磷

此條目頁的主題是化學元素「磷」。關於人體必需的營養素，請見「磷營養」。

磷（英語：Phosphorus；源於拉丁語：Phosphorum），是一種化學元素，化學符號為P，原子序數為15，原子量為7001309737619980000♠30.973761998 u。^[6]

磷 ₁₅P

氫（非金屬） 氦（惰性氣體） 鋰（鹼金屬） 鈹（鹼土金屬） 硼（類金屬） 碳（非金屬） 氮（非金屬） 氧（非金屬） 氟（鹵素） 氖（惰性氣體） 鈉（鹼金屬） 鎂（鹼土金屬） 鋁（貧金屬） 矽（類金屬） 磷（非金屬） 硫（非金屬） 氯（鹵素） 氬（惰性氣體） 鉀（鹼金屬） 鈣（鹼土金屬） 鈧（過渡金屬） 鈦（過渡金屬） 釩（過渡金屬） 鉻（過渡金屬） 錳（過渡金屬） 鐵（過渡金屬） 鈷（過渡金屬） 鎳（過渡金屬） 銅（過渡金屬） 鋅（過渡金屬） 鎵（貧金屬） 鍺（類金屬） 砷（類金屬） 硒（非金屬） 溴（鹵素） 氪（惰性氣體） 銣（鹼金屬） 鍶（鹼土金屬） 釔（過渡金屬） 鋯（過渡金屬） 鈮（過渡金屬） 鉬（過渡金屬） 鎝（過渡金屬） 釕（過渡金屬） 銠（過渡金屬） 鈀（過渡金屬） 銀（過渡金屬） 鎘（過渡金屬） 銦（貧金屬） 錫（貧金屬） 銻（類金屬） 碲（類金屬） 碘（鹵素） 氙（惰性氣體） 銫（鹼金屬） 鋇（鹼土金屬） 鑭（鑭系元素） 鈰（鑭系元素） 鐠（鑭系元素） 釹（鑭系元素） 鉕（鑭系元素） 釤（鑭系元素） 銪（鑭系元素） 釓（鑭系元素） 鋱（鑭系元素） 鏑（鑭系元素） 鈥（鑭系元素） 鉺（鑭系元素） 銩（鑭系元素） 鐿（鑭系元素） 鎦（鑭系元素） 鉿（過渡金屬） 鉭（過渡金屬） 鎢（過渡金屬） 錸（過渡金屬） 鋨（過渡金屬） 銥（過渡金屬） 鉑（過渡金屬） 金（過渡金屬） 汞（過渡金屬） 鉈（貧金屬） 鉛（貧金屬） 鉍（貧金屬） 釙（貧金屬） 砈（類金屬） 氡（惰性氣體） 鍅（鹼金屬） 鐳（鹼土金屬） 錒（錒系元素） 釷（錒系元素） 鏷（錒系元素） 鈾（錒系元素） 錼（錒系元素） 鈽（錒系元素） 鋂（錒系元素） 鋦（錒系元素） 鉳（錒系元素） 鉲（錒系元素） 鑀（錒系元素） 鐨（錒系元素） 鍆（錒系元素） 鍩（錒系元素） 鐒（錒系元素） 鑪（過渡金屬） 𨧀（過渡金屬） 𨭎（過渡金屬） 𨨏（過渡金屬） 𨭆（過渡金屬） 䥑（預測為過渡金屬） 鐽（預測為過渡金屬） 錀（預測為過渡金屬） 鎶（過渡金屬） 鉨（預測為貧金屬） 鈇（貧金屬） 鏌（預測為貧金屬） 鉝（預測為貧金屬） 鿬（預測為鹵素） 鿫（預測為惰性氣體） 氮 ↑ 磷 ↓ 砷 矽 ← 磷 → 硫
外觀
無色、蠟狀白、黃、深紅、紅、紫或黑 由左而右分別是:蠟狀白磷(黃色切面), 顆粒狀紅磷,塊狀紅磷、紫磷
概況
名稱·符號·序數	磷（phosphorus）·P·15
元素類別	非金屬
族·週期·區	15·3·p
標準原子質量	30.973761998(5)[1]
電子排布	[Ne] 3s2 3p3 2, 8, 5 磷的電子層（2, 8, 5）
歷史
發現	亨尼格·布蘭德（1669年）
確認其為一元素者	安東萬·拉瓦節[2] (1777)
物理性質
物態	固態
密度	（接近室溫） (白磷) 1.823, (紅磷) ≈ 2.2 – 2.34, (紫磷) 2.36, (黑磷) 2.69 g·cm−3
熔點	(白磷) 44.2 °C, (黑磷) 610 °C
昇華點	(紅磷) ≈ 416 – 590  °C, (紫磷) 620 °C
沸點	(白磷) 280.5 °C
熔化熱	(白磷) 0.66 kJ·mol−1
汽化熱	(白磷) 12.4 kJ·mol−1
比熱容	(白磷) 23.824 J·mol−1·K−1
蒸氣壓（(白磷)） 壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k 溫/K 279 307 342 388 453 549
蒸氣壓（(紅磷, 沸點 431 °C)）	壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k 溫/K 455 489 529 576 635 704
原子性質
氧化態	5, 4, 3, 2[3], 1[4], −1, −2, −3 （弱酸性氧化物）
電負性	2.19（鮑林標度）
電離能	第一：1011.8 kJ·mol−1 第二：1907 kJ·mol−1 第三：2914.1 kJ·mol−1 （更多）
范德華半徑	180 pm
磷的原子譜線
雜項
晶體結構	體心立方
磁序	(白，紅，紫，黑) 抗磁性[5]
熱導率	(白磷) 0.236, (黑磷) 12.1 W·m−1·K−1
體積模量	(白磷) 5, (紅磷) 11 GPa
CAS號	7723-14-0
同位素 閱 論 編
主條目：磷的同位素 同位素 豐度 半衰期​（t1/2） 衰變 方式 能量​（MeV） 產物 30P 人造 2.5000 分鐘 β+ 3.210 30Si 31P 100% 穩定，帶16粒中子 32P 痕量 14.269 天 β− 1.711 32S 33P 痕量 25.35 天 β− 0.248 33S

性狀

磷是一種易起化學反應的、有毒的氮族非金屬元素。它的化學反應活性和毒性取決於形態不同而有所區別。

磷化氫燃燒的火叫鬼火。

單質磷的同素異構體

主條目：磷的同素異形體

• 黑磷（金屬磷）
  • 化學結構類似石墨，因此可導電。
  • 化學式一般寫為${\displaystyle {\ce {P}}}$。
  • 深黑色粉末
• 白磷（黃磷）
  • 化學式：${\displaystyle {\ce {P4}}}$
  • 淡黃蠟似半透明可結晶的固體，於黑暗中能發光。放置一段時間部份表面白磷會形成紅磷，使白磷變成淡黃色。不溶於水，但可溶於苯、乙醚，需保存於水中。有特臭，劇毒。比重1.83，熔點44.4，沸點287度。可作武器白磷彈，吸入人體會燃燒形成磷酸酐，造成呼吸道及肺部灼傷，磷酸酐溶於水形成磷酸，具強脫水性，使呼吸道及肺部脫水。
  • 在溫度35℃以上會在大氣中自燃，與氧氣産生${\displaystyle {\ce {P4O10}}}$ ，必須保存在水中。${\displaystyle {\ce {P4O10}}}$當被吸入時會與肺裏水分形成磷酸並產生大量熱能使肺部灼傷。

• 紅磷（赤磷）
  • 化學結構為巨型共價分子。
  • 化學式一般寫為${\displaystyle {\ce {P}}}$。
  • 鮮紅色粉末，無毒，比重2.296，熔點725度，是黃磷於壓力下稀有氣體中加熱8-10日而成，白磷隔除空氣加熱至250度可得紅磷。

• 紫磷
  • 化學結構為層狀，但與黑磷不同。
  • 化學式一般寫為${\displaystyle {\ce {P}}}$。

化學性質

把白磷溶於二硫化碳，再把溶液灑在紙上。二硫化碳揮發後留下白磷，白磷在空氣中自燃，令紙張燒焦

磷可以在空氣中燃燒，生成大量五氧化二磷

白煙：

${\displaystyle {\ce {4P + 5O2 -> P4O10}}}$

在有催化劑存在的情況下，白磷、紅磷和水經過幾步反應生成H₃PO₄、H₂及很少量的H₃PO₃和PH₃：

${\displaystyle {\ce {P4 + 16H2O = 4H3PO4 + 10H2}}}$^[7]

發現

有關磷元素發現的繪畫

在化學史上第一個發現磷元素的人，當推十七世紀的一個德國漢堡商人亨尼格·布蘭德（Henning Brand，約1630年~約1710年）。他是一個相信鍊金術的人，在三十年戰爭時他擔任初級軍官，戰爭結束後成為玻璃工匠的學徒。後來他娶了一位有錢人的女兒。豐饒的嫁妝讓他從此不愁吃穿，所以他開始追求他真正的興趣，也就是尋找賢者之石。當時的社會相信賢者之石要透過煉金術才能製成，可以把所有東西變成黃金，甚至可以讓人長生不老。

然而，反覆的實驗失敗終究還是花光了他的所有積蓄。更不幸的是他妻子也過世了。之後他又娶了另一位女人，這位後來娶的妻子不只帶給他財富讓他可以繼續實驗，也給他一個兒子可以在實驗室幫他的忙。

由於他相信人體本身就是一種煉金術，因為從嘴巴吃進去的跟排泄出來的物質完全不一樣。所以他使用尿作了大量實驗。1669年，他在一次實驗中，將砂、木炭、石灰等和尿混合，加熱蒸餾，雖沒有得到黃金，而竟意外地得到一種十分美麗的物質，它色白質軟，能在黑暗的地方放出閃爍的亮光，於是波蘭特給它取了個名字，叫「冷光」，這就是今日稱之為白磷的物質。波蘭特對制磷之法，起初極守秘密，不過，他發現這種新物質的消息立刻傳遍了德國。^[8]

德國化學家孔克爾曾用盡種種方法想打聽出這一秘密的製法，終於探知這種所謂發光的物質，是由尿裡提取出來的，於是他也開始用尿做試驗，經過苦心摸索，終於在1678年也告成功。他是把新鮮的尿蒸餾，待蒸到水分快乾時，取出黑色殘渣，放置在地窯里，使它腐爛，經過數日後，他將黑色殘渣取出，與兩倍於「尿渣」重的細砂混合。一起放置在曲頸瓶中，加熱蒸餾，瓶頸則接連盛水的收容器。起初用微火加熱，繼用大火乾餾，及至尿中的揮發性物質完全蒸發後，磷就在收容器中凝結成為白色蠟狀的固體。後來，他為介紹磷，曾寫過一本書，名叫《論奇異的磷質及其發光丸》。

在磷元素的發現上，英國化學家羅伯特·波義耳差不多與孔克爾同時，用與他相近的方法也製得了磷。波義耳的學生漢克維茨（Codfrey Hanckwitz）曾用這種方法在英國製得較大量的磷，作為商品運到歐洲其他國家出售。他在1733年曾發表論文，介紹製磷的方法，不過說得十分含糊，以後，又有人從動物骨質中發現了磷。

名稱由來

由於單質磷在空氣中會自燃或緩慢氧化而放熱發光，因此磷的拉丁文名稱Phosphorum來源於希臘文Φωσφόρος的拉丁化，原指「啟明星」，意為「光亮」。

而在中文裏，磷的本字為粦，根據晉代《博物志》記載，「戰鬬死亡之處，有人馬血，積中爲粦，着地入艸木，如霜露不可見。有觸者，著人體後有光，拂拭即散無數，又有吒聲如鬻豆。舛者，人足也。言光行着人。」可見上部"米"字乃代表鬼火之"炎"字轉寫，下部"舛"字則指人足部。

「磷」字本與「粦」無關，如司馬相如在作賦時將其與"嶙"、"粼"混用，指光亮。南朝時期的字典《玉篇》中記載為雲母之意。本作為鬼火之源的"粦"後加石字偏旁以作為其元素性質之辨，指鬼火之源所含的元素。此與"磷"之原來諸義皆有所不同。

分佈

磷在地殼中的含量為0.09%。磷不以單質存在，通常在磷酸鹽中天然存在，尤其是磷灰石。磷也存在於生物體當中，是原生質的基本成分。

製備

磷的現代製法是將磷酸鈣與砂（主要成分為二氧化矽）及焦炭一起放在電爐中加熱。為使反應式易於理解，可寫成兩步如下：

• ${\displaystyle {\ce {Ca3(PO4)2 + 3SiO2 -> 3CaSiO3 + P2O5}}}$
• ${\displaystyle {\ce {P2O5 + 5C -> 2P + 5CO}}}$

同位素

主條目：磷的同位素

已發現磷的同位素共有13種，包括磷27至磷39，其中只有磷31是穩定的，其他同位素都帶有放射性。

化合物

含氧酸

磷的含氧酸非常豐富，結構較為複雜，且大多具有商業價值。這些含氧酸都有和氧相連的氫原子，可以體現酸性，也有些有不體現酸性的直接連在磷上的氫原子。縱然許多磷的含氧酸已經被合成，但僅有以下幾種是較常見的。其中的三種——次磷酸、亞磷酸和磷酸尤為重要。

名稱	化學式	磷的氧化數（化合價）	結構式	N元酸	化合物形態
次磷酸	${\displaystyle {\ce {H3PO2}}}$	+1		1	酸、鹽
亞磷酸	${\displaystyle {\ce {H3PO3}}}$	+3		2	酸、鹽
偏亞磷酸	${\displaystyle {\ce {HPO2}}}$	+3		1	鹽
原亞磷酸（與亞磷酸為互變異構體）	${\displaystyle {\ce {H3PO3}}}$	+3		3	酸、鹽
連二磷酸	${\displaystyle {\ce {H4P2O6}}}$	+4		4	酸、鹽
n（聚）偏磷酸	${\displaystyle {\ce {(HPO2)_{n}}}}$	+5		n	鹽（n=3、4、6）
磷酸（正磷酸）	${\displaystyle {\ce {H3PO4}}}$	+5	（n聚磷酸n=1時）	3	酸、鹽
n（聚）磷酸	${\displaystyle {\ce {H(HPO3)_{n}OH}}}$	+5		n+2	酸、鹽（n=1-6）
焦磷酸	${\displaystyle {\ce {H4P2O7}}}$	+5	（n聚磷酸n=2時）	4	酸、鹽
三磷酸	${\displaystyle {\ce {H5P3O10}}}$	+5	（n聚磷酸n=3時）	5	鹽

磷（V）化合物

含氧化合物

最常見的磷化合物是磷酸鹽（${\displaystyle {\ce {PO4^3-}}}$），它是一個呈四面體的陰離子。^[9]其一個很重要的作用是用作化肥。磷酸根離子是（正）磷酸的共軛鹼。磷酸是一個三元酸，所以它可以逐步轉變為以下三種共軛鹼：

${\displaystyle {\ce {H3PO4 + H2O <=> H3O+ + {H2PO4}^{-}}}}$       K_a1= 7.25×10⁻³

${\displaystyle {\ce {{H2PO4}^{-}+ H2O <=> H3O+ + {HPO4}^{2-}}}}$    K_a2= 6.31×10⁻⁸

${\displaystyle {\ce {{HPO4}^{2-}+ H2O <=> {H3O}^{+}+ {PO4}^{3-}}}}$      K_a3= 3.98×10⁻¹³

磷酸及其衍生物有聚合成鏈或環而形成${\displaystyle {\ce {P-O-P}}}$鍵的傾向。目前已知的聚磷酸衍生物已經有很多，比如ATP。它們通過磷酸氫鹽（例如${\displaystyle {\ce {{HPO4}^{2-}}}}$和${\displaystyle {\ce {{H2PO4}^{2-}}}}$）脫水得到。例如，下列縮合反應在工業上非常廣泛地用於生產三磷酸鈉（俗稱五鈉）：

${\displaystyle {\ce {2Na2[(HO)PO3] + Na[(HO)2PO2] -> Na5[O3P-O-P(O)2-O-PO3] + 2H2O}}}$

十氧化四磷（P₄O₁₀）是磷酸的酸酐。它是白色的固體，與水反應非常劇烈。

${\displaystyle {\ce {PCl5}}}$和${\displaystyle {\ce {PF5}}}$兩種化合物具有共同點：它們都較不穩定，且都是白色或淺色的。${\displaystyle {\ce {PCl5}}}$和${\displaystyle {\ce {PF5}}}$的空間構型都是五角雙錐，並且它們都是路易斯酸。後者可以形成${\displaystyle {\ce {{PF6}^{-}}}}$離子，它和${\displaystyle {\ce {SF6}}}$互為等電子體。至於另外兩種磷的鹵化物${\displaystyle {\ce {PBr5}}}$和${\displaystyle {\ce {PI5}}}$都是極不穩定的。而磷最主要的鹵氧化物是三氯氧磷（${\displaystyle {\ce {POCl3}}}$），它的空間構型是四面體型的。

以往一直認為磷（V）化合物中磷的d軌道參與了雜化。然而經過計算機大量計算，事實並非如此：磷只用了s和p軌道雜化^[10]。這可用分子軌道理論來解釋。

含硫化合物

磷酸根中的氧可以被硫取代，如硫代磷酸。

多種硫化磷也是已知的。

用途

磷可用於安全火柴、煙花、燃燒彈和化肥，還可以保護金屬表面免於腐蝕。

磷酸的用途也十分廣泛。

對人體的影響

磷是骨骼和牙齒的構成材料之一。正常成年人骨中的含磷總量約為600～900克，人體每100毫升全血中含磷35-45毫克。磷能保持人體內代謝平衡，在調節能量代謝過程中發揮重要作用。它是生命物質核苷酸的基本成分。它參與體內的酸鹼平衡的調節，參與體內脂肪的代謝。

磷缺乏可以出現低磷血症，引起紅細胞、白細胞、血小板的異常，軟骨病。磷過多將導致高磷血症，使血液中血鈣降低導致骨質疏鬆。

短時間內攝取一定分量的白磷單質，可造成急性白磷中毒。

參考文獻

1. Prohaska, Thomas; Irrgeher, Johanna; Benefield, Jacqueline; Böhlke, John K.; Chesson, Lesley A.; Coplen, Tyler B.; Ding, Tiping; Dunn, Philip J. H.; Gröning, Manfred; Holden, Norman E.; Meijer, Harro A. J. Standard atomic weights of the elements 2021 (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry. 2022-05-04. ISSN 1365-3075. doi:10.1515/pac-2019-0603 （英語）.
2. cf. "Memoir on Combustion in General （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）" Mémoires de l'Académie Royale des Sciences 1777, 592–600. from Henry Marshall Leicester and Herbert S. Klickstein, A Source Book in Chemistry 1400–1900 (New York: McGraw Hill, 1952)
3. webelements. [2013-09-01]. （原始內容存檔於2008-05-12）.
4. Ellis, Bobby D.; MacDonald, Charles L. B. Phosphorus(I) Iodide: A Versatile Metathesis Reagent for the Synthesis of Low Oxidation State Phosphorus Compounds. Inorganic Chemistry. 2006, 45 (17): 6864–74. PMID 16903744. doi:10.1021/ic060186o.
5. Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds 互聯網檔案館的存檔，存檔日期2012-01-12., in Lide, D. R. (編), CRC Handbook of Chemistry and Physics 86th, Boca Raton (FL): CRC Press, 2005, ISBN 0-8493-0486-5
6. 夏征農、陳至立 (編). 《辞海》第六版彩图本. 上海: 上海辭書出版社. 2009年: 第3227頁. ISBN 9787532628599.
7. 無機化學叢書.第四卷.P195.張青蓮 主編
8. TodayIFoundOut.com, Matt Blitz-. How One Man’s Love of Urine Led to the Discovery of Phosphorus. Gizmodo. [2020-02-06]. （原始內容存檔於2020-02-06） （美國英語）.
9. D. E. C. Corbridge "Phosphorus: An Outline of its Chemistry, Biochemistry, and Technology" 5th Edition Elsevier: Amsterdam 1995. ISBN 978-0-444-89307-9.
10. Kutzelnigg, W. Chemical Bonding in Higher Main Group Elements (PDF). Angewandte Chemie Int. (English) Ed. 1984, 23 (4): 272–295 [2014-04-27]. doi:10.1002/anie.198402721. （原始內容存檔 (PDF)於2020-04-16）.

外部連結

• 元素磷在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的介紹（英文）
• EnvironmentalChemistry.com —— 磷（英文）
• 元素磷在The Periodic Table of Videos（諾丁漢大學）的介紹（英文）
• 元素磷在Peter van der Krogt elements site的介紹（英文）
• WebElements.com – 磷（英文）