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史诗:氟化学发展之路
发布时间:2017-03-22 11:46:19 | 浏览次数:


“氟夺走了我十年生命”——亨利·莫瓦桑

“Davy, Gay-Lussac, Thénard, and the Irish chemists Thomas and George Knoxwere injured. Belgian chemist Paulin Louyet and French chemist Jérôme Nicklès died. Moissan also experienced serious hydrogen fluoridepoisoning”——维基百科


氟是元素周期表中最活泼的非金属元素,氧化能力很强

在常温下,它几乎可以和所有元素反应,生成氟化物

说,“真金不怕火炼”

然而黄金在氟气的面前也只能灰飞烟灭


高中时的熟悉的化学周期表


氟还有很强的毒性,它可以穿过皮肤渗入骨骼生成氟化钙

被氟气熏过的植物会立即枯萎死亡,人类生活中自来水氟含量稍高就很会让人变成氟斑牙

因其如此高的活泼性和剧毒性

在化学元素史上氟元素的发现,堪称是参加人数最多、工作难度最大、且危险系数最高的课题


氟斑牙儿童


为了征服它,科学家们前赴后继,死的死伤的伤,可谓化学史上极其悲壮的一页

所以那时候氟元素得到了“死亡元素”这一令人生畏的称号


其实早在古代,人们就已经会利用氟化物来进行生产

在那个人们对化学知之甚少的年代,人们就已经学会把萤石(氟化钙)与硫酸混合产生的气体(氟化氢)来腐蚀雕刻玻璃



萤石(Fluorite),又称氟石,其主要成分是氟化钙(CaF2)


在1771年化学家舍勒发现无论用萤石和硫酸、硝酸还是磷酸反应都能制得氟化氢

它的性质和盐酸很像,但它对玻璃的腐蚀性非常强

然而这种有着剧毒性的气体直接使他中毒,卧床几天起不来


舍勒


那时候拉瓦锡观点是凡是酸都是含氧的,他认为氟化氢和盐酸一样都是含氧型酸

直到1809年戴维证明了盐酸中氯的酸根是氢而不是氧,才修正了拉瓦锡“酸必须含氧”的观点

而氟化氢与盐酸的性质相似,于是在1813年戴维便开始尝试用电解氟化物的方法来制取单质氟

那时候无论他用金还是铂做容器都会被腐蚀,而且在电极上永远只能得到氢气和氧气

他也因长期与氟作伴而身患重症,不得不终止这项实验

 

汉弗莱·戴维


1836年,爱尔兰的诺斯克兄弟用氯气和氟化汞,企图制取单质氟

他们把金箔放在接收瓶口,很快金箔都变成了氟化金

可见他们已经制得了氟但是却没有办法收集

然而在实验中,兄弟两人都身中剧毒

弟弟失去工作能力,而哥哥直接死亡

 

拉瓦锡


在后来比利时的鲁叶特、法国的尼克雷都和诺斯克一样

在进行了长期的氟研究之后中毒太深而献出了宝贵的生命

... 

从戴维证明氟元素存在的1809年,向氟进军的科学大队便前赴后继地奋斗着

他们都是现世的普罗米修斯,无论经历多少苦难,都要盗取火种给人类带来温暖与光明


亨利·莫瓦桑


在经过了七十多年前赴后继的奋战,终于有一人降服了这让人闻风丧胆的“死亡元素”

1886年,莫瓦桑总结了前人许多宝贵的经验与教训

第一次获得了单质氟,结束了化学界被“死亡元素”支配的恐惧

1852年亨利·莫瓦桑出生于一个贫困的铁路工人家

中学还没毕业的他就到药店去当学徒,帮补家计

然而也就是在药店,他才有机会系统地学习了许多化学知识

后来,对化学有极大兴趣和追求的他成为了费雷米教授的实验室助手


那时候费雷米教授也正是研究氟的化学家之一

莫瓦桑在他的门下更是学到了许多关于氟的知识

从1846起,费雷米就将熔化的氟化钙、氟化钾用铂作为电极进行电解

他在阳极观察到有气体放出,这分明就是苦苦追寻多年的氟气啊!

然而,和前人一样氟气马上就与铂电极发生了反应,完全无法收集

 


莫瓦桑在做实验


年轻的莫瓦桑想着这制备氟单质路上倒下的化学家

他不但没有惧怕,更是下了极大的决心要攻克这一难题


莫瓦桑花了大量时间去查阅资料,几乎翻遍了有关氟极其化合物的文献




因为磷和氧之间有极大的亲和性

莫瓦桑猜想如果用氟化磷与氧气发生反应能不能得到氟气单质呢

然而,事情永远没有那么简单,实验得到的只有三氟氧化磷(POF3)

后来他又改用电解氟化磷也没有成功,而当时非常宝贵的铂(白金)电极也一块块被腐蚀掉




在第一次尝试之后,莫瓦桑又做了一连串的实验,均没有达到想要的效果

于是他就想,之前做的实验都是在温度较高的环境下进行的

而氟又是如此活泼的元素,温度高活泼性就更大了

就算得到了游离的氟气,它也马上和其他随便一种物质反应掉了啊

因此,莫瓦桑决定采用低温电解的方法

他为此专门设计了一套抑制氟剧烈反应的低温控制实验仪器


之后便是挑选合适电解的氟化物

他首先看中的是一种有剧毒性的毒物氟化砷

氟化砷在室温和较低温时就呈液体状,很适合用来低温电解

因为氟化砷是不导电的,莫瓦桑加入了少量氟化钾以便于电离


As2o3(三氧化二砷)俗称砒霜,属无臭无味的白色粉末,高毒,为致癌物


在通电前期,电极上确实有小气泡产生

但是不到几分钟,气泡便消失了,原来阴极表面上覆盖了一层被电解出来的厚厚的砷

砷把电极隔绝,电不通,自然无法制取氟单质

但是他还是不死心,气泡(氟气)明明产生了,只要把它捕获就行了

然而在多次实验后,效果仍然不尽人意

而且在氟化砷的电离实验中,他就因为四次中毒晕倒而不得不中断实验

他的妻子多次劝他不要再做这些这么危险的实验了

但对氟异样执着的莫瓦桑也只是摇摇头表示拒绝



之后的他放弃了氟化砷,转战氟化氢

他用蒸馏氟氢酸钾(KHF2)的方法得到无水氟化氢液体

在电解氟化氢过程中,他只在阴极上发现大量氢气泡,本该产生氟气的阳极却完全没有反应

正当莫瓦桑有点心灰意冷,甚至开始怀疑人生的时候

一种让他仿佛获得新生命的现象出现了

他拔掉阳极的U型管,惊喜地发现塞子上竟覆盖着厚厚一层白色的粉末

塞子分明是氟腐蚀的啊!

氟已经被分解出来了,只是与玻璃塞子发生了反应而已

只要把装置上的玻璃零件都换成不能与氟发生反应的材料,氟就会被他降服


莫瓦桑纪念碑,坐落于莫瓦桑的出生的小镇(已改名为莫城)


萤石不与氟发生反应,于是莫瓦桑花了四天的时间,将萤石磨成可以用的U型管和各种零件

换上萤石装置,他重新实验

当他向阳极产生的气体中伸入一根硅条时,硅条马上燃烧了起来

就这样,莫瓦桑把夺走了许多科学家宝贵性命的“死亡元素”驯服

那一年是1886年,莫瓦桑才刚满34岁

氟这匹猛兽被莫瓦桑驯服后,就开始服服帖帖地为人类服务

从日常生活用品、农药、医疗乃至航天,氟都表现出了他的非凡作用

如可防蛀牙的含氟牙膏、液态氟可作火箭燃料的氧化剂

在病人需要全身换血时,全氟醚类化合物可以暂时替代病人体内的血液起运送氧气的作用


2006年,莫瓦桑获得诺贝尔化学奖100周年之际,法国发行的纪念邮票


为了表彰莫瓦桑在氟研究上的突出贡献,法国科学院给他发了一万法郎的奖金

莫瓦桑首先用这笔钱偿还了之前实验欠下来的费用

然后把剩下的钱建了一所私人实验室来继续进行各种研究

在那里他制出了许多新的氟化物

如最让人注目的四氟代甲烷(CF4),其沸点很低,适应做制冷剂,这也就是最早的氟利昂



莫瓦桑与他的“莫氏电炉”


他还将自己的研究成果写成了《氟及其化合物》一书,这本著作奠定了之后关于氟研究的基础

在之后他还发明了一种以他名字命名的电炉——莫氏电炉

这种电炉的温度最高可达3500°,直接开辟了高温下化学反应的大门

他还用这种电炉制出了铀、钨丝、钒、钛等十几种金属

 


诺贝尔奖状及莫瓦桑用过的实验装置


诺贝尔基金会为表彰他在制氟的成就,授予了他1906年的诺贝尔化学奖,从此他成为了第一个获得诺贝尔奖的法国人

然而刚拿到诺奖的第二年,年仅55岁的莫瓦桑就早早地与世长辞

因为长年与氟等有毒元素周旋,身体受到了极大的摧残

晚年的他因为氟骨病,生活几乎不能自理

他也多次跟朋友说过,氟至少夺走了十多年的性命

 


在氟元素发现的这一悲壮史诗中,他们又何尝不知道其中的危险呢

不塞不流

不止不行

在人类的发展史中,这种大无畏的精神比任何一项成果都要显得金光闪闪

就像马克思说过的一句话:“在科学的道路上没有平坦的大道,只有不畏艰险沿着陡峭山路向上攀登的人,才有希望达到光辉的顶点”

 
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