“磷家”那些事儿

为了庆祝元素周期表诞生150周年，联合国宣布将2019年定为“国际化学元素周期表年”。以此为契机，《科学大众·中学生》杂志打造“元素家族”专栏，节选江苏科普作家鲁超所著《鬼脸化学课·元素家族》部分内容进行刊载，供同学们阅读、学习。

元素档案：

姓名：磷（P）。

排行：元素周期表第15位。

性格：白磷的脾气暴躁，40℃下就能自燃，红磷则温和很多，黑磷更是稳重。

形象：是善恶兼具的矛盾体，既能制成恐怖的白磷弹，也能构建灵动的生命。

磷存在于人体所有细胞中，是维持骨骼和牙齿的必要物质，是构成DNA、RNA等的重要元素。但是在科学家揭开磷的奥秘之前，围绕它发生过不少令人啼笑皆非的故事。这么重要的一种元素，它究竟是如何一步步为我们所熟知的呢7

在俄罗斯著名作家果戈理的小说集《狄康卡近乡夜话》里，有这样一段故事：“一位老大爷中了恶魔妖法，昏昏沉沉地陷入了鬼魅之境，蓦然看到小路边的坟堆上闪烁着点点烛光。老大爷直起身子，双手叉腰，注目凝视——烛光熄灭了，但是在离他不远的地方又重新出现了。”

这里所谓的“烛光”当然不是蜡烛的光，而是通常所说的“鬼火”。在我国清代蒲松龄的《聊斋志异》中，“鬼火”也常常出现。古人迷信，经常把“鬼火”添油加醋地描述为阎罗王出巡的鬼灯笼。

现在我们当然不会相信这种荒谬的解释了，那么“鬼火”究竟是什么呢？

让我们把思绪拉回到17世纪，那时现代化学还未建立，炼金术士们相信世界上存在着一种“哲人石”，可以点石成金。这些炼金术士就尝试用各种诡秘的方法，去寻找这种传说中的石头。

1669年，德国汉堡有一位商人兼炼金术士布兰德，他相信人的尿液中含有一些精华物质，所以他搜集了很多尿液，不停地蒸馏蒸馏再蒸馏。我真不知道他是怎样弄到这么多尿液，又是怎么忍受这些味道的，只知道按照记录，他总共蒸馏了5500升尿液，得到125克白色蜡状物体。

布兰德欣喜若狂，以为自己成了“哲人石”的发现者。然而他又迅速失望，因为这种白蜡跟黄金一点都不一样，放到空气中很容易自燃，发出奇特的绿光，不发热也不会点燃其他物质。他用“冷光”命名这种新物质，也就是磷现在的英文名“Phosphorus”。

1675年，化学家昆克尔听说了布兰德的发现，想买下这个配方，结果布兰德将配方卖給了出价更高的昆克尔的朋友克拉夫特。后来昆克尔自己也独立发现了这个方法，毕竟，蒸馏尿液也没什么技术含量。

克拉夫特带着这个“神秘”配方，自以为是地巡游欧洲，到处展示。到了英国，他将磷的样品给著名化学家玻意耳看，并透露了提取方法。也许是玻意耳嫌这种方法太恶心，或者他不知道怎么去搞到那么多的尿液，便改进了实验方法，用碳和石英在高温下还原磷酸钠，也同样得到了磷。

磷的发现一下子传遍欧洲，化学家们迅速展开了对磷的研究。1783年，拉瓦锡的一个学徒发现了一种磷毒气，他在实验记录本上记下这样一段文字：“我用些苛性钾想使磷溶解，几个小时后，我发现有许多气泡附着在磷的表面。为了加速那些酸质的反应，我加热到40℃-55℃。瓶里的磷还没完全溶解，就有一种臭鱼般的气体产生，让人难以忍受。当这些气体一接触空气，就立刻自行爆炸起火。”

这是不是和“鬼火”有些相似呢？人们之所以会在乱坟岗或沼泽地看到“鬼火”，是因为人类和动物身体里有很多磷元素，死后腐烂就会生成磷化氢，磷化氢不会自燃，但它会自聚成联膦（二磷化四氢）。联膦非常容易自燃，发出冷光。这种光非常微弱，在白天看不见，到了漆黑的夜晚，就会忽明忽暗地出现。这让害怕黑暗的人们感到更加恐怖，于是真的以为是鬼魂在闪耀了。

现在人们已经知道，磷有4种同素异形体：白磷（黄磷）、红磷、紫磷、黑磷。它们可以说是四兄弟，白磷是小弟，黑磷是大哥。

如今生产白磷还一直沿用玻意耳的方法，只不过将磷酸钠换成了磷酸钙，后者是磷矿石的主要成分，分布更加广泛。白磷是无色透明的晶体，遇光照会显出淡黄色，所以也叫黄磷。

白磷的脾气有点火暴，燃点只有40℃，在空气中会自燃，所以它一般都只能保存在水里。白磷的这种特性被武器专家利用起来，做成白磷燃烧弹。这是一种极为危险与恐怖的武器，白磷的燃烧和汽油等碳基物质的燃烧不一样，它接触到人的身体后，会烧穿皮肉，并深入到骨头。二战末期，白磷弹被应用到战场上。后来，人们认识到这一武器的残酷，于是在1980年通过的《特定常规武器公约》中，将白磷弹列为违禁武器，不允许对平民或在平民区使用。目前，总共有90多个国家签署了这一公约。现在，许多国家仅仅使用白磷弹做信号弹和烟幕弹。

白磷还有剧毒，约0.1克就能致人死亡。

在隔绝空气的情况下，将白磷加热到一定程度，再凝结下来，便可得到红磷。相对于激情似火的小弟弟白磷，红磷三哥要稳重不少，无毒，燃点很高，常温下不会燃烧。以前的人们很熟悉红磷，因为火柴盒两侧红红的东西就含了红磷。

1865年，德国人希托夫在一根密闭的管子里加热红磷，得到了一个单斜晶体，外观是漂亮的紫罗兰颜色，他把这称为紫磷。后来人们发现将白磷和熔融的铅放在一起加热到500℃，也可以得到紫磷。

在12000个大气压下，将白磷加热到高温，可以得到一种类似石墨的黑色物质，这就是大哥黑磷，它是类似石墨的层状物质。黑磷虽然形象黑了点，却是最稳重持家的，在几种磷的同素异形体中，它的热稳定性最好，最不容易发生化学反应。和石墨一样，它也很光滑，可以导电。

近年来，科学家又发现了“磷家”失散多年的兄弟——P2，它的结构类似氮气分子，由两个磷原子通过三键结合成一个磷分子。这种同素异形体只能存在于1200℃以上，而且非常不稳定。

在浩瀚无边的太平洋上，有一个美丽的岛屿，干百年来，迁徙的鸟儿总是喜欢来到这里歇息片刻。它们将自己的排泄物留在了这里，日积月累，变成了这个岛屿最宝贵的财富。

这里就是世界上最小的岛国瑙鲁，这个小国仅有大约22平方千米，却有70%的面积被鸟粪覆盖，堪称“乌粪之国”。因为鸟粪中富含磷酸盐，所以这里有天然的磷矿。岛屿上的土著居民就依靠这些磷矿过上了富裕的生活，他们在澳大利亚墨尔本建了一座52层的大厦，人称“鸟粪大厦”。

地球上的磷矿石最主要由磷灰石组成，根据不同的结构，可以分为羟磷灰石、氟磷灰石和氯磷灰石等，其主要成分分别是含羟基、氟、氯的磷酸钙。纯净的磷灰石晶体是无色透明的，但有时候因为一些金属离子的杂质而呈现出绿色、蓝色、红色，有些特别漂亮的可以算得上宝石级。更多的时候，因为含有很多有机物杂质，它呈现出深灰色，正如同它的名字。

瑙鲁的磷矿石之所以这么值钱，是因为磷肥是最重要的化肥之一，世界上80%以上的磷矿石都用于生产各种磷肥。

磷元素是生物生长的必需元素，如果庄稼缺少磷元素，会生长缓慢、矮小瘦弱。植物需要磷，动物当然也不例外，還有相当一部分磷矿石被用来做动物饲料。

既然植物和动物都“吃”磷，我们人类也来一点吧？是的，我们的食品里也有磷，不过不是为了补充磷元素，因为我们每天吃的动物和植物里的磷已经够用了。食品中的磷是三聚磷酸钠（STPP），作为添加剂使用。在食品中，它起保湿的作用，还可以在肉类、海鲜里起防腐作用，已经被证明是安全的。

三聚磷酸钠更多地被用来生产洗涤剂，洗衣粉里就能见到它。我们用的自来水虽然经过处理，但仍然含有一些钙、镁离子，有点“硬度”，很多洗涤剂在“软水”中效果很好，遇到“硬水”就不好使了。而三聚磷酸钠能去除水中的那些钙、镁离子，让它们再也无法捣乱。

兴一利，必生一弊。磷元素真是好，植物动物都爱“吃”，可是我们不要忘了，微小的藻类、细菌也是生物啊。三聚磷酸钠排放到水体里以后，逐渐水解为磷酸盐。水里的藻类、细菌最爱“吃”了，它们大快朵颐后大量繁殖，就引起了水体的富营养化。

如今，每年有数百万吨的三聚磷酸钠被生产出来，它们大多数都被添加到洗衣粉中，又排放到水体里。三聚磷酸钠已经被公认为水体富营养化的罪魁祸首，为了解决这一问题，“无磷洗衣粉”的概念被提出来了。

我当然希望无磷洗衣粉能解决当前的问题，不过我又担心无磷洗衣粉的生产会导致更大的污染，谁说得准呢？

（责任编辑：白玉磊责任校对：赵梦祺）