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史上最(zuì)悲壯(zhuàng)的元素--氟的發現(xiàn)

文章出(chū)處:新聞資訊(xùn) 責任編輯:東莞市為易高分子材料科技有限(xiàn)公司 發表時間:2019-08-07
  

數學史(shǐ)上曾經有過無數(shù)未解難題,這些(xiē)難題曾經讓眾多數學家的腦細胞備受折磨,他們的主要武器是紙和筆。


物理學家們也遇到過難題,他們除了和數學家一樣在(zài)辦公室裏提出理論,還需要用實驗來(lái)驗證他們的(de)想法(fǎ)。但(dàn)是(shì),大多數時候,除了多費一些電以外,他們(men)也(yě)是安全的。


在曆史上,化學家們則是需要勇氣的,他們為了解決(jué)難題,為了證明自己的設想,有些時候需要將安全置之度外,甚至需要冒著生命的風險。今天我們要(yào)說的乃(nǎi)是化學史上最悲壯的一(yī)段:化學元素史上,參加人數最多(duō)、危險最大(dà)、工作最難的研(yán)究課題——氟的發現(xiàn)曆程。


△ 螢石,現代氟化工的主(zhǔ)要原料


對於危險的事情,我們可愛的舍(shě)勒同學總是衝(chōng)在第一(yī)線(xiàn)的,1771年,他聽聞之前的一些故事,將螢石和硫酸放在一起加熱,結果發現玻璃(lí)容器都被(bèi)腐蝕了,他認為(wéi)這(zhè)其中產生了一(yī)種酸性物(wù)質,他把這種酸性物質命名為“螢(yíng)石酸”。現在我們知(zhī)道了,這就是腐蝕(shí)性極強的氫氟酸!


我(wǒ)們沒有任何關於舍(shě)勒品嚐或者聞嗅(xiù)氫氟酸的記錄,但是我們(men)知道舍勒習慣(guàn)親自“品嚐”一下發現的化(huà)學元素。他曾經聞過“火焰空氣”,還嚐過劇毒的氫氰酸,我們有理由相信,舍勒同學一定會與氫氟酸進行“親密接觸”。最終我們知道,舍勒同學,44歲,卒(zú)。


△圖為瑞典化學家舍(shě)勒

法國物理(lǐ)學家、化學家安培是一個善於思考的人,他從氫氟酸的各種性質看出來(lái),這是一種和鹽酸(suān)類似的酸。1810年,他提出,氫氟酸中可能還有一種和氯相類似的新(xīn)元素,他提(tí)議將它命名為“氟”,意思(sī)是易於流動的意思。安(ān)培的想法中已(yǐ)經有了“族”的模(mó)糊概念,也是門捷(jié)列(liè)夫提出元素周期律的基礎之一。


好在安培沒有去開展(zhǎn)發現氟的實(shí)驗,所以他活到了61歲。


△圖為法國化學家安(ān)培

真正的化學家不會滿足(zú)於這種模糊的(de)認知,他們(men)最大(dà)樂趣莫過於發現了未知的事物,至於風(fēng)險和(hé)安全,他們既然已經決定(dìng)投身化學事業,就早已經將這些置(zhì)之度外。


1813年,大帥哥戴維已經利用電(diàn)流發現了幾種新元素,這(zhè)次他決定用他的利器電流來分解氟化物。一開始,他用氯化銀和鉑做容器,向氫氟酸通電,結果鉑電極都被腐蝕了。


真是個厲害東西,竟然把白金都腐蝕!“好(hǎo)吧,那我幹脆用氟化物:螢石做(zuò)容器(qì)好了!氟化物已(yǐ)經是被氧化之後(hòu)的產物,總不能繼續唄氧化了吧。”戴維想。


他(tā)重新通電,結果這次陽極收集到了氣體,戴維(wéi)一檢查,發現是老熟人:氧氣。看來電解的是水,而不是(shì)氫氟酸。


戴維還是因此而影響了健康,所幸後來(lái),戴維因為忙(máng)於其他工作而沒有繼續氟的研究(jiū),他最後活到了50歲。


△圖(tú)為英(yīng)國化學家戴維

跟戴維同時期,法國科學家蓋呂薩克和泰納(nà)也用同(tóng)樣的方法嚐試獲得氟,都(dōu)沒有成功,這兩人還(hái)因為吸入過量的氫氟酸而中毒,被迫停止了實驗。


△圖為法國化學家蓋 呂薩克

1834年,戴維的徒弟法(fǎ)拉第(dì)接過師傅的衣(yī)缽,設法揭開製取遊離氟的謎,未果。


1836年,蘇格蘭化學家諾克斯兄弟倆也向這一難題發起挑戰。他們用(yòng)幹燥的氯氣(qì)處(chù)理幹燥的氟化汞,並(bìng)用(yòng)一片金箔放在容器的頂部(bù),事實上他們確實得到(dào)了氟,依據就是頂部的金(jīn)箔已經變成了氟(fú)化金,隻是他們沒有(yǒu)想到連(lián)黃金都被製得的氟所腐蝕。更讓人唏(xī)噓的是,他們哥倆都嚴重中毒,弟弟托馬斯·諾(nuò)克斯幾乎死亡,哥哥喬治(zhì)·諾克斯被送到意大利療養了三年才恢複健康。


諾克(kè)斯兄弟之(zhī)後(hòu),比利時化學家魯耶特不避艱辛和危險,不斷重複諾克斯兄弟的(de)實驗,雖然采(cǎi)取了防毒措施力圖避免中毒,但因長期從事這項研究,最(zuì)後竟因中毒太深而獻出了寶貴的生命。不久,法國化學家尼克雷也(yě)同樣殉難。


1854年,法國化學(xué)家弗雷米電解熔融的無水(shuǐ)氟化鈣、氟化鉀和氟化銀,雖然在陰極上能(néng)析出這些金屬,陽極上也產生了(le)少量氣泡,而生成(chéng)的(de)氣體很快將鉑電極腐蝕,即使他想盡了一切(qiē)辦法,始終未能收(shōu)集到氟。他又(yòu)嚐試電解(jiě)液態無水氟化氫,同樣失敗,因為氟化氫是共價化合物,即使是液態也不電離,因此是絕緣體(tǐ)。電解(jiě)含水的氟化氫,前輩已經失敗了(le)N次,分解是水不是氟化氫。


1869年,英國化學家哥爾也用電解(jiě)法分解氟化氫,結(jié)果發生了爆炸(zhà)。原來少量的氟單質生成,與分解水生成的氫(qīng)氣化合引起爆炸。他又試驗了金、鉑、碳等(děng)多種電極(jí)材料,無一不遭到(dào)破壞。你看,氟的發現史簡直就是一部燒錢(qián)史,無數的黃金白金就這樣打了水漂,好吧,我承認我太物質了(le)。


氟的發現史上(shàng),經曆了那麽多痛(tòng)徹的失(shī)敗,大家把這種未知元素(sù)稱(chēng)為“死亡元素”,聞之色變。這(zhè)沒有(yǒu)擋住勇者的腳步,還有很多(duō)化學家明知山有虎,偏向虎山行,弗雷米的學生莫瓦桑就是其中一個。


△圖為法國化學家(jiā)莫瓦桑

莫瓦桑是一個法國鐵路工人的(de)兒(ér)子,從小家境困苦,一直到12歲,他(tā)才(cái)進入小學(xué)。雖然他的父親(qīn)沒有錢給他買書(shū)和文具,但是他特別熱(rè)愛學習(xí),每次考試都是第(dì)一名(míng)。他尤其熱愛化學,從老師那裏借來了各種(zhǒng)化學書,如饑似渴地閱讀,同時,還自己動手做(zuò)各種化學實驗。沒多久他就因為家庭困難而輟學去藥店做了學徒。


在這(zhè)期(qī)間,莫(mò)瓦桑竟然出了名。有一次,藥店裏衝進來一個人,他汗流滿麵,呼吸困難,大喊救(jiù)命:“我中了砒霜毒。”老(lǎo)藥劑師搖搖頭(tóu),表示無能(néng)為力了(le)。這時,莫瓦桑站(zhàn)了出來,他讓病(bìng)人服用了一些酒(jiǔ)石酸銻鉀和三氯化鐵,結果病(bìng)人很快就好轉,過(guò)幾天就康複了。事後,巴黎的(de)一家小報以《“起死回生”的藥店學徒》為題,報道了這件事,許多巴黎人都知道了莫瓦(wǎ)桑的名字(zì)。


當然莫(mò)瓦桑不是追(zhuī)求名利(lì)的人,他一(yī)邊做學徒,一邊自學,22歲那年,他考試(shì)通過,拿到了中學畢業證書(shū),25歲那年,又拿(ná)到了大學畢業證書,並(bìng)考上(shàng)了化學家弗雷米的研究生(shēng),這成為他一生(shēng)的轉折點。在弗雷米的實驗室裏,他貪(tān)婪(lán)的(de)學習和實(shí)驗,經常連續(xù)十幾(jǐ)小時查閱資料和做實驗,有一次竟然連續工作三(sān)十小時。在他進入弗(fú)雷米實驗室後的第二年,有一個(gè)同學拿著一個藥品的(de)瓶(píng)子告訴他:“這是(shì)氟化鉀,世界上還沒有一個人能從裏麵提取出單質氟。”“我們的(de)老師也不能嗎?”“是的,大化學家(jiā)戴維都失敗了,諾克斯、蓋呂薩克(kè)、魯耶特(tè)、尼克雷都失敗(bài)了,他們中的有一些中毒,有一些甚至送了命。”從此,“單質氟”、“死亡元素”在莫瓦桑的腦海裏不時的浮現(xiàn)出來,這已經(jīng)成為(wéi)他人生中最高遠的目標。



△莫瓦桑在實驗室(shì)

1885年(nián),莫瓦桑開始了他的人生工程。他先花了好幾個星期的時間查閱科學文獻,研究了幾乎全部有關氟(fú)及其化合物的著(zhe)作。他(tā)認為已知的方法都(dōu)不能把氟(fú)單獨分離出來,隻有戴維設想的一(yī)種方法還沒(méi)有試驗過。戴維認為:磷和氧的親合力極強,如果能製氟化磷,再使氟化磷(lín)和氧作(zuò)用,則可能生成氧化磷和氟,由於當時還沒有方法製得氟化磷(lín),因而設想的實驗(yàn)沒有實現。


於是莫瓦桑用氟化鉛與磷化銅反應,得到(dào)了氣體(tǐ)的三(sān)氟(fú)化磷,然後把(bǎ)三(sān)氟化磷和氧的混(hún)合(hé)物通過電火花,結(jié)果發生了爆(bào)炸,燒壞了兩個白(bái)金管,更令人喪(sàng)氣的是三氟化磷和(hé)氧生成的根本不是氟,而是氟氧化磷(lín)。


當時的(de)化學還根本沒有化學勢(shì)的概念,從拉瓦錫時代開始,人們就一直認為氧的氧化性是(shì)最強的。氧元素甚至作為酸素(sù)幫助其他元素形成含氧(yǎng)酸,去氧化其他物質。現在人們發現了,氟甚至能作為氧的“酸素”,形成氟氧化物,這(zhè)該有多強的氧化性能!


好了,過去的無數失(shī)敗教訓(xùn)似乎是(shì)在論(lùn)證一(yī)個騙子的悖論:我的瓶子裏(lǐ)是(shì)腐蝕性最(zuì)強的東西。當(dāng)然就會有智者反駁:那它為(wéi)什麽(me)腐蝕不(bú)了你的瓶子呢?是的,我們(men)知道氟是腐蝕性最(zuì)強的單質,然而又要求我們找到能不(bú)被他腐蝕的容器,這得有多難!


△白金容器可以用作坩堝,但是卻很難抵禦(yù)氟的侵(qīn)蝕。

然而莫瓦桑絕對不會放棄,他想:氟必然是(shì)一種最活潑的非(fēi)金屬元素,那就不能在高溫下(xià)製備它,也(yě)不(bú)能用一般的化學方法,如置換反(fǎn)應等(děng)。看來,隻有用電解法了!電解法同樣存在之前科學家們的問題;有水吧,隻(zhī)是把水分解成(chéng)氫和氧;沒有水吧(ba),怎麽導電(diàn)呢(ne)?莫瓦桑的方法是,在氟化砷、氟化磷中加入(rù)一點氟(fú)化鉀,這樣(yàng)氟化鉀可以幫助室溫下的氟化砷(shēn)、氟化磷導電。莫瓦桑接通了電流(liú),電(diàn)流通了過去(qù),陰極上開始慢慢積累了一層砷,莫瓦桑欣喜異常。可是沒過多久,反應慢慢停止了,他發現是因為陰極上(shàng)的(de)砷阻礙了導電。他正準備調整他的方案,卻發現自己的神(shén)誌開始不清醒了,原來氟化砷和砷開始揮發,這些都(dōu)是劇毒的(de)物質。“難道(dào)我也會像之前的化學家,因為氟(fú)而死去嗎?”他用最後的力(lì)氣關(guān)閉了電流,昏倒了過去。


△莫瓦桑發現氟的裝(zhuāng)置。

當他(tā)醒來(lái)的時候,已經是幾個小(xiǎo)時以後了(le),他(tā)的妻子路更(gèng)正在他身邊哭泣。“親愛的路更,跟你說過多少次(cì)了,你不要來我(wǒ)的實驗室,這裏全是毒品毒氣。”“親愛的莫瓦桑,如果(guǒ)不是我過來打開通風,不知道你還(hái)能不能醒來。快停止你的實(shí)驗(yàn)吧,休息一段時間。”“哦,不!我不能休息,我的實驗馬上就要成功了!”


莫(mò)瓦桑又開始做實驗(yàn)了,他找了一個(gè)白金(jīn)的(de)U型管,將它打磨光滑,氟與(yǔ)光滑的白金表麵反應(yīng)較慢。關鍵是塞子,在接口處,總(zǒng)有凹凸不平的地方(fāng),他花了四(sì)天(tiān)時間將一大塊螢石磨製成一個塞子,這樣總算可以確保安全,而且讓氟可以不與塞子(zǐ)反應了。他(tā)將氟化砷、氟化磷、氟(fú)化鉀的混合物(wù)裝進U型管,又用冷(lěng)卻劑將體係的溫度降到-23度,他插入電(diàn)極,通上電流,很快,在陽極的上方,一絲又一絲淡(dàn)黃色的氣體冒了出來。莫瓦桑激(jī)動異常,大喊道:“Fluorine!Fluorine!”


“死亡元素”從舍勒開始,曆經100多年,終於被製造了(le)出來!在這背後(hòu),是無數化學家(jiā)的血淚甚至他們的生命,這是一段悲壯的曆史,更(gèng)凝聚著人類對於未知的渴望,這是人類文明最可貴的(de)精(jīng)神!朝(cháo)聞道夕(xī)可死,此之謂也(yě)。


1906年(nián),諾貝爾化學獎被授予莫瓦桑,以表彰他發現氟單質的貢獻。這個授獎是對他最有意義的回報,而且也正當時,因(yīn)為(wéi)1907年,莫瓦桑就因病去世了,臨死之前,他感歎:氟奪走了我(wǒ)十年的生命!


莫瓦桑(sāng)死後,他的妻子路更也因悲痛而去世。他們的兒子路易將他們的所有遺產20萬法郎捐獻(xiàn)給巴黎大學作為獎學(xué)金,一種(zhǒng)叫做莫瓦桑化(huà)學獎,用以紀念他的父親;另一種叫做路(lù)更藥學獎,用以(yǐ)紀念他的母親。


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