一根火柴里居然蕴藏着如此丰富的化学
本文发表于《高中数理化》，也是即将由山东科技出版社出版的《用原子的眼睛看世界——中学化学关键知识解读》中的一篇。
磷元素，在当下的教科书里不怎么提及。但这并不说明它在生活中不出现、不重要，更不能说明考题里不会出。
1. 红磷不易溶于水，为什么长期放置时会变为粘稠的糊状物？
磷的单质都不易溶于水，但它们都非常易被氧化为易溶于水的氧化物，如P4O6、P4O10等，这些氧化物都容易跟水反应：
P4O6 + H2O= 4H3PO3（亚磷酸）
P4O10 + 2H2O(冷) = 4HPO3（偏磷酸）
P4O10 + 6H2O(冷) = 4H3PO4（磷酸）
所得产物H3PO3、HPO3、H3PO4等都具有极强的吸水性。
白磷的氧化非常迅速，把它暴露在空气中的话，很容易因氧化积累热量导致自燃（故实验室里少量的白磷都是保存在冷水中）；红磷比白磷化学性质略稳定一些，但若长期跟空气接触，其表面也易氧化为氧化物，因该氧化过程不是非常迅速，氧化过程中产生的热量会散失到周围空气里去，所以红磷一般不会自燃，而是表面氧化产物跟水化合形成的各种含氧酸吸水潮解，形成溶液。
由上可知，要想把已经“潮湿”的红磷变干燥，可以用水洗涤后过滤，再在短时间内把红磷表面的水分吹干。
跟红磷在空气中的氧化一样，保存在冷水中的白磷也易被水中的溶氧氧化为含氧酸，故长期保存白磷的水呈酸性，滴入石蕊溶液时会变红。
2. 红磷的升华是物理变化还是化学变化？
把红磷隔绝空气加热到416℃，它就会升华变为磷的蒸气，该蒸气（分子式P4）凝结后得到的固体不再是红磷本身，而是白磷。同素异形体之间的转化属于化学变化，所以红磷升华跟一般我们所说的升华不同，它属于化学变化。红磷升华过程中的微观变化可以用下图示意：
3. 白磷和红磷分别是如何制取的？
磷元素在自然界中主要以PO43- 的形式存在，要获得磷的单质，必须采用还原的策略。工业上首先用焦炭高温还原磷矿石粉末获得白磷：
2Ca3(PO4)2+ 10 C + 6SiO2高温P4↑ + 10CO↑ + 6CaSiO3
把从反应器中逸出的蒸气通入冷水冷凝，即可获得固态白磷。
由于白磷太过活泼，除了军事上用作烟幕弹、燃烧弹，少量用于制造高纯度磷酸外，并无特别多的用途，所以一般把它隔绝空气加热到260℃，使它慢慢转化为用途更广泛的红磷。
红磷因为性质相对稳定，大量用作制造安全火柴、发令枪火药等。
4. 为什么生产高纯度的磷酸要用白磷为原料？
工业上生产磷酸的主要方法是用磷矿石或磷灰石跟浓硫酸反应：
Ca3(PO4)2+ 3H2SO4 = 3CaSO4 + 2H3PO4
Ca5(PO4)3F+ 5H2SO4 = 5CaSO4 + 3H3PO4+ HF↑
把矿石粉碎后跟浓硫酸混合搅拌，待其充分反应后滤除CaSO4即得粗磷酸，此磷酸可直接应用于磷肥[主要是指重过磷酸钙Ca(H2PO4)2]的生产。此法制造的磷酸中不可避免地混有来自矿石的一些可溶性杂质，提纯比较困难。
如何获得高纯度的磷酸呢？人们想到了磷单质比较容易通过蒸馏或升华法提纯的性质——通过提纯白磷，再利用白磷在纯氧中燃烧的办法获取高纯度P4O10，用此高纯度P4O10 跟热水作用，就可以获得高纯度磷酸了。这一生产思路跟工业上通过“粗硅氯化→SiHCl3分馏提纯→高纯度SiHCl3 高纯氢还原→高纯硅”途径获得高纯度硅单质非常相似。
5. 为什么使用红磷制造的火柴叫安全火柴？其工作原理是怎样的？
在安全火柴出现之前，人们已经在制造随身携带的火种方面进行了无数次的尝试了。如中国早在南北朝时期，就有将硫磺沾在小木棒上，借助于火种或火刀、火石，方便地引燃木条的记录，这种沾有硫磺的木条可视为最原始的火柴；欧洲的古罗马时期，大街上也有出售类似引火物的；17世纪后期，欧洲科学家提炼出了白磷，人们利用白磷极易在空气中自燃这一特性，在小木棒一端沾上硫磺，然后再沾白磷而引火；19世纪早期，欧洲人还发明了将氯酸钾和糖用树胶粘在小木棒上，使用时沾上浓硫酸而发火的“分体式火柴”。显然，这些“火柴”都比现在的安全火柴复杂难用，不易推广。
后来，人们开发了直接把黄磷固定在小木条一端，使用时不管在什么物体上一划即可发火的火柴，但是由于白磷剧毒且极易自燃，这种火柴的保存是很大的问题。
那时火柴都是按根单独包装、出售的。虽然相对于上述各种“火柴”使用方便一些了，但还不属于安全火柴。
19世纪中叶，科学家研制出性质相对稳定且无毒的红磷。1855年，瑞典科学家J.E.伦德斯特伦将氯酸钾和硫磺等混合物粘在小木条一端，而将红磷涂在包装盒外面，使用时将火柴头在磷层上轻轻擦划，即能发火，制作出了第一根现代的“安全火柴”。
由于把氧化剂和还原剂分开保存，大大增强了生产和使用中的安全性，称之为“安全火柴”。
小小的一根火柴，其中蕴含着非常多的化学知识。目前广泛使用的安全火柴，仍由火柴头、火柴皮两部分构成。
火柴皮侧面一般涂有红磷、玻璃粉（增大摩擦力）和黏合剂（增强附着力）组成的混合物。火柴杆则事先浸入硼砂（Na2B4O7×10H2O）或磷酸铵[(NH4)3PO4]的溶液中处理后干燥，以控制其燃烧速度，增加安全性；再在将要做火柴头的部位蘸一些石蜡油，然后将其浸入黏合剂、上色剂、可燃物（主要是硫与Sb2S3）和氧化剂（主要是KClO3、MnO2等）的混合物中、取出干燥。
在划火柴时，摩擦产生的热量首先使擦下的极微量红磷燃烧，所以火柴擦燃的瞬间我们会看到一股白烟（P4O10）；继而依次引燃火柴头上的硫和三硫化二锑等易燃物、石蜡、火柴杆，这些可燃物的着火点是依次升高的，该过程中会闻到SO2的刺激性气味；氯酸钾（MnO2催化下）的作用是分解放出氧气，帮助燃烧。
最新文章
-
王长绅紫微斗数之廉贞天相在子午守财帛宫，命宫为武曲星
19分钟前 -
磁共振扫描操作磁共振冠脉成像（一）
33分钟前 -
“病急乱投医”
50分钟前 -
择日——吊用“太阳、太阴”吉神到宫的方法
1小时前 -
古诗词中的十大人生境界，古今一付笑谈中
1小时前 -
史上最全K线图大全：70种+42个K线组合图解
2小时前 -
明朝最大遗憾：崇祯若答应李自成条件，明朝不会灭亡，还灭了满清
2小时前 -
孔子语录100句（附释文）国学经典
2小时前
热门文章
-
业医必修——孙思邈《大医精诚》
1周前 -
怎样从门口看房屋吉凶
1周前 -
低估了广东的“甘蔗马蹄茅根水”，喝完半个小时就舒服了！
1周前 -
痰湿体质如何调理 最全痰湿体质调理方法(8)
1周前 -
自制家庭小咸菜
1周前 -
七彩神龙指标源码（八戒神龙主图无未来函数）
7天前 -
《奇门遁甲预测术》奇门：格局庚
6天前 -
10种朝鲜咸菜的腌制方法
7天前
有话要说...