“磷家”那些事儿

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  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)
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