ P，唯一稳定的同位素，其丰度为100％。³² P同位素发射β ^-和一个半 - 寿命为14.28天; 和³³ P（一种发射β的同位素^），半衰期为25.3天。

磷光

白色磷光体是磷光的，在黑暗中会发出绿光。

同素异形体变化

白磷不稳定，在接近250ºC的温度下会转变成称为红磷的聚合形式，其颜色可能从橙色到紫色。它是一种无定形物质，但可以变成结晶。它不会在黑暗中发光或在空气中燃烧。

白磷在高温和高压下，或在催化剂的存在下，会转变成除红磷以外的聚合形式：黑磷。这是一种黑色的结晶性物质，类似于石墨，是惰性的，具有导电能力。

溶解度

纯净形式的白磷虽然可溶于硫化碳，但不溶于水。同时，红色和黑色磷光体不溶于水，并且挥发性比白色磷光体小。

反应性

磷在空气中自燃，形成P ₂ O _5，然后磷可以与三个水分子反应形成正磷酸或磷酸（H ₃ PO ₄）。

通过热水的作用，生成了膦（PH ₃）和草酸磷酸。

磷酸作用在磷酸盐岩石上，引起磷酸二氢钙或过磷酸钙。

它可以与卤素反应形成卤化物PX ₃，其中X代表F，Cl，Br或I；或具有式PX _5的卤化物，其中X为F，Cl或Br。

同样，磷与金属和准金属反应形成磷化物，与硫反应形成各种硫化物。另一方面，它与氧结合形成酯。同样，它与碳结合形成有机磷化合物。

结构和电子配置

-链接和四面体单元

磷原子具有以下电子构型：

3s ² 3p ³

因此，它具有五个价电子，例如氮和第15组的其他元素。由于它是非金属元素，因此其原子需要形成共价键，直到价八位字节完成。氮通过将自身建立为具有三键N = N的双原子分子N _2来实现。

磷也是如此：磷中的两个P原子通过三键结合形成P ₂分子P ，P；即二磷同素异形体。然而，磷的原子质量比氮高，其3p轨道比氮的2p扩散得多，重叠效率较低。因此，P ₂仅以气态存在。

取而代之的是，在室温下，P原子倾向于以另一种方式共价键合：在四面体分子P _4中：

白色磷晶体中的P4分子单元。资料来源：通过维基百科的Benjah-bmm27。

请注意，在上图中，所有P原子都具有三个单键而不是一个三键。因此，P _4中的磷光体完成其价位八位位组。但是，在P ₄中，PP键存在张力，因为它们与裸眼的角度远离109.5º。

-同素异形体

白磷

P ₄单元的相同图像及其不稳定性解释了为什么白磷是该元素最不稳定的同素异形体。

在正常条件下，将P _4个单元排列在空间中以定义bcc晶体（α相）。当温度降至-77.95°C时，密闭密晶晶体转变为hcp（大概），致密（β相）。即，将P _4个单元布置在两个交替的层A和B中，以建立ABAB…序列。

赤磷

红磷的链状结构。资料来源：加布里埃尔·玻利瓦尔（GabrielBolívar）。

上部图像中仅显示了红色磷结构的一小部分。由于这三个单元是“对称”排列的，因此可以说它是晶体结构，是通过将这种荧光粉加热到250℃以上获得的。

但是，红磷大多数时候都由无定形固体组成，因此其结构很杂乱。然后，P ₄的聚合物链_将没有明显的图案排列，其中一些位于同一任意平面的上方，而另一些位于同一任意平面的下方。

请注意，这是白磷和红磷之间的主要结构差异：在第一个中，P ₄被发现是单个的，而在第二个中，形成链。这是可能的，因为四面体中的一个PP键断裂，以便与相邻的四面体键合。因此，降低了环张力并且红磷获得了更大的稳定性。

当两种同素异形体的混合物存在时，它以黄色磷光体的形式提供给眼睛。四面体和无定形磷链的混合物。实际上，白磷暴露在阳光下会变成淡黄色，因为辐射有利于破坏已经提到的PP键。

紫罗兰色或Hittorf荧光粉

紫磷的分子结构。资料来源：英文维基百科中的镉

紫磷是红磷的最终释放。从上图中可以看出，它仍然由聚合物链组成。但是现在结构更加复杂了。似乎该结构单元不再是P ₄而是P ₂，其排列方式使得它们形成不规则的五边形环。

尽管结构看起来很不对称，但这些聚合物链仍设法使其自身排列得足够好并具有周期性，以使紫色磷光体建立单斜晶体。

黑磷

从各种角度看，黑色荧光粉的结构。资料来源：Benjah-bmm27。

最后，我们得到了最稳定的磷同素异形体：黑色。它是通过在12,000 atm的压力下加热白磷制备的。

从上图（下图）可以看出，从较高的平面看，它的结构与石墨有一定的相似之处。它是六角环的纯粹网络（即使它们看起来像正方形）。

在图像的左上角，可以更好地欣赏刚刚评论过的内容。P原子的分子周围是三角金字塔。请注意，从侧面（右上角）看的结构是分层排列的，彼此叠合。

黑磷的结构非常对称且有序，这与其将自身确立为正交晶体的能力相符。它们的聚合物层的堆积使P原子无法用于许多化学反应。这就是为什么它相当稳定且反应性不高的原因。

尽管值得一提，但伦敦的分散力和这些磷固体的摩尔质量决定了它们的一些物理性质。而其结构和PP键则定义了化学性质和其他性质。

在哪里找到和获得

磷灰石和磷矿

它是地壳的第十二元素，占其重量的0.1％。大约有550种矿物含有磷，磷灰石是获得磷的最重要矿物。

磷灰石是磷和钙的矿物质，可以包含可变数量的氟，氯和氢氧化物，其分子式如下：除磷灰石外，还有其他具有重要商业意义的磷矿物质。Wavelite和Vivianita就是这种情况。

磷矿或磷矿是磷的主要来源。它是磷含量为15-20％的非碎屑沉积岩。磷通常以Ca ₁₀（PO ₄）₆ F ₂（氟磷灰石）的形式存在。它也以羟基磷灰石的形式存在，尽管程度较小。

此外，氟磷灰石还可以作为火成岩和变质岩以及石灰岩和片岩的一部分。

电热还原氟磷灰石

选定的磷矿石被转移到处理厂进行处理。最初，将它们压碎以获得岩石碎片，然后将其在球磨机中以每分钟70转的速度进行研磨。

然后，筛分碎石的产物以能够将其分级。选择磷含量为34％的那些级分作为五氧化二磷（P ₂ O ₅）。

工业上，白炭黑（P ₄）是在氧化硅存在下，通过在1500℃的温度下用碳对氟磷灰石进行电热还原而获得的：

2Ca ₃（PO ₄）₂（s）+ 6SiO ₂（s）+ 10 C（s）=> P ₄（g）+ CaSiO ₃（l）+ CO（g）

冷凝后，呈气态的P ₄收集并存储为白色固体，浸入水中以防止其与外部空气反应。

合金类

铜色的

磷光体盖由不同百分比的铜和磷制成：Cu 94％-P 6％；Cu 92％-P 8％; 铜85％-磷15％等该合金在铜工业中用作脱氧剂，润湿剂，在铝工业中也用作成核剂。

青铜

它们是包含0.5-11％的磷和0.01-0.35％的锡的铜，磷和锡合金。锡提高了耐腐蚀性，而磷提高了合金的耐磨性并提高了刚性。

它用于制造弹簧，螺栓，以及通常用于要求耐疲劳，耐磨和耐化学腐蚀的物品。建议在船的螺旋桨中使用。

镀镍

最著名的合金是NiP ₂₀，在钎焊合金中使用磷镍可提高其耐化学腐蚀，氧化和高温的能力。

该合金用于燃气轮机和喷气发动机部件，电镀以及焊接电极的生产。

风险性

白磷会引起严重的皮肤灼伤，是一种有力的毒药，剂量为50毫克时可能致命。磷抑制细胞氧化，干扰细胞氧管理，从而导致脂肪变性和细胞死亡。

急性磷中毒会在摄入的前四天内引起腹痛，灼痛，大蒜味呼吸，磷光呕吐，出汗，肌肉痉挛，甚至出现休克状态。

后来，黄疸，瘀点，出血，心肌受累并伴有心律不齐，中枢神经系统发生改变和摄入后第十天死亡。

慢性磷中毒最明显的表现是对颌骨结构的损害。

肾衰竭患者通常会出现血浆磷浓度升高（高磷酸盐血症）。这会导致磷酸盐在软组织中异常沉积，从而导致血管功能障碍和心血管疾病。

应用领域

磷是动植物必需的元素。它是植物的三种主要营养素之一，是植物生长和能量需求所必需的。此外，它是核酸，磷脂，代谢过程的中间产物等的一部分。

在脊椎动物中，磷以羟磷灰石的形式存在于骨骼和牙齿中。

-元素磷

一盒火柴或“火柴”。资料来源：Pxhere。

用磷制成化学搪瓷，用于照亮铝及其合金上的标志。以及磷铜和青铜。

它也被用来制造燃烧弹，手榴弹，烟雾弹和示踪弹。红磷用于进行火柴或安全火柴。

白磷用于制造有机磷酸盐。另外，它还用于生产磷酸。

焚化产生的大量磷，以产生粉末或固体形式的四氧化磷（P ₄ O ₁₀）。

-化合物

膦

它是各种磷化合物的精制原料。它充当电子元件的掺杂剂。

磷酸

由于其赋予软饮料独特的风味，因此可用于软饮料的生产。它作用于磷酸盐岩石上，形成磷酸二氢钙，也称为过磷酸钙，用作肥料。

磷酸是牙釉质的调理元素，可促进修复材料的粘附。它也可以与油，尿素，焦油，沥青和沙子混合使用，形成沥青。用于修复陆路通信线路的材料。

有机磷酸盐

有机磷酸酯化合物有许多应用。如：阻燃剂，农药，萃取剂，神经作用剂和用于水处理。

二氢磷酸氢钙二水合物

它用作肥料，发酵粉，动物饲料添加剂以及制造牙膏。

五氧化二磷

在化学分析中用作脱水剂，在有机合成中用作缩合剂。该化合物主要用于生产正磷酸。

三聚磷酸钠

它用于清洁剂和水软化剂，可改善清洁剂的作用并有助于防止管道腐蚀。

磷酸三钠

用作清洁剂和软水剂。

磷酸钠

磷酸氢二钠（Na ₂ HPO ₄）和磷酸二氢钠（NaH ₂ PO ₄）是pH缓冲系统的组成部分，甚至可以作用于生物。包括人类。

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历史

-发现

尿中