物理

[元素周期表] 磷

磷 (Phosphorus) 

1. 基本信息

• 元素符号: P

• 原子序数: 15

• 原子量: 30.974

• 位置: 位于元素周期表第三周期，第VA族（15族），属于氮族元素。

• 电子构型: [Ne] 3s² 3p³

2. 原子结构

• 五个价电子: 磷原子最外层有五个电子（3s² 3p³）。

• 成键特性: 既倾向于获得三个电子形成P³⁻离子，更倾向于通过共价键形成多种多样的化合物。

• 多价态: 常见化合价有 -3, +3, +5。

3. 同素异形体

磷最显著的特性之一是拥有多种同素异形体。

1. 白磷（黄磷）:

   • 结构: 由P₄分子通过分子间力堆积而成。

   • 性质: 蜡状固体，质软。化学性质极活泼，在空气中约34°C即可自燃，故需保存在水中。在暗处发光。

   • 应用: 制造高纯度磷酸。是制备其他形态磷的原料。

2. 红磷:

   • 结构: 白磷在隔绝空气加热转化而成，是一种无定形聚合物链状结构。

   • 性质: 红棕色粉末，化学性质比白磷稳定得多，在空气中不自燃。

   • 应用: 安全火柴盒的摩擦面、有机合成、冶金工业。

3. 黑磷:

   • 结构: 白磷在极高压力下转化而成，具有层状晶体结构。

   • 性质: 最稳定的同素异形体，有金属光泽，能导电。

   • 应用: 前沿科学研究，特别是在高性能电子器件领域。

4. 化学性质

• 与氧气反应: 不同变体与氧反应性不同。白磷自燃生成P₄O₁₀，是高效的干燥剂。红磷需点燃才能燃烧。

• 与卤素反应: 剧烈反应生成三卤化磷或五卤化磷。

• 还原性: 白磷是强还原剂。

5. 存在与制备

• 自然界存在: 不以单质存在。是生命的关键元素，广泛存在于：

  • 矿物: 磷灰石是工业制磷的主要原料。

  • 生物体: 是骨骼、牙齿、遗传物质、能量载体的重要组成部分。

• 工业制法:

  • 电炉法: 将磷灰石、焦炭和石英砂在高温电炉中反应，使磷升华出来并冷凝为白磷。