红磷

元素磷于1669年由Hennig Brand发现。大约200年后，詹姆斯·雷德曼（James Readman）开发了一种使用电炉从磷矿石中回收磷的方法。 磷是地球上分布最广泛的元素之一，在几乎所有火成岩，沉积物沉积物和海床中都以磷酸盐形式发现。 磷存在于300多种矿物质中，通常与Ca，Mg，Fe，Sr，Al，Na和其他几种金属以及诸如硅酸盐，硫酸盐， 氧化物，氢氧化物和卤化物之类的阴离子有关。磷是所有生物中必不可少的元素，在生物和生态过程中至关重要，它发生在DNA和其他核酸以及骨骼中。 磷用于烟火，炸弹，燃烧弹和安全火柴，它也用于有机合成，磷酸，三氯化磷，膦和其他化合物的生产 。

固相中的元素磷以三种主要的同素异形体存在：（1）可能以α或β修饰形式出现的白磷或黄磷；（2） 红磷；和（3）黑磷。
白磷是一种白色，柔软，蜡状的透明物质，经常由于杂质呈现黄色。有大蒜味。它由立方晶体组成，密 度为1.82 g / cm3，在44.1℃熔化为无色或微黄色液体。X射线衍射研究和31P-NMR分析表明，四面体P4 分子的原子间距离为2.21Å，并且这些分子能够在晶体中自由旋转。当冷却至–76.9°C以下时，立方α 形式转化为密度为1.88 g/cm3的六边形β变体。与α形式不同，β形式在晶体中不能自由旋转，但晶格 中P4分子的方向固定。
在230至240℃下加热，白磷转化为红磷，完全转化在48小时内完成，此反应可由硫，碘和硒作催化剂。 红色同素异形体还会从液态磷或白磷溶液中缓慢沉积析出，其沉积速率和产率取决于催化剂，温度，光 和其他因素。红磷表现出不同形式，有三种常见形式，一种是常温下的无定形形式，还有两种晶体变体 ，这两种变体包括三斜晶形体和六边形或四边形体。还存在一些其他形体，所有这些形体可以共存。在 常温下，红磷的三斜变化是所有同素异形体中最稳定的。红磷的密度为2.0至2.31 g / cm3，在590°C时 熔化。
黑磷是磷的第三种主要同素异形形式。它以两种形式出现，一种是具有类似于石墨的层状结构的无定形 变体，另一种是正交晶体。黑磷的密度可能在2.20至2.69 g/cm3之间变化。黑磷是通过将白磷在约 10,000个大气压的极高压力下在220°C加热下而获得。
当任何形式的固态磷（白色，红色或黑色）熔化时，会形成相同的液态磷。该液体的密度为1.74g / cm 3，在50℃下的粘度为1.69厘泊。液态磷在280.5°C沸腾。冷却后，液态磷固化为白磷。液态磷及其蒸气 由四面体P4分子组成，蒸气在迅速凝结后也转化为白磷。
白色和红色磷具有高电阻率，而黑磷在0°C下具有0.71 ohm-cm的低电阻率。三种磷的溶解度也相差很大 。白磷可溶于许多有机溶剂。它在二硫化碳中的溶解度非常高，在0°C时约400 g / 100 g的溶剂，在苯 中适度溶解（在25°C时约〜3.59 g / 100g），在乙醚中的溶解度较低（在25°C时约1.5g / 100g） ° C）。红磷和黑磷不溶于有机溶剂。白磷是一种易燃固体，在35°C的空气中自燃。红色和黑色磷不易燃 ，黑磷很难点燃。

汉尼格·布兰德于1669年在德国汉堡发现了磷，当时他正在从尿液中提取磷。布兰德称他发现的物质为冷火，因为它在黑暗中发光。布兰德是个炼金术士，和其他炼金术士一样，他对自己的方法守口如瓶。他没有公开透露自己的方法，而是选择把它卖给约翰·丹尼尔·克拉夫特(Johann Daniel Kraft)和昆克尔·冯·洛温斯坦(Kunckel von Lowenstern)。为了得到更多的报酬，他还向戈特弗里德·威廉·莱布尼茨(Gottfried Wilhelm Leibniz)透露了自己的秘密。莱布尼茨，同样以炼金术士的角度思考，他错误地认为布兰德可能通过生产大量的磷来发现“哲学家之石”。
布兰德的方法是将尿液蒸发，留下黑色的残留物，然后留几个月。然后用沙子把残渣加热，把各种气体和油从水中冷凝出来。最后一种被排出的物质是磷，它凝结成白色固体。这是一种典型的炼金术方法，炼金术士研究体液的性质，希望更好地了解生物，以寻找他们认为提供了永生前景的魔法石。1737年，一个不知名的人把布兰德的方法卖给了巴黎的科学院，使它广为人知。直到18世纪70年代，氯气的发现者、氧的独立发现者之一、瑞典科学家卡尔·威廉·舍勒发现磷可以从骨头中提取出来，这种方法才得以产生磷。它的名字来源于希腊单词磷，意思是带来光明。

磷在自然界中不会以其元素态出现，因为它易于氧化，因此会沉积为磷矿石。第15组的其余元素主要来 自矿物，但也可以以其元素形式存在于地壳中。公认有21个磷同位素。磷矿石中含有磷灰石（一种不纯 的磷酸三钙）矿物，是该元素的重要来源。在俄罗斯，中国，摩洛哥以及佛罗里达州，田纳西州，犹他 州，爱达荷州和其他地方发现了大量矿床。

磷的同素异形体和化合物具有许多重要用途，大多数元素磷用于生产磷酸，磷酸是用于生产三磷酸盐肥 料的固体，一些土壤需要大量的磷才能生长出的作物。通过加热白磷或将白磷暴露在阳光下可形成红色 磷光体。它与爆炸性白磷有很大不同。例如，在表面上刮擦时，由红磷制成的安全火柴头会由于粗糙表 面上火柴的轻微摩擦而变回白磷并点燃。红磷还用于烟花，炸弹和杀虫剂中，并用于制造磷酸，电致发 光涂料和化肥。
磷是生物的必需元素。它是组织（尤其是骨骼和牙齿）和细胞的重要组成部分，是核酸和载能分子（例如ATP）形成所必需的，并且还参与各种代谢反应。
磷（P）是植物的重要营养素。它是原子序数为15的非金属元素。它属于元素周期表的第15组。磷的使用高达氮的十分之一。大多数植物中磷的含量在0.1％到0.4％之间，大大低于植物中钾和氮的含量。磷是细胞核中核蛋白的重要组成部分，核蛋白控制着细胞分裂和DNA分子，后者将遗传基因传递给活生物体。磷在（a）刺激根的早期生长，（b）促进植物成熟，（c）转换细胞内的能量以及（d）使果实和种子发育和成熟中也起重要作用。磷被正确地称为生命的关键，因为它直接参与大多数生命过程。

通常通过在电炉中将某种形式的磷酸钙与石英和焦炭一起加热来获得白磷。反应可分为以下两个步骤：
Ca3（PO4）2 + 3SiO2→3CaSiO3 + P2O5
P2O5 + 5C→2P + 5CO
在商业规模上，白磷主要由氟硅石矿物与二氧化硅和焦炭加热制得。电弧炉或高炉，温度为1200至1500°C。总体反应可以用以下方程式表示：
4Ca5F（PO4）3 + 18SiO2 + 30C→18CaO•SiO2•2CaF2 + 30CO↑+ 3P4↑
（炉渣）白磷也可以通过使用磷酸的湿法生产，这种方法在商业生产中一直沿用。在这种方法中，磷酸通常是通过使磷矿石与硫酸反应在大桶中制得的：
Ca5F（PO4）3 + 5H2SO4 + 10H2O→3H3PO4 + 5CaSO4•10H2O + HF
从混合物中过滤掉磷酸，然后与焦炭，木炭或锯末混合；干燥；焦化最后在耐火泥罐中加热至白热蒸汽：H3PO4 + 16C→P4 + 6H2 + 16CO 冷凝蒸汽得到白磷。
如前所述，所有其他形式的磷都可以由白磷制成。因此，首先将白磷在260°C加热几个小时，然后在350°C加热，得到红磷。该转化是放热的，并且在碘作为催化剂的存在下会爆炸。当辐照二硫化碳或三溴化磷中的白磷溶液时，会获得鲜红色的磷。
黑磷是通过将白磷在220°C和12,000个大气压下加热而制得的。转换最初很慢，但是在过渡期之后可能变得快速和爆炸性。

白磷是一种剧毒物质，包括急性和慢性毒性物质。长期暴露于其蒸气中会导致“下颚疼痛”；颌骨坏死。其他症状是支气管肺炎，骨骼变化，贫血和体重减轻。食入可能引起恶心，呕吐，腹痛，腹泻和昏迷。皮肤接触可导致严重灼伤。在眼睛上会损害视力。 红磷比白色同素异形体的毒性小得多。燃烧时，其烟雾极具刺激性。白磷是易燃固体，暴露于空气中会自燃。

磷在与空气接触时会自燃，快速燃烧，释放出浓密的白色刺激性烟雾。红磷是一种易燃固体，但暴露于空气中不会自燃。在高温（-300°C）下，红磷转化为白色形式。