一根火柴裡居然蘊藏着如此豐富的化學
本文發表于《高中數理化》，也是即将由山東科技出版社出版的《用原子的眼睛看世界——中學化學關鍵知識解讀》中的一篇。
磷元素，在當下的教科書裡不怎麼提及。但這并不說明它在生活中不出現、不重要，更不能說明考題裡不會出。
1. 紅磷不易溶于水，為什麼長期放置時會變為粘稠的糊狀物？
磷的單質都不易溶于水，但它們都非常易被氧化為易溶于水的氧化物，如P4O6、P4O10等，這些氧化物都容易跟水反應：
P4O6 + H2O= 4H3PO3（亞磷酸）
P4O10 + 2H2O(冷) = 4HPO3（偏磷酸）
P4O10 + 6H2O(冷) = 4H3PO4（磷酸）
所得産物H3PO3、HPO3、H3PO4等都具有極強的吸水性。
白磷的氧化非常迅速，把它暴露在空氣中的話，很容易因氧化積累熱量導緻自燃（故實驗室裡少量的白磷都是保存在冷水中）；紅磷比白磷化學性質略穩定一些，但若長期跟空氣接觸，其表面也易氧化為氧化物，因該氧化過程不是非常迅速，氧化過程中産生的熱量會散失到周圍空氣裡去，所以紅磷一般不會自燃，而是表面氧化産物跟水化合形成的各種含氧酸吸水潮解，形成溶液。
由上可知，要想把已經“潮濕”的紅磷變幹燥，可以用水洗滌後過濾，再在短時間内把紅磷表面的水分吹幹。
跟紅磷在空氣中的氧化一樣，保存在冷水中的白磷也易被水中的溶氧氧化為含氧酸，故長期保存白磷的水呈酸性，滴入石蕊溶液時會變紅。
2. 紅磷的升華是物理變化還是化學變化？
把紅磷隔絕空氣加熱到416℃，它就會升華變為磷的蒸氣，該蒸氣（分子式P4）凝結後得到的固體不再是紅磷本身，而是白磷。同素異形體之間的轉化屬于化學變化，所以紅磷升華跟一般我們所說的升華不同，它屬于化學變化。紅磷升華過程中的微觀變化可以用下圖示意：
3. 白磷和紅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，要獲得磷的單質，必須采用還原的策略。工業上首先用焦炭高溫還原磷礦石粉末獲得白磷：
2Ca3(PO4)2+ 10 C + 6SiO2高溫P4↑ + 10CO↑ + 6CaSiO3
把從反應器中逸出的蒸氣通入冷水冷凝，即可獲得固态白磷。
由于白磷太過活潑，除了軍事上用作煙幕彈、燃燒彈，少量用于制造高純度磷酸外，并無特别多的用途，所以一般把它隔絕空氣加熱到260℃，使它慢慢轉化為用途更廣泛的紅磷。
紅磷因為性質相對穩定，大量用作制造安全火柴、發令槍火藥等。
4. 為什麼生産高純度的磷酸要用白磷為原料？
工業上生産磷酸的主要方法是用磷礦石或磷灰石跟濃硫酸反應：
Ca3(PO4)2+ 3H2SO4 = 3CaSO4 + 2H3PO4
Ca5(PO4)3F+ 5H2SO4 = 5CaSO4 + 3H3PO4+ HF↑
把礦石粉碎後跟濃硫酸混合攪拌，待其充分反應後濾除CaSO4即得粗磷酸，此磷酸可直接應用于磷肥[主要是指重過磷酸鈣Ca(H2PO4)2]的生産。此法制造的磷酸中不可避免地混有來自礦石的一些可溶性雜質，提純比較困難。
如何獲得高純度的磷酸呢？人們想到了磷單質比較容易通過蒸餾或升華法提純的性質——通過提純白磷，再利用白磷在純氧中燃燒的辦法獲取高純度P4O10，用此高純度P4O10 跟熱水作用，就可以獲得高純度磷酸了。這一生産思路跟工業上通過“粗矽氯化→SiHCl3分餾提純→高純度SiHCl3 高純氫還原→高純矽”途徑獲得高純度矽單質非常相似。
5. 為什麼使用紅磷制造的火柴叫安全火柴？其工作原理是怎樣的？
在安全火柴出現之前，人們已經在制造随身攜帶的火種方面進行了無數次的嘗試了。如中國早在南北朝時期，就有将硫磺沾在小木棒上，借助于火種或火刀、火石，方便地引燃木條的記錄，這種沾有硫磺的木條可視為最原始的火柴；歐洲的古羅馬時期，大街上也有出售類似引火物的；17世紀後期，歐洲科學家提煉出了白磷，人們利用白磷極易在空氣中自燃這一特性，在小木棒一端沾上硫磺，然後再沾白磷而引火；19世紀早期，歐洲人還發明了将氯酸鉀和糖用樹膠粘在小木棒上，使用時沾上濃硫酸而發火的“分體式火柴”。顯然，這些“火柴”都比現在的安全火柴複雜難用，不易推廣。
後來，人們開發了直接把黃磷固定在小木條一端，使用時不管在什麼物體上一劃即可發火的火柴，但是由于白磷劇毒且極易自燃，這種火柴的保存是很大的問題。
那時火柴都是按根單獨包裝、出售的。雖然相對于上述各種“火柴”使用方便一些了，但還不屬于安全火柴。
19世紀中葉，科學家研制出性質相對穩定且無毒的紅磷。1855年，瑞典科學家J.E.倫德斯特倫将氯酸鉀和硫磺等混合物粘在小木條一端，而将紅磷塗在包裝盒外面，使用時将火柴頭在磷層上輕輕擦劃，即能發火，制作出了第一根現代的“安全火柴”。
由于把氧化劑和還原劑分開保存，大大增強了生産和使用中的安全性，稱之為“安全火柴”。
小小的一根火柴，其中蘊含着非常多的化學知識。目前廣泛使用的安全火柴，仍由火柴頭、火柴皮兩部分構成。
火柴皮側面一般塗有紅磷、玻璃粉（增大摩擦力）和黏合劑（增強附着力）組成的混合物。火柴杆則事先浸入硼砂（Na2B4O7×10H2O）或磷酸铵[(NH4)3PO4]的溶液中處理後幹燥，以控制其燃燒速度，增加安全性；再在将要做火柴頭的部位蘸一些石蠟油，然後将其浸入黏合劑、上色劑、可燃物（主要是硫與Sb2S3）和氧化劑（主要是KClO3、MnO2等）的混合物中、取出幹燥。
在劃火柴時，摩擦産生的熱量首先使擦下的極微量紅磷燃燒，所以火柴擦燃的瞬間我們會看到一股白煙（P4O10）；繼而依次引燃火柴頭上的硫和三硫化二銻等易燃物、石蠟、火柴杆，這些可燃物的着火點是依次升高的，該過程中會聞到SO2的刺激性氣味；氯酸鉀（MnO2催化下）的作用是分解放出氧氣，幫助燃燒。
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