“鬼火”之谜——磷

“鬼火”现象

很多人都听说过“鬼火”或看到过“鬼火”，神秘而又可怕。它大多出现在夜晚的坟地周边，白色带蓝绿色，跳跃式移动，往往会如影随形地跟着你，你走它也走，你停它也停，甚是恐怖，旧时人们认为“鬼火”是鬼所点的火，或是人死后游荡的灵魂。据研究，人的骨骼中含有大量磷，人死后躯体埋藏在地下腐烂，骨骼中的磷由磷酸根状态转化为磷化氢。磷化氢是燃点很低，它沿着地下裂缝或孔洞分散到空气中便会燃烧，发出蓝光。由于磷火很轻，有人经过时带动的空气流足以让它飘动，甚至会随着人来回移动，产生“鬼火追人”的现象。“鬼火”其实是“磷”搞的鬼。

磷的性质及赋存状态

磷（P）是常见的非金属元素，主要存在于地幔基性岩浆中，平均丰度值为7×10^-6。单质磷以多种形式存在，即白磷（黄磷）、红磷（赤磷）、黑磷及紫磷等。自然界中含磷矿物大约有120多种，常见矿物约60种。工业上，提取磷的主要含磷矿物为磷灰石（含自然界中95%±磷元素），其次为硫磷铝锶石、鸟粪石和蓝铁矿等。

图1 磷多种形式间的相互转换（图片来源：百度百科）

图2 磷矿手标本（图片来源：中化地质矿山总局地质研究院）

图3 磷矿显微镜下照片（图片来源：中化地质矿山总局地质研究院）

表1  同质异形单质磷的物理化学特征

“磷”元素的发现:从尿液中提取

1669年，磷由德国汉堡商人亨尼格·波兰特（Hennig Brand）首次发现，他一直痴迷于炼金术，坚定地认为人体排出的尿液和黄金同色，是可以用来提炼黄金的，当他强热蒸发尿液时，获得了一种如白蜡般的物质。这种物质散发绿光，但不发热，也不会引起其他物质燃烧，波兰特命名它为“冷光”（Phosphorus），这就是大家现在所熟知的白磷。英国化学家罗伯特·波义耳（Robert Boyle）又通过一系列科学试验，从人体尿液提炼出大量的磷，并将其以商品的形式销往欧洲。1680年，波义耳用磷点燃了带有硫磺的木棒，从此叩开了现代火柴的大门。

图4 寻找贤者之石的炼金术士发现了磷（图片来源：东方新闻）

图5 英国化学家罗伯特·波义耳（图片来源：百度百科）

生活中磷的主要用途

磷矿是一种不可再生性的非金属矿产资源，广泛应用于农业、化工、医药、食品、轻工、建材、国防等领域，并在我国磷化工和生产粮食安全中占据不可或缺的位置。我国磷矿丰而不富，资源储量虽居全球第二位，但仅占总储量5%左右，且以低品位磷矿居多。我国磷矿石中77%左右被用作生产磷肥，磷肥产业的快速发展使我国磷肥生产和消费稳居全球前列，其次用于生产黄磷、红磷、磷酸、磷化合物及其他磷酸盐类产品。近年来，磷矿资源在新兴产业中也崭露头角，主要用作新能源电池材料和光伏材料，新能源电池材料有磷酸铁锂和六氟磷酸锂，光伏材料有磷烷产品。虽然我国传统磷酸盐产品产量居世界首位，但高新科技磷化工产品与发达国家相比存在差距，很多精细磷化工产品、专用磷化工产品有待开发、生产和应用。

图6 磷的产业链示意图

（资料来源：我国磷矿资源2020～2030年保障程度论证报告）

表2 磷化工主要用途一览表

磷对动植物的作用

磷在生物界中是极其重要的，它是人体遗传物质核酸和能量转换物质三磷酸腺苷（ATP）的重要组分，同时也是牙齿和骨骼的必要成分，成年人体内含磷约600~700g，其中85%分布于骨骼和牙齿中，15%分布于软组织和体液中。磷主要参与调节人体酸碱平衡，促进葡萄糖、蛋白质和脂肪的代谢，能使心脏有规律地跳动，维持肾脏正常机能，并传达神经刺激。成年人每天需从食物中摄取0.7g的磷，而青少年则需摄取1g。人体由于膳食结构，很少出现缺磷的现象，但也存在一些特殊情况，比如母乳喂养的早产儿，因母乳中磷含量较低，无法满足婴儿骨磷沉积，会引起磷缺乏导致佝偻病。人体因缺磷出现的症状还有厌食、贫血、肌无力、骨痛、骨软化，对传染病的易感性增加、感觉异常共济失调、精神错乱甚至死亡。磷的摄入量过多，就会结成不溶于水的磷酸钙排出体外，导致钙的流失。如果摄入过多，可能导致慢性中毒，肾功能降低，严重者会导致肾衰竭。在日常饮食中多食用一些高磷食物，就完全满足人体对磷的需求。此外，人体缺钙时，也会导致缺磷，在补钙的同时应补充高磷食物。

植物生长过程中，磷同样发挥着关键作用。磷直接影响着作物种子的成熟和根系的发育。磷是植物细胞原生质组分，控制着细胞的生长和增殖，并参与光合作用，影响着糖和淀粉的利用及能量的传递，大量转移到籽粒中，使植物颗粒饱满，在作物开花期间施以磷肥，往往能起到明显效果。磷还能增强作物抗旱、抗寒和抵御病虫害的能力。作物一旦缺磷，根系便不发达，分蘖少、枝条少，叶呈紫色，成熟延迟，果实小。

图7 磷在植物光合作用中的影响（图片来源：文档网）

图8 植物磷的来源（图片来源：肥料资讯）

根系不发达，枝条少

成熟延迟，果实小

图9 植物缺磷缺磷，（图片来源：百度图片）

磷循环

磷在生态圈中的循环主要分为陆地生态系统循环和海洋生态系统循环两部分。陆地生态系统循环：岩石风化向土壤提供磷质→植物通过根系从土壤中吸收磷酸盐→动物食用植物后摄取磷质→动、植物死后，残体分解，磷回归土壤。海洋生态系统循环：陆地生态中的小部分磷由于降雨等作用进入河流、湖泊中，最终归入海洋→藻类、浮游生物等捕获磷→鱼类、虾类捕食藻类、浮游生物后吸收磷→之后分为两个阶段：①人类、鸟类捕食鱼、虾后摄取磷→进入陆地生态系统循环中；②鱼、虾类死亡后下沉，残体分解，沉积为深海磷质（见图）。

图10 生态系统中的磷循环示意图

磷矿储量及开采

世界磷矿资源较多，且分布集中，主要分布在非洲、亚洲、北美等地区，其中92%分布在摩洛哥和西撒哈拉、中国、阿尔及利亚、叙利亚、南非、约旦、美国、俄罗斯等8个国家。我国磷矿资源位居世界第二位，占全球总量的5%左右，磷矿石储量为9.98亿吨，查明资源储量为231.07亿吨，广泛分布在湖北、云南、贵州、四川、湖南、山东、陕西、河北、青海、山西等27个省，但主要集中于贵州、湖北、云南和四川等四个省份，其磷矿石产能占全国磷矿石生产的98%以上。我国磷矿石品位低，P₂O₅平均为16.85%，P₂O₅>30%（富矿）的资源储量仅占总储量的6.18%，主要分布在云南、贵州和湖北三省。

我国磷矿床主要分为岩浆岩型磷矿床、变质型磷矿床、沉积型磷矿床、次生磷矿床及鸟粪型磷矿床等5种类型，其中沉积型磷矿床主要分布于云南、贵州、四川、湖北、湖南等省份，岩浆岩型磷矿床主要分布于河北、新疆、内蒙古、山东、陕西等省区，变质型磷矿床主要分布于江苏、安徽、湖北、河北、辽宁、吉林等省份。我国磷矿资源总体呈现资源丰富，分布集中；富矿少，贫矿多；难选矿多，易选矿少；矿床类型以沉积磷矿床为主；易选、具有综合利用价值的内生磷矿探明资源少；较难开采的倾斜至缓倾斜、薄矿体多，适宜于大规模开采的较少。

用储量的静态保证年限分析，在经济增长情景下，我国磷矿石需求峰值1829万吨，折标矿量为6097万吨。根据全国矿产资源储量通报，截至2015年中国磷矿基础储量33.08亿吨，但近1/3目前暂不能利用的（P₂O₅<25%），据此计算，按现有经济技术条件可供开发利用的磷矿（P₂O₅>25%）基础储量约为23.66亿吨。根据2015年全国累计生产磷矿石14203.87万吨，加上开采过程中的损失，每年消耗磷矿储量高达1.6亿吨左右，现保有储量仅可供开采14年左右，若考虑中国磷消费量在2020～2025年达到顶点，在近十年持续增长的情况，现有磷资源的动态保障年限还将显著下降。

虽然地球上的动植物体内都含有磷元素，但含量很低，目前还不能有效地对其富集利用，只能让其在自然的状态下进行循环。工业技术手段获取的磷都是经历上百万年、上千万年、甚至上亿年地质历史时期天然形成的磷矿床。我国磷矿开发利用技术已经达到了世界领先水平，磷矿选矿回收率高达89.97%，这是由于我国磷矿通常采用洗矿富集再加各种浮选流程，大大提高了磷矿的回收率（资料源：金属百科）。

作者：王成锡^[1]  王斌^[1]  梁婉娟^[1]  刘兴旺^[2]  梁中朋^[2]  王占文^[2] 

1. 中国地质调查局发展研究中心

2. 中化地质矿山总局地质研究院