为了炼金,他煮了60桶尿,却意外发现了新元素

作者: admin 分类: 娱乐 发布时间: 2019-10-23 19:15

 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)。

为了炼金,他煮了60桶尿,却意外发现了新元素

磷元素发现者Hennig Brand正在煮尿(图片来源:Wikipedia)

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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△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。

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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.

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