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杂说生活中的磷 精选

已有 4251 次阅读 2022-4-14 08:33 |个人分类:科学与生活|系统分类:科普集锦

杂说生活中的磷

小时候听鬼故事,听到在伸手不见五指的乱坟岗里,“鬼火”一闪一闪的,很有些吓势势。以后,看书知道了,那乱坟岗上的鬼火是尸体分解出的含磷化合物如磷化氢等自燃的结果(当然也有其他的解释)。磷是生物体中最重要的组成元素之一,生物体降解确实可能会生成磷化氢等含磷的化合物。

磷的拉丁文名称Phosphorum是“冷光”的意思。汉字原有粦字,《说文解字》:“粦,鬼火也”,后来写为燐。前人用以意译Phosphorum,并依固体非金属元素名称为石字旁之例写为磷,是很少的几个意译的元素之一。

磷元素约占人体质量的1.1%,仅次于氧、碳、氢、氮和钙。

骨头是人体中磷元素最多的组织,大概占人体含磷元素的80%。其次是牙齿,大概5%多一点。骨头和牙齿都是很硬的,它们为什么那么坚硬呢?从化学成分上说,它们的主要是由钙和磷组成的磷酸钙,其结构类似于磷灰石。正二价的钙离子与负三价的磷酸根离子之间有很强的吸引力,所以磷酸钙非常稳定。这使得骨头和牙齿都非常坚硬,我们的一副牙齿是要用几十年的。即使人或动物去世以后多少年,最后剩下的还是骨头和牙齿。

像磷灰石一样的骨头并不溶于水,也正是这个原因,煮个吧小时甚至几个小时的骨头汤里面并没有多少钙离子,因为磷酸根把钙离子“抓”得太牢固了,水无法把钙离子分离出来。笨想也是,人的骨头成天“泡”在血液里,如果水就能够把钙离子泡出来,那人还活不活?所以,想靠喝骨头汤补钙是没有希望的。

当然,酸还是能够对骨头或牙齿起作用的,但也不是有一点酸味如加一点醋就能够有多少立竿见影的效果。当然,如果人们不很好刷牙,经常把一些糖类化合物留在牙齿边上,由于微生物的作用,糖类发酵生成酸,成年累月,日久天长,对牙齿还是会起腐蚀作用的。

人的组织是由细胞构成的,而细胞膜的主要成分就是磷脂。中学化学告诉我们,酸与醇(也就是含羟基的化合物)形成酯。磷脂就是磷酸与某些有机化合物中的羟基形成的酯。例如,假如甘油上面的三个羟基,两个与脂肪酸成酯,一个与磷酸成酯,这就是甘油磷脂。磷脂与许多其他的酯类化合物一样,往往一头是长的碳链,另一头则含有磷。碳链的一头可以与油亲近而排斥水,而含磷的那一头则与水亲近。这就是所谓两性的分子。我们所使用的肥皂、洗涤剂中的有效成分都是两性分子,也就是所谓表面活性剂。它们一头亲油一头亲水,可以把织物上的油污分散进到水中,从而把织物清洗干净。

有的磷脂,能够整整齐齐排列起来,亲水的靠在一起,亲油的(往往称疏水的)靠在一起,形成一层膜。两层这样的膜紧紧地靠在一起。每一层膜中间又夹杂着蛋白质、糖脂、胆固醇等,就形成了细胞膜。磷脂是细胞膜的主要组分。所以,磷元素存在于我们身上的每一个细胞中。

当然,磷脂的作用绝不仅仅是做细胞膜。它们的功能很多。在脑细胞、卵细胞中,磷脂都是最重要的成分。

DNA如今是家喻户晓人人皆知的词汇了。随着这两年新冠疫情的泛滥,RNA这个词汇也被人们常常提及。DNA就是脱氧核糖核酸,RNA就是核糖核酸,这是两类最重要的核酸。它们都是生物体的最重要的遗传物质。我们现在差不多天天挂在嘴上的查核酸就是查新冠病毒的遗传物质也就是它们的核酸。当然,不仅仅是新冠病毒,所有的生物和病毒都有它们各自的核酸,也就是DNA和RNA。这是每一种生物和病毒各自的“身份证”。所以,查核酸被认为是人们感染新冠病毒与否的“金标准”。查人的核酸也是检验人与人之间亲缘关系的金标准。

核酸是一种大分子,即高聚物。它的单体叫做核苷酸。核苷酸由三种组分组成:戊糖(含有五个碳原子的糖)、碱基(嘌呤和嘧啶)以及磷酸。磷酸与戊糖上的羟基形成磷酸酯。这样,磷元素也就是核酸的一个不可缺少的组成元素。

所有的生物体都处在不断的新陈代谢过程中,也就是说,它们每时每刻都在进行着化学反应。大家知道,化学反应总是伴随着能量的变化,一般来说,化学反应中,反应物通常需要具有一定的能量,才能够越过反应势垒,生成产物。对于放能反应,反应放出的能量往往可以供给反应物所需要到能量,但是对于吸能反应,则需要外界提供额外的能量,例如对体系加热。

对于生物体来说,一般不可能通过外界加热这种办法提供化学反应所需要的能量。但是,生物体内总是“自带”着可以提供化学反应所需能量的物质,这类物质也是磷脂。最重要的可以提供能量的物质是三磷酸腺苷(ATP)。当体系需要能量时,三磷酸腺苷(ATP)就能够水解,放出一个磷酸分子,生成二磷酸腺苷(ADP),并放出能量。这是所有生物体内提供化学反应能量的最重要物质。

如果体系有了能量的盈余,例如化学反应放出能量时,体内的二磷酸腺苷(ADP)又能够与磷酸发生化学反应,生成ATP而吸收掉这些能量。也就是说,生物体可以把能量储存在ATP内。

植物在受到光的照射时,就把ADP变成ATP,也就是把光能储存在ATP内,然后把ATP运输到将二氧化碳转化为三个碳原子的磷酸甘油酸那里,或把磷酸甘油酸进一步合成为葡萄糖的反应那里,提供转化反应所需要的能量。这是光合作用最重要的能量转化途径。

植物的生长代谢的各种过程都需要大量的磷元素,所以,在种植农作物时,往往需要施用磷肥。我国的很多土壤中磷元素的含量不足,所以每年磷肥的需求量很大。但是,有时候过量施用磷肥或者施用不当也容易引起水体污染,使得河流、湖泊中磷元素超标,许多藻类和水草疯长。

水体中磷元素超标的另一个重要原因是洗涤剂中含有的磷元素。洗涤剂的主要成分是表面活性剂,但是把织物上的油污分散进水里之后,在洗涤过程中也有可能又沾污在织物上,因此一般合成洗涤剂里要加入助洗剂去吸收这些分散了的污物。含磷的助洗剂有很好的去污作用,过去的一个时期,人们往往在洗涤剂中添加大量的含磷助洗剂。但是,洗涤过程并没有消耗这些磷元素,洗涤废水流入河流湖泊后,就像给藻类、水草施用了大量磷肥。这会引起藻类、水草的疯长,这些藻类和水草死亡后,大量的有机物分解,消耗水里的氧气,还又更加增加了水体中的氮、磷元素,如此循环,就会使水体严重富营养化,缺少氧气,发臭,鱼类死亡。大量动植物的尸体沉如水底,使得湖泊变浅,最后沼泽化,湖泊消失。所以,现在实行合成洗涤剂的无磷化,对于保护环境,保护水资源,保护河流特别是湖泊,有特别重要的意义。

磷是人体的必要元素,需要从食物中补充。联合国粮农组织和世界卫生组织建议,成人每日的磷摄入量为700 毫克。青少年为1250 毫克。由于食物(谷物、肉类、蛋类、蔬菜、水果等)都含有磷,所以,正常的人只要正常饮食,能够从饮食中得到足够的能量和蛋白质等营养,一般不必另外补充磷的制剂。

磷酸是含磷的重要无机化合物,具有酸性,溶于水中有酸味。在有些甜饮料中放入适量的磷酸可以使得味道更加香甜可口,在可乐中就添加有磷酸。

淀粉磷酸酯是淀粉中的羟基与磷酸根发生酯化反应而形成的,是一种变性淀粉。淀粉磷酸酯的黏度、透明度及冻融稳定性等性质都比淀粉大大提高,我们在许多食品的成分表中都可以找到它。例如,把它加入冰激凌中,可以使冰激凌口感细腻。把它加入酸奶中,可以使得酸奶显得黏稠而口味更好。把它加入面包、馒头,可以使得成品成型更加挺括漂亮。加入面条、方便面使得面条更加经嚼、滑爽。用以处理肉类,可以更多地锁住水分,使得肉质鲜嫩。

大家都知道味精的成分是谷氨酸钠,但是在谷氨酸钠中加入极少量的肌苷酸二钠和鸟苷酸二钠就可以极大地提高味精的鲜度,被称之为特鲜味精。肌苷酸二钠和鸟苷酸二钠就是两种核苷酸的钠盐,也可以看作是磷酸盐的衍生物,往往被称为呈味核苷酸钠。呈味核苷酸钠过去只能在肉类中提取,价格昂贵,难以应用,现在可以通过微生物发酵实现工业化生产,因而广泛应用于食品工业。

说了这么多吃的,还要说一点有毒的。这有毒的就是杀虫剂,用以杀死与人类争夺食物或传播疾病危害人类的害虫。在我国五六十年代的杀虫剂是有机氯杀虫剂,如六六六,DDT等。这些杀虫剂高效,能够很好的杀虫。但是它们太过长效,残留物不易分解,从而影响环境,破坏生物多样性,因而被淘汰。到七八十年代以后,我国多用有机磷杀虫剂,如敌百虫、敌敌畏、乐果、马拉硫磷、对硫磷等等。它的主要毒性来自抑制动物体内乙酰胆碱酯酶而引起的神经毒性。大多数有机磷杀虫剂的毒性很大,杀死害虫高效,而且大多数都容易分解,因而对于环境比较友好。但是,它们对人畜都有较强的毒性,这是它的主要缺点。

我记得七十年代以前,各地家庭、学校、公共场的座椅、床铺等处的臭虫都很猖狂,人们被咬的叫苦不迭,到处有掐死臭虫留下的血迹。自从八十年代有机磷杀虫剂出现后,臭虫就很少见到了。

到现在有机磷杀虫剂仍然是一类很重要的杀虫剂,不过,人们还是要特别警惕,注意杀虫剂的适用范围,不能把较长效的杀虫剂施用于果树、蔬菜上。






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