白磷（左）、红磷（中）和黑磷（右）的形态及分子结构图源：Wikipedia
白磷是一种白色或浅黄色半透明态的固体，分子式为P4，其中四个磷原子通过六根P-P键形成正四面体结构。分子结构具有很强的张力，导致白磷的反应活性很高，在室温下就可以与空气中的氧气反应，并发出冷光。
白磷十分易燃，着火点只有大约40 ℃，在受到摩擦、撞击或氧化时都有可能导致局部温度达到着火点，从而引发“自燃”。人们将白磷、硫和树胶等混合物涂裹在小木头棒上，只要在粗糙的物体表面进行摩擦后即可生火，这便是最初的火柴。但这种火柴有两个显著缺点：一是白磷对人体有剧毒；二是太过易燃导致使用起来不够安全。
1845年，奥地利化学家施勒特尔(Anton Schrötter von Kristelli)发现了磷的第二种同素异形体——红磷。红磷中多数磷原子为链状排布，活性比白磷低，室温下不会和空气中的氧发生反应，也就不会发光或者自燃。
红磷的着火点约为240 ℃，比白磷高出许多，再加上红磷基本无毒，人们开始用红磷替代白磷制作更为安全的火柴。现代的火柴，一般将红磷涂在火柴盒侧面，当火柴头上的氯酸钾等易燃物质在火柴盒两侧摩擦时，就因接触红磷并发热而点燃。在打火机问世之前，红磷制成的火柴是人们日常取火的主要手段。
含有红磷的火柴盒。图源:Wikipedia
至于磷的另一种同素异形体黑磷，可通过白磷或红磷在高温高压作用下转化而成。它的反应活性更低，表面具有类似黑色金属的光泽。虽然磷本身是非金属元素，但黑鳞由于特殊的原子层状排列方式却可以传导电流，能够制作成半导体材料。而且，用类似从石墨中获取石墨烯的方法，从黑磷中也可以得到黑磷烯纳米片。伴随着近年来人们对半导体和二维材料的日渐重视，黑磷这种不易燃不发光、几十年前还鲜有人知的磷单质， 如今已成为材料科学中一颗冉冉升起的新星。
黑磷烯具有很高的比表面积和优异的光电特性，但致命的缺陷是稳定性差。当接触水和氧气时，黑磷片层极易被氧化分解。近年来，国内一些研究团队在高稳定性黑磷的制备方面取得了突破，预计可有效推动黑磷在能源、催化和生物医学等领域的广泛应用。
（a）黑磷的外观带有金属光泽（图源：参考文献4 ）；（b）在扫描电镜下，黑磷具有的纳米 层状结构 （图源：参考文献5）
生命的必需元素
磷首次发现于人的体液，磷也与我们的生命活动息息相关。
人体内，磷大约占体重的十分之一，其中80%是与钙结合、以磷酸盐形式支撑着我们的坚硬骨骼和牙齿。其余的磷与蛋白质、脂肪、糖等结合形成有机物，在细胞膜发育、能量交换以及很多关键的生理过程中发挥着重要作用。
特别是，当磷酸盐形成两个酯键时，就会构成磷酸二酯键，而磷酸二酯键是核酸骨架的重要组成部分。从复杂的人体到微小的病毒，已知的所有生命形式都离不开核酸，因为核酸负责着生物体遗传信息的携带和传递。
自然最终选择磷及磷酸二酯键构成遗传物质的骨架是有原因的。了解有机化学的读者都知道，酯类通常并不是一种非常稳定的功能团，在中性水溶液中，普通的碳酸酯(例如乙酸乙酯)最多只能稳定数月。而一个遗传基因片段中就含有几千个磷酸二酯键，如果它们经常发生断裂水解，生命将不太可能稳定存在。
脱氧核糖核酸（DNA）的化学分子结构。图源：Wikipedia
然而，磷酸二酯键具有非常特殊的结构，它在生理pH值条件下可以带有负电荷，由于同种电荷之间的相互排斥，溶液中带负电的亲核基团（Nu）就难以进攻磷酯键，从而大大提高了结构的稳定性。在不太苛刻的自然条件下，脱氧核糖核酸（DNA）可以保存近百年。如果将其小心冷冻起来，更是可以存放千年之久。
更重要的是，磷酸二酯键的稳定是相对的。在适当条件下，带正电的金属离子或多胺化合物可以中和负电，这时磷酯键可以被亲核试剂轻易打开，完成生命生长和繁衍所必须的各种化学反应。
