磷
磷（英文名：Phosphorus）是一种非金属元素，元素符号为P，位于元素周期表的第三周期、第V A族，属于p区元素，原子序数为15，原子量为30.97，其电子排布为1s22s22p63s23p3。
单质磷有多种同素异形体，白磷和红磷是最主要的两种。常温下，白磷为无色或淡黄色的透明结晶固体，着火点是40 °C，放于暗处有磷光发出，有恶臭，有剧毒。红磷为红棕色粉末，着火点是240 °C，白磷和红磷都不易溶于水，白磷易溶于二硫化碳、苯、乙醚等有机溶剂中，红磷不溶于这些有机溶剂。
磷在自然界中以化合物的形式分布于矿物中，是火成岩、沉积岩以及沉积物中的常见元素，其中磷灰石是最主要的，产自美国、加拿大、西班牙等地。磷的化学性质十分活泼，易于氧、硫、卤素、金属元素等发生反应，形成各种的磷酸盐和磷化物。
磷也广泛存在于动植物体中，对于大多数生命体（如动物、植物和微生物）而言都是必需的营养要素。磷在人体元素含量中排在第六位，是脱氧核糖核酸、磷脂等物质的组成元素，参与人体多项生理活动。
磷被广泛用来生产磷酸，杀虫剂，燃烧弹，在军事、日化等领域有广泛的应用。
发现历史
发现过程
1669年，德国汉堡商人布兰特（Brand）将砂、木炭、石灰岩等和尿混合，加热蒸馏，分离出白磷。磷的出现引起了众多科学家的重视。
布兰特制得的白磷质地软，能在黑暗环境中发出荧光。因此，人们将这种元素命名为“phosphorus”，是希腊文“鬼火”的意思，元素符号为“P”。清末化学家徐寿将其翻译命名为“”。新中国成立后，在化学元素命名原则中规定固态非金属元素都从“石”字旁，因此将“燐”改为“磷”。
1676年，孔凯尔（J.KunKel）制备出了磷，他将尿液熬制成黑色沉淀物，加入砂和炭加热，分离易挥发的物质，白磷沉积在接受瓶中。但是KunKel当时并没有公布提取磷的方法。
1680年，著名化学家和物理学家罗伯特·波义耳（Boyle）用类似的方法提取了磷并且给伦敦的皇家学会写信公布了这一方法。波义耳的助手亨克维兹（Hanchewitz）组织了磷的大规模生产。
1796年，随着元素概念的发展，法国著名化学家安托万-洛朗·德·拉瓦锡（Antoine-Laurent de Lavoisier）认识到磷是一种元素。Phosphorus这一名字被沿用，磷（元素符号P）自此正式成为元素家族中的一员。
1847年，斯奇罗特（Schroeter）隔绝空气把白磷加热到300 °C，得到了红磷。
1934年，布雷奇曼（Bridgeman）在高压下加热磷得到黑磷。
应用历史
1719年，在发现磷50年后，德国药剂师约翰·亨欣（Johann Thomas Hensing）在人脑中提取出磷，当时的人们将磷视为可以补脑的保健品。然而，随意服用含磷药物不仅不能补脑，还往往会导致磷中毒。
1834年，在发现磷165年后，以白磷为主要原料的火柴出现，由于白磷对人体剧毒，且过于易燃，人们将白磷改为三硫化四磷作为火柴发火药。1845年，奥地利化学家施勒特尔(Anton Schrtter von Kristelli)发现了磷的第二种同素异形体——红磷。1847年，红磷的制作方法被公布，安全无毒的红磷代替白磷和三硫化四磷成为火柴原料。
1935年，德国化学家施拉德(Gerhard Schrader)发现了一种速效有机磷杀虫剂——塔崩(Tabun)。塔崩是一种致死的有机磷毒剂，它能强烈抑制人体内的乙酰胆碱酶，从而使负责神经传递活动的乙胆碱不能被水解而蓄积，胆碱受体会因此而过度兴奋，最终导致中枢神经系统的麻痹瘫痪。
第二次世界大战期间，白磷被广泛用于制造燃烧弹和烟雾弹，二战时发生的几次大规模轰炸、在越南战争、海湾战争和叙利亚内战等多次军事冲突中，白磷弹都不时出现，造成大量人员伤亡。1980年，联合国正式通过《联合国常规武器公约》（《禁止或限制使用某些可被认为具有过分伤害力或滥杀滥伤作用的常规武器公约》）将白磷弹列为违禁武器。
分布情况
磷在地壳中分布较广，是地壳中含量第十二位的元素，丰度为0.11%。由于磷和氧非常容易结合，因此在自然界中不存在单质磷。自然界中的磷主要存在于磷酸盐的矿石之中，矿石依据主要成分可分为为磷钙石和磷灰石（包括氯磷灰石、氟磷灰石）两大类。磷钙石主要成分为磷酸钙，氯磷灰石主要成分为Ca5(PO4)3Cl，磷灰石主要成分为Ca5(PO4)3F。
磷是人体内含量较多的元素之一，在人体中约占人体重的1%，在遗传物质DNA中磷的含量为9%。人体内的主要储存于牙齿和骨骼中，是骨骼、神经组织与细胞原形质的重要组成元素之一。牙齿和骨骼中的磷以磷酸钙的形式存在，在人体中约占2千克。磷在人体中主要以无机磷酸盐形式随尿排泄，约占60%，磷排泄的阈值约为2-3mg/dl血浆，成年人24小时尿液中的磷含量约为22-48mmol（700-1500mg）。
海鸟的粪便也含有大量的磷，鸟粪在高温多雨的环境下迅速分解释放磷酸盐并且与土壤中的钙结合会形成鸟粪磷矿，化学组成主要是羟基磷灰石。中国西沙群岛拥有丰富的鸟粪磷矿，表层含磷高达30%，母质层含磷也有0.51%。
宇宙中也含有一定质量的磷，作为生命不可缺少的成分，宇宙中的磷是科学家寻找地外生命的重要证据之一。仙后座A（Cassiopeia A）是银河系已知最年轻的超新星遗迹，其中磷的丰度是银河系其他区域的1000倍。最近，土卫2（Enceladus）的液态海洋中首次发现了高浓度的磷存在，土卫2拥有来生命的六大基本元素，意味着寻找地外生命的工作迎来飞跃。
理化性质
物理性质
白磷（P4）为白色至黄色固体，故又称白磷。白磷质软似石蜡状，密度为1.82 g/cm3，熔点为44.1 °C，沸点为280 °C，着火点是40 °C，放于暗处有磷光发出，有恶臭，有剧毒，几乎不溶于水，易溶于二硫化碳、苯、乙醚等有机溶剂中。
红磷（P）为红棕色粉末，密度为2.34 g/cm3，熔点为59 °C，沸点为200 °C，着火点是240 °C，不溶于水和二硫化碳，红磷无毒，高温下与白磷的化学性质类似。
黑磷（P）是具有金属光泽的半导体，黑磷结构类似石墨，密度为2.70g/cm³，硬度为2。
此外，磷单质还有紫磷、棕磷、猩红磷等同素异形体。
紫磷是最稳定的磷单质，它的起始热解温度达到512℃以上，比黑磷高出52℃，紫磷经过剥离后可以得到薄层的紫磷，称为紫磷烯，紫磷烯比黑磷烯更稳定。
化学性质
在磷单质中，白磷的化学性质最为活泼，白磷在没有空气的条件下加热或者光照会转变为红磷，在很高压力下加热或以汞为催化剂加热都可以将白磷转化为黑磷。白磷和空气或潮气接触时发生缓慢的氧化作用，部分的反应能量以光能的形式放出，这是白磷在黑暗中发光的原因，称为磷光。
白磷易于氧气、硫化物、卤族元素、金属元素等发生反应，形成各种的磷酸盐和磷化物。
与非金属单质反应
白磷可与O2、X2、S、H2等非金属单质发生反应，同时在有水存在的条件下还可与非金属单质和水反应生成磷酸。
白磷在空气中会缓慢氧化，一部分能量以磷光形式发出；如果温度达到燃点（40°C）,白磷会自燃生成五氧化二磷。
白磷可与卤素单质发生反应，且在卤素含量不同的条件下生成的产物也有所不同。
与金属单质反应
磷可与活泼金属单质与不活泼金属单质均可发生反应，可将金、银、铜、铅从它们的盐中置换出来。
与无机化合物反应
磷可与强酸、氧化物和盐类等发生反应。
与硫酸反应
与二氧化碳反应
与氢氧化钡反应
与有机化合物反应
磷可与较多有机物发生氧化还原反应。
与烷基碘反应
同位素
磷的已知同位素共有23种，分别为26P-47P，其中唯一稳定存在的同位素是31P，其他的磷同位素都带有放射性。其中32P的半衰期为14天，33P的半衰期为25天，余下的同位素都极不稳定。因此，32P和33P最具有实际意义，在进行研究时可以作为示踪原子。
放射性磷（32P）可以用于治疗骨髓增生异常（慢性白血病，真性红细胞增多症和原发性血小板增多症），1939年约翰·劳伦斯（John H. Lawrence）根据在动物身上进行的实验治疗了第一位患者，脾、肝、骨和白血病细胞中的放射性同位素足以表明其治疗潜力。32P和33P可以作为示踪原子，32P和33P通过标记或放射性标记核糖核酸靶标和核酶以研究其在动物或植物细胞中的特异性抑制基因表达和病毒复制。32P、33P、35P被用于核酸分析，被不同磷同位素标记的三磷酸核苷酸的出现拓宽了可用于标记核酸的选择。
化合物
磷的氧化数可以为+5、+4、+3、-3、+1，与多种元素结合形成化合物。
磷的氧化物
磷的氧化物有两种：五氧化二磷（P2O5）和三氧化二磷（P2O3）。磷完全燃烧产物是五氧化二磷，如果氧不足，则生成三氧化二磷。
磷的氢化物
磷的氢化物有磷化氢（PH3）和联磷（P2H4）。磷化氢在空气中不易自燃，联磷化学性质更加活泼，会空气中自燃形成磷酸。
磷的卤化物
磷会和卤素形成三卤化磷和五卤化磷。三卤化磷性质活泼且有毒性，其中除了三碘化磷为红色低熔点固体，其余都是无色无味的气体或液体。五卤化磷易水解、热稳定性差。
磷酸及其盐
磷的含氧酸非常丰富，结构也较为复杂，其中正磷酸、亚磷酸、次磷酸较为重要。正磷酸是无氧化性和挥发性的三元中强酸。磷酸的钠、钾、铵盐以及所有的磷酸二氢盐都易溶于水，而磷酸一氢盐和磷酸正盐一般都难溶于水。亚磷酸为无色、易潮解的固体，极易溶于水。次磷酸为无色晶体，易溶于水，属于一元酸。
生理作用
对人体的影响
磷是人体内的常量元素之一，在人体元素含量中排在第六位，占人体内原子总数的0.22%，总量为400-800g。磷是人体人体骨骼和牙齿的重要构成成分，85%~90%的磷与钙结合，以羧磷灰石结晶的形式组成人体中的牙齿和骨骼。磷在人体内的生理功能可以分为以下几类：
1.参与能量代谢和糖脂代谢：磷参与能量的储存和释放，人体产生能量时，体内发生的氧化反应会生成腺嘌呤核苷三磷酸，即ATP，为人体活动提供基本能量。同时，磷参与多种能量代谢和生物氧化体系中酶系（辅酶和辅基）的组成。
2.细胞膜的重要构成成分：磷脂是细胞膜的组成成分，具有亲水端和疏水端的磷脂分子形成脂质双层，参与细胞的各项生理活动。
3.构成遗传物质和某些功能因子的重要成分：核酸磷酸基团使脱氧核苷酸（脱氧核糖核酸）和核苷酸（RNA）的重要原料。细胞内的第二信使环腺苷酸（cAMP）、环鸟甘酸（cGMP）和磷酸缓冲体系的磷酸二氢钠等物质也是含有磷的化合物。
缺乏与过量：摄入磷不足，人体可能会产生牙齿、关节、骨骼等弱化，会导致食欲不振、疲劳、心肌异常、体重下降等，严重者甚至会导致软骨病和佝偻病。过量摄入磷会导致骨密度或骨量一定程度下降，还可能导致肾功能不全，增加肾结石的风险。
对植物的影响
在植物中磷的含量仅次于氮和钾，一般在种子中含量较高。植物体内许多重要的有机化合物都含有磷，磷在植物体内参与光合作用、呼吸作用、能量储存和传递、细胞分裂、细胞增大和其他一些过程。磷能促进植物早期根系的形成和生长，能提高许多水果、蔬菜和粮食作物的品质，有助于增强一些植物的抗病性。
吸收与代谢
磷的吸收部位在小肠，大多数食物中的含磷化合物为有机磷酸酯和磷酯，在消化道经酶促水解形成酸性无机磷酸盐后被吸收。未经肠道吸收的磷从粪便排出，这部分量约占机体每日摄磷量的30%，其余70%经由肾以可溶性磷酸盐形式排出，少量也可由汗液排除。
膳食建议
中国成年人合理膳食参考摄入量确定18-49岁成年人磷摄入量为720mg/d，其他年龄段磷摄入量如下图。
磷在食物中分布很广，瘦肉、蛋、鱼、动物的肝脏和肾脏中磷的含量都很高；海带、花生、坚果等中磷的含量也很高。因此，不需要特别摄入磷来维持机理功能。
制备方法
白磷的制备
将磷灰石(主要成分为Ca5(PO4)3F和Ca5(OH)(PO4)3）或者磷酸钙（主要成分为Ca3(PO4)2）、硅土与焦炭混合后，在电炉内加热至1450摄氏度还原，可制得单质磷。
红磷的制备
将白磷置于无空气的烧瓶中，250~260℃下油浴加热30~40小时后，白磷可转化为红磷。再依次加入少量二硫化碳，氯化钙溶液，可除去烧瓶中未转化的白磷。
应用领域
钢铁行业
钢铁行业中常向钢材中添加一定量的磷，从而提高钢材的耐腐蚀性、耐磨性与抗拉强度，进而改善钢材的切削加工性能。
农业生产
农业生产中，磷是植物生长的重要元素之一，可促进植物生长。白磷可制成磷肥，如先合成P4S10在制备成农药施加到土地之后增强土壤肥力，植株根系从土壤中吸收磷元素，进而加速种子的生根发芽，植株的生长与果实的成熟。同时，磷肥还可从一定程度上使蜘蛛果实更加饱满，抗寒抗旱能力提高，抗病虫害能力提升。
军事领域
磷可制作成烟雾弹、燃烧弹、神经毒剂等，被广泛应用到军事领域当中。
白磷在第二次世界大战期间被用于制造燃烧弹和烟雾弹，并应用到各种军事冲突中。燃烧的白磷弹发烟时间能达到5-10分钟，这些烟雾都是通过白磷弹炸开后散出的小白磷块燃烧产生，因此也可以作为烟雾弹使用。1980年，联合国正式通过《联合国常规武器公约》（《禁止或限制使用某些可被认为具有过分伤害力或滥杀滥伤作用的常规武器公约》）将白磷弹列为违禁武器。然而美国拒绝在该公约上签字，并且在之后的对伊拉克战争、叙利亚战争中使用了白磷弹。
磷能够被制作成有机磷神经毒剂，塔崩、沙林都是著名的有机磷神经毒剂。
能源领域
磷酸可用于制造磷酸铁锂(LFP)电池，可应用于电动汽车、通信基站等多个领域，具有使用寿命长、成本较低等优点。
其他
1.食品添加剂：部分食品和动物饲料中会加入磷元素（如过磷酸钙），以达到补充磷元素等作用。
2.火柴：白磷和三硫化四磷曾经作为火柴原料使用，但经常引起生产工人和使用者中毒，现在的安全火柴通常使用无毒的红磷为原料。
3.阻燃剂：含磷阻燃剂有很多种，这些阻燃剂的机理为在高温下分解时并且在物质表面形成致密的泡沫炭层，具有优良的隔热、阻氧、抑烟作用，可实现高效阻燃。
物质结构
原子结构
磷的原子半径为110pm，原子核内具有十五个中子和质子与十六个中子，其核外电子排布为1s22s22p63s23p3。
最外层具有5个价电子排布式，主要成键位于3s-3p杂化轨道和3p轨道上，在形成共价键时仅需要4个价电子即可达到稳定，多出的一个电子易脱离磷原子核的吸引作用，成为自由电子。
磷原子具有dπ-pπ键，因此无法形成具有芳香环电流类的共轭体系。此外，磷原子中3s、3p与3d轨道的能量差距不大，易形成多种多样的杂化轨道形式，如： sp3 、sp3d 和sp3d2，其中sp3d 杂化可形成三角双锥Tbp与四角方锥Sp两种不同的立体结构。
磷的原子结构示意图
晶体结构
白磷
白磷结构是由4个P原子通过单键相互键合形成4个键的四面体结构。分子中P-P-P键的键角为60°，键能为 209 KJ/mol，P-P键很容易断开，因此白磷具有很高的活性。
红磷
磷的不同同素异形体之间可以相互转换，红磷可由白磷隔绝空气加热到260°C制得。红磷结构复杂，是一种层状晶体，每一层由许多磷原子环绕排列为五角形管道。
黑磷
黑磷是磷的稳定的同素异形体，外观和导电性质与天然石墨相似，是一种层状结构。白磷在高压下加热可以转化为黑磷。
紫磷
紫磷也是一种磷的层状同素异形体，它是目前最稳定的磷的同素异形体。
检测方法
空气中磷含量的测定
采用光电比色法对空气中的磷含量进行测定。根据五价磷的气溶胶会被阻留在A φA - XA 滤纸上，蒸气则会被阻留于水中，再依据气溶胶在水中的溶解度不同而进行分离。通过加入钛铬变素试剂使其与五价磷的化合物发生反应，根据钛铬变素试剂颜色变化程度判断空气中的磷含量。
血液中磷含量的测定
首先进行蛋白沉淀，再通过加入仲钼酸铵与血液中的磷发生反应，从而测定血液中的磷元素。
水中磷含量的测定
水中的磷可采用磷铂兰比色法、磷铝黄比色法，以天然维生素c等为还原剂，得到较为准确，精密度较高的结果。这种方法具有操作简单，抗干扰能力强 ，显色速度快，色泽稳定等优点。还可采用酸分光光度法测定水中的磷酸盐含量，通过严格把控硫、各试剂的加入量、显色时间等测定条件，可在测定范围更宽的同时更快的得到结果。、使用过程安全系数高等多方面的优势。
安全事宜
毒性
在磷的同素异形体中，黑磷与红磷的毒性较小，白磷则具有较强的毒性，白磷误食0.1 g 即可致死，皮肤若经常接触到白磷也会引起吸收中毒，易对人体造成伤害。在工业空气中白磷的允许限量为0.1 mg/m3。
磷的化合物中，磷化氢具有剧烈的毒性，可引起血液、物质代谢与神经系统的严重改变。磷的氯化物和氧氯化物会刺激人体的呼吸道。磷的低价氧化物如P4O6、P2O4等对人体全身具有剧毒作用。磷酸盐类、聚合的磷酸盐类对人体的毒性较小，属于低毒性物质。磷可通过皮肤接触或从消化道与呼吸道进入人体，大部分的磷元素在进入人体后会被氧化为磷的低氧化物，进一步溶于血液当中，并逐渐储存于人体骨骼和肝脏当中，最终以磷酸盐的形式通过粪便、尿液和汗液等途径排出体外。误服磷后人体会首先产生胃肠道刺激腐蚀的症状，若服用量巨大还会导致全身出血、便血、呕血等症状，最终因器官功能不全、急性肾衰竭、循环衰竭、肺水肿等原因而亡。在生产劳作中，工人若长期吸入0.078~0.160mg/m3的磷蒸汽也会导致工人患肺炎、支气管炎等疾病，严重者还会发生骨骼脱钙、代谢障碍等全身性病变，引发骨质严重缺乏营养而坏死。
磷能被制成有机磷神经毒剂，它能强烈抑制人体内的乙酰胆碱酶，从而使负责神经传递活动的乙酰胆碱不能被水解而蓄积，胆碱受体会因此而过度兴奋，最终导致中枢神经的麻痹瘫痪。1995年东京地铁沙林毒气惨案，2018年某知名朝鲜男士在吉隆坡机场被袭身亡，俄罗斯反对派人士中毒事件，都和有机磷神经毒剂相关。
急救措施
人体皮肤破损处若直接接触到磷可在冲洗后使用百分之二的硝酸银溶液涂抹伤口，再用百分之三到百分之五的碳酸氢钠溶液进行湿敷。处理后，应避免皮肤伤口使用油脂性辅料。人体直接通过口腔摄入急性有机磷农药中毒后，应及时就医。
环境危害
磷元素对环境的危害集中于对水环境的影响，大量的磷元素因过度施肥进入土地之中，在超容量或酸性条件下随地表径流和渗透作用导致地表水体的富营养化和地下水中硝态氮的含量增多。
储存方式
白磷需储存于水中，环境温度一般不高于35°C；红磷一般需密闭保存。
参考资料
Phosphorus | P - PubChem.pubchem.2023-04-02
磷：尿液、生命之源与致命毒药.中国科学院物理研究所.2023-09-25
禁止或限制使用某些可被认为具有过分伤害力或滥杀滥伤作用的常规武器公约 禁止或限制使用燃烧武器议定书 （第三号议定书）.联合国公约与宣言官网.2023-09-25
Phosphorus.PUBCHEM.2023-10-04