作者:清华大学化学系 颜磊
文章转载自科学大院公众号,ID:kexuedayuan
都在担忧石油短缺,可它的短缺好像比石油更严重。别看它“脾气大”,没了它,农业大范围减产,生命活动也将会终止。它到底是个何方神圣?
易燃易爆炸,脾气这么大1669年,住在德国汉堡的一名炼金术师(据说也是个兼职医生)Hennig Brand像同时代的许多人一样,希望通过煮一些奇怪的东西得到黄金。一次,Brand选择了非常令人匪夷所思的研究对象——尿液,据说是因为尿液呈黄色,接近黄金的颜色(大雾脸)。他收集了60多桶尿,将其大火加热、蒸干。
不过可惜,Brand先生并没有提炼出黄金,而是得到了一种在昏暗的房间里会闪闪发光的物质,外貌看起来像白蜡。这种神秘的新物质发出的蓝绿色光芒也并不灼热,是一种“冷光”,Brand给新物质取名Phosphorum(拉丁文冷光之意),英文便是我们今天的主角——磷元素(Phosphorus)。
磷元素发现者Hennig Brand正在煮尿(图片来源:Wikipedia)
白磷和红磷(图片来源:Wikipedia)
磷元素的发现过程着实恶心,而Hennig Brand这个名字也被后世的化学家永远记住了。值得惋惜的是,Brand先生忍受了那么久的尿骚味,居然没有顺带发现氨气(1727年英国化学家Hales发现)。
就外观和易燃的性质来说,Brand发现的白蜡状的物质,我们基本可以确定是白磷。白磷是磷元素的一种单质形式,化学性质活泼,在空气中很快就会与氧气反应,发生自燃,发出耀眼的白光和浓烟。很多中学化学课堂都会展示白磷的这一特性。战争中,白磷常常用于制造信号弹、烟雾弹和燃烧弹。如果皮肤不慎接触到白磷,则会造成严重的烧伤。也正是由于磷的易燃特性,DC塑造了一个名为“磷博士”(Doctor Phosphorus)的反派角色,屡次给蝙蝠侠制造麻烦,磷博士的身上永远燃烧着火焰,且还能产生毒气和辐射。
白磷燃烧弹(图片来源:Wikipedia)
除了易燃之外,白磷的毒性也极强。阿加莎的经典推理小说《无言的证人》中,受害者死时嘴巴里冒出奇怪的光晕,即为白磷中毒的典型现象,这也成了破案的关键。长期吸入白磷蒸气会产生强烈的痛感,还会毁容。所谓“磷下巴”就是指磷毒性颌骨坏死。这种中毒症状最早也是发现于19世纪的火柴厂工人中。误服白磷则会造成胃肠道强烈腐蚀,中毒的人可能会在清醒的状态下存活数日,最终因多个脏器功能受损而死。总而言之,白磷有100种方法弄死你。幸好后来磷元素的第二种单质——红磷被发现,它同样具有可燃性,但比白磷“安分”很多,因此很快取代白磷,成为制造火柴头的重要原料。
磷下巴(强烈建议不要去搜索相关图片)(图片来源:Wikipedia)
根据Brand当时的记录,白磷还有燃烧时还会产生蓝绿色光芒,这又是怎么回事?这种现象在民间被称为“鬼火”,其历史非常久远,中国古代就有很多关于它的记录。比如汉代王逸《九思·哀岁》诗中写道:神光兮熲熲,鬼火兮荧荧。宋代陆游《老学庵笔记》中也提及:予年十馀岁时,见郊野间鬼火至多。唐代李贺《苏小小墓》诗中“冷翠烛”便指“鬼火”。古人的诗文已经很准确地描述出了“鬼火”常出现的地点,即荒郊野外和坟墓附近。在那些地方,人和动物的尸体腐烂发酵,产生了自燃性气体——磷化氢,它在黑暗环境中会发出幽幽蓝光,确实有点吓人。从白磷到磷化氢,磷元素家族真的是易燃的“活泼少年”啊。
神秘的鬼火(图片来源:pixabay)
除了白磷、红磷,其实磷单质家族还有一个不起眼的小兄弟——黑磷。黑磷的性质比红磷还稳定,其被发现以后人们不知道它有啥用,一直都对它不够重视。但近年,材料学家发现,单层结构的黑磷(又称磷烯)拥有媲美甚至超越“网红材料”石墨烯的潜能。于是,黑磷一下子就站到了材料学研究的“C位”,可谓一匹大黑马。石墨烯就像金属,而黑磷天生就是半导体,人为打开或关闭其电流通路就显得很容易。黑磷还具有很高的电子流动性。目前的研究表明,黑磷在光电领域的应用前景很可能超过石墨烯。2014年以来国内多个研究团队相继提出了黑磷在太阳能电池、锂电池、CMOS转化器、晶体管等方面的应用,相关研究到今天依然方兴未艾。
块状黑磷(上)和黑磷(磷烯,下)的结构(图片来源:Wikipedia,ACS NANO)
别看它脾气大,生命活动哪儿都有它尿液中能浓缩出白磷,“鬼火”产生自人或动物的尸体,可见磷元素广泛分布在生命体内。在地壳中磷元素含量排第11,而在人体内,磷元素排第6,次于氧、氮、氢、碳、钙。
磷元素几乎是一切生理反应的基础,它堪称生命元素。人体内80%的磷元素以磷酸盐的形式固定在骨骼和牙齿中,给予身体可靠的支撑。另外20%的磷元素则分布在身体的每个角落,参与遗传、能量代谢、酶催化等几乎所有的生化反应。
众所周知,生命最重要的“任务”之一是将遗传物质传递下去,地球上的遗传物质只有两种:DNA和RNA。不管是DNA还是RNA都是非常巨大的长链状分子,腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶如同一颗颗珍珠,构成了遗传物质。而磷酸形成的化学键便是串起这条珍珠项链的“金线”。为了维持生命体的运转,遗传物质在细胞内不断进行复制、转录、翻译,以合成功能各异的蛋白。因此,这条“金线”不能太过牢固,又不能太过脆弱。而磷酸便是完美符合这些条件的“天选之子”,生命诞生前的原始汤中,磷脱颖而出。
DNA双螺旋链的结构(图片来源:Wikipedia)
除了构成遗传物质,磷酸还是生命体内各种化学反应的“推动剂”。生命体的化学反应大部分都依赖酶催化底物完成。如何区别哪些蛋白会和底物发生反应呢?当它们被加上磷酸基团,就相当于给自己贴上了“我准备好反应”的标签。有一类被称为激酶的大家族,它们的工作就是专门将蛋白或底物磷酸化,针对蛋白的激酶叫蛋白激酶,针对小分子底物的激酶则包括已酸激酶、甘油激酶、丙酮酸激酶等多种类型。脂质分子磷酸化后会变成磷脂分子,它们是生命形成的基础,是构成细胞膜的主要成分,使细胞内环境与外部环境隔离。甚至细胞内的供能反应也由磷元素控制,ATP和ADP相互转化的过程也是高能磷酸键断裂和形成的过程。
蛋白磷酸化反应(图片来源:Wikipedia)
其实,磷元素参与生命活动不仅仅局限于以上几种情况,还有很多与磷有关的生命密码未曾揭开。
现存磷矿只够用23年?以后人类该咋办?!实验室里的磷酸,卫生间的含磷洗衣粉,农田里的磷肥……磷元素其实已经渗透到了我们生活的方方面面。这些含磷物质基本都开采自磷矿,超过90%的磷矿类型是磷灰石。
摩洛哥的磷矿码头(图片来源:Wikipedia)
在距今约10亿年左右的新元古代,地球上还没有磷矿,那时候磷元素主要溶解在海洋中,有学者认为那时候海洋的含磷量是现代海洋的5倍之多,随后的雪球时期,全球性的冰川活动又将大量陆地含磷物质带入海洋,海水中的可溶性含磷化合物又暴增了一波。那么多的可溶性磷化合物在形成固态的磷矿的过程中,需要氧气的参与。磷酸盐无法依靠自身得以沉降,它必须依附在铁锰氢氧化物上,而形成铁锰氢氧化物必须要大量的氧气。但那个时候的地球非常缺氧。不过很快,地球迎来了寒武纪生命大爆发时期,海水中的蓝藻暴增,开足马力进行光合作用,大量新鲜的氧气进入海水。于是在生命活动较为活跃的区域,磷酸盐得以沉降到海底,形成了今天的磷矿。可以说,远古生命为今天的地球“制造”了磷矿。并且,很多寒武纪时期的化石也都存在于磷矿中。
磷矿沉积和地球氧气含量的关系(图片来源:Nature)
磷矿的形成特点致使它在地球上的分布极不均匀,漫长而复杂的地质运动后,如今,地球上超过70%的磷矿都集中在了摩洛哥和西撒哈拉那一小块区域。摩洛哥的磷矿储量以一骑绝尘之势位列榜首,中国、阿尔及利亚、叙利亚和巴西分列二至四名,但这四个国家的储量加起来都不如摩洛哥的零头多。人类对磷矿的消耗速度远远超过地球的成矿速度,中国毫无悬念是磷矿的最大消耗国,第二名则是印度和美国。一个非常可怕的事实是,参照目前中国对磷矿的需求,世界现存的磷矿储量只够用23年,这听起来比石油短缺还要急迫!曾经依靠出口磷肥(主要是鸟粪)过得非常滋润的小岛国——瑙鲁现在已经无磷可卖,国家经济因此而陷入困顿。
可以预见,磷矿短缺威胁最严重的行业便是农业,磷肥是农业三大肥料(氮、磷、钾)之一,而磷肥的主要原料就是磷矿石。一旦磷矿枯竭,磷肥产量便会下降,地球农业整体可能减产一半。
△世界磷矿分布和消耗速度(图片来源:frontiers of agricultural science $ engineering)
除了磷矿资源枯竭之外,大量含磷的工农业和家庭污水未经处理便直接排入江河湖海,造成水体富营养化。而如果能实现污水中磷的高效回收,也将会是一举两得的好事。
水体富营养化后藻类爆发(图片来源:pixabay)
结语看似易燃易爆炸,实则“内秀”的磷元素对整个自然界和人类社会都有着无可取代的作用。磷元素所蕴含的价值还有待我们去挖掘,以及,面对磷矿资源枯竭的现状,合理完善的解决方案也有待进一步探寻。
参考文献:
1、Phosphorene: An Unexplored 2D Semiconductor with a High Hole.
2、Mobility.ACS Nano.2014,8,4033-4041.
3、赵玉芬,赵国辉,麻远.磷与生命化学.北京:清华大学出版社,2005,140.
4、The evolution of the marine phosphate reservoir.Nature.2010,467, 1088–1090.
5、Phosphorus and the gust of fresh air.Nature.2010,467,1052–1053.
6、Phosphorus use efficiency and fertilizers:future opportunities for improvements.Front.Agr.Sci.Eng.2019,doi:10.15302/J-FASE-2019274.
伍林, 欧阳兆辉, 曹淑超, 易德莲, 孙少学 & 刘峡. (2005). 拉曼光谱技术的应用及研究进展. 光散射学报, 180-186.
炼金术中的奇妙产物(为了炼金他煮了60桶尿)
2024-11-08 02:18:40 作者:沈淪死亡 网址:https://m.xinb2b.cn/know/byg505134.html
- 张若昀非直男(风一样的男子张若昀)
- 2024-11-08风一样的男子张若昀来源:东西风尚ID:aishang-zhi张若昀自从主演了谍战剧《麻雀》之后,人气便一路直线飙升,随后张若昀个人资料也被网友们扒了出来貌似自从张若昀瞬间爆红以来,身上就一直伴有星二代或者是富二代的标签。
- 什么叫加密狗(加密狗是什么东西)
- 2024-11-08加密狗是什么东西加密狗是加密锁的一种,加密锁是一种插在计算机并行口上的软硬件结合的加密产品软件开发者可以通过接口函数和加密锁进行数据交换(即对加密锁进行读写),来检查加密锁是否插在接口上;或者直接用加密锁附带的工具加。
- abbc式的成语有哪些大全(成语汇总:AABC)
- 2024-11-08成语汇总:AABC请写出4个AABC形式的成语,孩子作业里这样的题型总能把家长难倒!虽说平时爸妈们也见了不少这样的词,但等到要用的时候就是想不起来!今天这篇文章,汇总了AABC、ABCC、AABB、ABAC、ABB等结。
- 生活中哪些坏习惯容易排肝毒(国庆节假日大鱼大肉)
- 2024-11-08国庆节假日大鱼大肉吃萝卜皮和胡萝卜谚语道,生吃萝卜夏吃姜,不用医生开药方古时候也有:“萝卜上市,郎中下市;冬吃萝卜夏吃姜,一年四季保安康”等说法,意思就是说,萝卜上市了,就不需要医生了虽然这有点夸张,但萝卜的确是个很好。
- 姜太公钓鱼愿者上钩的典故出处(从成语故事看历史)
- 2024-11-08从成语故事看历史出自《武王伐纣平话·卷下》:“姜尚因命守时,立钩钓渭水之鱼,不用香饵之食,离水面三尺,尚自言曰:‘负命者上钩来!’”姜太公钓鱼太公,姓姜名尚,又名吕尚,是辅佐周文王、周武王灭商的功臣他在没有得到文王重。
- 激素脸如何治疗比较好(惨变激素脸该如何治疗)
- 2024-11-08惨变激素脸该如何治疗脸上长痘痘起疙瘩怎么办?想必大多数人都是自己跑药店买药膏来擦吧然而,有些药膏含有激素,随意往脸上抹可能会惨变“激素脸”此外,有些号称“迅速美白嫩肤祛痘”的化妆品可能也暗含激素,长期使用也会导致“激素脸。
- 股市委托交易什么时间才有效(这些技巧一定要知道)
- 2024-11-08这些技巧一定要知道股票委托有效时间最有保证的是每日的集合竞价时间(每日9点15分到9点25分)和每日开盘交易时间(每日上午9点半到11点半,下午1点到3点)股票委托是投资者开设了股票证券账户后,可以在证券营业部进行委托。
- 苹果手机耗电快怎么办(苹果手机耗电快的解决方法)
- 2024-11-08苹果手机耗电快的解决方法首先打开手机“设置”,进入界面再选择“通用”,接着再选择“软件更新”,跳转页面后点击“自动更新”将“软件自动更新关闭”,可以节省电量,返回到通用界面,点击下方的“后台应用刷新”进入界面再点击“后台应用。
- 手不释卷这个成语是什么意思(手不释卷的含义)
- 2024-11-08手不释卷的含义“手不释卷”的原义是手中总是拿著书卷,比喻勤奋好学;在句子中可充当谓语、宾语、状语;含褒义成语寓意一个人的成才,环境、机遇、天赋等因素固然重要,但更重要的还是坚持不懈地努力学习勤奋好学的人,哪怕外在因。
- 黄鼬有几个本领(体长不到30厘米的伶鼬)
- 2024-11-08体长不到30厘米的伶鼬第一次看到伶鼬的英文名时,立马就对这种小动物产生了兴趣,因为俩单词简单又直接地反映出了伶鼬最标志性的特征——小伶鼬(LeastWeasel),weasel是鼬,least则是little(小的)最高级。
- 湖南电视台主持人汪涵近况(汪涵或离职芒果台)
- 2024-11-08汪涵或离职芒果台汪涵或离职芒果台3月3日,湖南台总编室推广部主任就汪涵或离职芒果台一事汤集安发文,否认汪涵离开芒果卫视,“那些想借机炒作、说涵哥离开的谣言先歇歇吧!”汪涵何炅3月1日,有消息称,东方卫视以高薪高职的代。
- 学西点烘焙培训在哪里学(学西点多长时间的课程比较好)
- 2024-11-08学西点多长时间的课程比较好首先,作为西点蛋糕培训学校的一名专业老师,我想说的是,学3-6个月的班是最适合的,市面上的产品基本上都有了解和掌握,学完后可以就业,学可创业,如果要创业通常我们建议学员学完后到门店实习一段时间,看看人。