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|磷：尿液、生命之源与致命毒药( 二 )


白磷十分易燃 ， 着火点只有大约40 ℃ ， 在受到摩擦、撞击或氧化时都有可能导致局部温度达到着火点 ， 从而引发“自燃” 。 人们将白磷、硫和树胶等混合物涂裹在小木头棒上 ， 只要在粗糙的物体表面进行摩擦后即可生火 ， 这便是最初的火柴 。 但这种火柴有两个显著缺点：一是白磷对人体有剧毒；二是太过易燃导致使用起来不够安全 。
1845年 ， 奥地利化学家施勒特尔(Anton Schr?tter von Kristelli)发现了磷的第二种同素异形体——红磷 。 红磷中多数磷原子为链状排布 ， 活性比白磷低 ， 室温下不会和空气中的氧发生反应 ， 也就不会发光或者自燃 。
红磷的着火点约为240 ℃ ， 比白磷高出许多 ， 再加上红磷基本无毒 ， 人们开始用红磷替代白磷制作更为安全的火柴 。 现代的火柴 ， 一般将红磷涂在火柴盒侧面 ， 当火柴头上的氯酸钾等易燃物质在火柴盒两侧摩擦时 ， 就因接触红磷并发热而点燃 。 在打火机问世之前 ， 红磷制成的火柴是人们日常取火的主要手段 。
|磷：尿液、生命之源与致命毒药
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含有红磷的火柴盒 。 图源:Wikipedia
至于磷的另一种同素异形体黑磷 ， 可通过白磷或红磷在高温高压作用下转化而成 。 它的反应活性更低 ， 表面具有类似黑色金属的光泽 。 虽然磷本身是非金属元素 ， 但黑鳞由于特殊的原子层状排列方式却可以传导电流 ， 能够制作成半导体材料 。 而且 ， 用类似从石墨中获取石墨烯的方法 ， 从黑磷中也可以得到黑磷烯纳米片 。 伴随着近年来人们对半导体和二维材料的日渐重视 ， 黑磷这种不易燃不发光、几十年前还鲜有人知的磷单质 ，如今已成为材料科学中一颗冉冉升起的新星 。
黑磷烯具有很高的比表面积和优异的光电特性 ， 但致命的缺陷是稳定性差 。 当接触水和氧气时 ， 黑磷片层极易被氧化分解 。 近年来 ， 国内一些研究团队在高稳定性黑磷的制备方面取得了突破 ， 预计可有效推动黑磷在能源、催化和生物医学等领域的广泛应用 。   
|磷：尿液、生命之源与致命毒药
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（a）黑磷的外观带有金属光泽（图源：参考文献4 ）；（b）在扫描电镜下 ， 黑磷具有的纳米  层状结构 （图源：参考文献5）
生命的必需元素
磷首次发现于人的体液 ， 磷也与我们的生命活动息息相关 。
人体内 ， 磷大约占体重的百分之一 ， 其中80%是与钙结合、以磷酸盐形式支撑着我们的坚硬骨骼和牙齿 。 其余的磷与蛋白质、脂肪、糖等结合形成有机物 ， 在细胞膜发育、能量交换以及很多关键的生理过程中发挥着重要作用 。
特别是 ， 当磷酸盐形成两个酯键时 ， 就会构成磷酸二酯键 ， 而磷酸二酯键是核酸骨架的重要组成部分 。 从复杂的人体到微小的病毒 ， 已知的所有生命形式都离不开核酸 ， 因为核酸负责着生物体遗传信息的携带和传递 。
自然最终选择磷及磷酸二酯键构成遗传物质的骨架是有原因的 。 了解有机化学的读者都知道 ， 酯类通常并不是一种非常稳定的功能团 ， 在中性水溶液中 ， 普通的碳酸酯(例如乙酸乙酯)最多只能稳定数月 。 而一个遗传基因片段中就含有几千个磷酸二酯键 ， 如果它们经常发生断裂水解 ， 生命将不太可能稳定存在 。
|磷：尿液、生命之源与致命毒药
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脱氧核糖核酸（DNA）的化学分子结构 。 图源：Wikipedia
然而 ， 磷酸二酯键具有非常特殊的结构 ， 它在生理pH值条件下可以带有负电荷 ， 由于同种电荷之间的相互排斥 ， 溶液中带负电的亲核基团（Nu）就难以进攻磷酯键 ， 从而大大提高了结构的稳定性 。 在不太苛刻的自然条件下 ， 脱氧核糖核酸（DNA）可以保存近百年 。 如果将其小心冷冻起来 ， 更是可以存放千年之久 。
更重要的是 ， 磷酸二酯键的稳定是相对的 。 在适当条件下 ， 带正电的金属离子或多胺化合物可以中和负电 ， 这时磷酯键可以被亲核试剂轻易打开 ， 完成生命生长和繁衍所必须的各种化学反应 。
|磷：尿液、生命之源与致命毒药
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【|磷：尿液、生命之源与致命毒药】核酸这类复杂的生物大分子 ， 得益于磷酸二酯键的支撑 ， 能够在亿万年中稳定又不失活力的作为遗传信息的载体 ， 可谓大自然在生命深处留下的鬼斧神工 。
生命的限制元素
我们很难找到可以取代磷独特作用的元素 ， 所以磷与碳、氢、氧、氮、硫一起被认为是生命组成必不可少的元素 。 注2然而 ， 相比于其他5种必需的元素 ， 磷在地球上的储备并不十分丰富 ， 未来甚至还有“断供”的风险 。
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