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《元素家族》
最悲壮的元素发现之路——氟的发现史
鲁超   
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有一个关于费米的段子:理论学家费纸,实验学家费电,理论实验物理学家费米。

是的,数学史上曾经有过无数未解难题,哥德巴赫猜想从提出到现在270余年仍未解决!费马大定理历经358年的漫长历史,终于在1995年被怀尔斯解决!这些难题曾经让众多数学家的脑细胞备受折磨,但是仅此而已,因为他们的主要武器是纸和笔。

物理学家们也遇到过难题,他们除了和数学家一样在办公室里提出理论,还需要用实验来验证他们的想法。托马斯杨双缝干涉实验说明了光是一种波,迈克尔逊莫雷实验证明了光速恒定,奠定相对论的基础。现在,物理学家们还要建造更大的加速器来验证他们的想法。但是,大多数时候,除了多费一些电以外,他们也是安全的。

在历史上,化学家们则是需要勇气的,他们为了解决难题,为了证明自己的设想,有些时候需要将安全置之度外,甚至需要冒着生命的风险。我们可以在那段子后面加上一段:实验化学家折寿!这一点都不好笑,今天我们要说的乃是化学史上最悲壮的一段:化学元素史上,参加人数最多、危险最大、工作最难的研究课题。

对于危险的事情,我们可爱的舍勒同学总是冲在第一线的,1771年,他听闻之前的一些故事,将萤石和硫酸放在一起加热,结果发现玻璃容器都被腐蚀了,他认为这其中产生了一种酸性物质,他把这种酸性物质命名为“萤石酸”。现在我们知道了,这就是腐蚀性极强的氢氟酸!

我们没有任何关于舍勒品尝或者闻嗅氢氟酸的记录,但是如果你比较认真的阅读我之前的文章,会记得他曾经闻过“火焰空气”,还尝过剧毒的氢氰酸,后面我们会提到,舍勒在氯元素的发现史中也起了重要作用,我们有理由相信,舍勒同学一定会与氢氟酸进行“亲密接触”。最终我们知道,舍勒同学,44岁,卒。

法国物理学家、化学家安培是一个善于思考的人,他从氢氟酸的各种性质看出来,这是一种和盐酸类似的酸。1810年,他提出,氢氟酸中可能还有一种和氯相类似的新元素,他提议将它命名为“氟”,意思是易于流动的意思。安培的想法中已经有了“族”的模糊概念,也是门捷列夫提出元素周期律的基础之一。

好在安培没有去开展发现氟的实验,所以他活到了61岁。

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【法国科学家:安培。】

真正的化学家不会满足于这种模糊的认知,他们最大乐趣莫过于发现了未知的事物,至于风险和安全,他们既然已经决定投身化学事业,就早已经将这些置之度外。

1813年,大帅哥戴维已经利用电流发现了几种新元素,这次他决定用他的利器电流来分解氟化物。一开始,他用氯化银和铂做容器,向氢氟酸通电,结果铂电极都被腐蚀了。真是个厉害东西,竟然把白金都腐蚀!“好吧,那我干脆用氟化物:萤石做容器好了!氟化物已经是被氧化之后的产物,总不能继续被氧化了吧。”戴维想。

他重新通电,结果这次阳极收集到了气体,戴维一检查,发现是老熟人:氧气。看来电解的是水,而不是氢氟酸。

可惜可叹的是,他的眼睛因此受伤,俊美的脸庞不再。所幸后来,戴维因为忙于其他工作而没有继续氟的研究,他最后活到了50岁。

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【帅气的戴维也没有攻克“氟”这座城堡。】

跟戴维同时期,法国科学家盖吕萨克和泰纳也用同样的方法尝试获得氟,都没有成功,这两人还因为吸入过量的氢氟酸而中毒,被迫停止了实验。

1834年,戴维的徒弟法拉第接过师傅的衣钵,设法揭开制取游离氟的谜,未果。

1836年,苏格兰化学家诺克斯兄弟俩也向这一难题发起挑战。他们用干燥的氯气处理干燥的氟化汞,并用一片金箔放在容器的顶部,事实上他们确实得到了氟,依据就是顶部的金箔已经变成了氟化金,只是他们没有想到连黄金都被制得的氟所腐蚀。更让人唏嘘的是,他们哥俩都严重中毒,弟弟托马斯·诺克斯几乎死亡,哥哥乔治·诺克斯被送到意大利疗养了三年才恢复健康。

诺克斯兄弟之后,比利时化学家鲁耶特不避艰辛和危险,不断重复诺克斯兄弟的实验,虽然采取了防毒措施力图避免中毒,但因长期从事这项研究,最后竟因中毒太深而献出了宝贵的生命。不久,法国化学家尼克雷也同样殉难。

1854年,法国化学家弗雷米电解熔融的无水氟化钙、氟化钾和氟化银,虽然在阴极上能析出这些金属,阳极上也产生了少量气泡,而生成的气体很快将铂电极腐蚀,即使他想尽了一切办法,始终未能收集到氟。他又尝试电解液态无水氟化氢,同样失败,因为氟化氢是共价化合物,即使是液态也不电离,因此是绝缘体。电解含水的氟化氢,前辈已经失败了N次,分解是水不是氟化氢。

1869年,英国化学家哥尔也用电解法分解氟化氢,结果发生了爆炸,他侥幸逃脱。原来,试验中有少量的氟单质生成,与分解水生成的氢气化合引起爆炸。他又试验了金、铂、碳等多种电极材料,无一不遭到破坏。你看,氟的发现史简直就是一部烧钱史,无数的黄金白金就这样打了水漂,好吧,我承认我太物质了。

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【莫瓦桑的老师:弗雷米。】

氟的发现史上,经历了那么多痛彻的失败,大家把这种未知元素称为“死亡元素”,闻之色变。这没有挡住勇者的脚步,还有很多化学家明知山有虎,偏向虎山行,弗雷米的学生莫瓦桑就是其中一个。

莫瓦桑是一个法国铁路工人的儿子,从小家境困苦,一直到12岁,他才进入小学。虽然他的父亲没有钱给他买书和文具,但是他特别热爱学习,尤其热爱化学,他从老师那里借来了各种化学书,如饥似渴地阅读,同时,还自己动手做各种化学实验。18岁那年,他因为家庭困难而辍学去药店做了学徒。

在这期间,莫瓦桑竟然出了名。有一次,药店里冲进来一个人,他汗流满面,呼吸困难,大喊救命:“我中了砒霜毒。”老药剂师摇摇头,表示无能为力了。这时,莫瓦桑站了出来,他让病人服用了一些酒石酸锑钾和三氯化铁,结果病人很快就好转,过几天就康复了。事后,巴黎的一家小报以《“起死回生”的药店学徒》为题,报道了这件事,许多巴黎人都知道了莫瓦桑的名字。

当然莫瓦桑不是追求名利的人,他一边做学徒,一边自学,22岁那年,他考试通过,拿到了中学毕业证书,25岁那年,又拿到了大学毕业证书,并考上了化学家弗雷米的研究生,这成为他一生的转折点。在弗雷米的实验室里,他贪婪的学习和实验,经常连续十几小时查阅资料和做实验,有一次竟然连续工作三十小时。

在他进入弗雷米实验室后的第二年,有一个同学拿着一个药品的瓶子告诉他:“这是氟化钾,世界上还没有一个人能从里面提取出单质氟。”

“我们的老师也不能吗?”

“是的,大化学家戴维都失败了,诺克斯、盖吕萨克、鲁耶特、尼克雷都失败了,他们中的有一些中毒,有一些甚至送了命。”

从此,“单质氟”、“死亡元素”在莫瓦桑的脑海里不时的浮现出来,这已经成为他人生中最高远的目标。

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【莫瓦桑在实验室研究制取人造钻石。】

1885年,莫瓦桑开始了他的人生工程。他先花了好几个星期的时间查阅科学文献,研究了几乎全部有关氟及其化合物的著作。他认为已知的方法都不能把氟单独分离出来,只有戴维设想的一种方法还没有试验过。戴维认为:磷和氧的亲合力极强,如果能制氟化磷,再使氟化磷和氧作用,则可能生成氧化磷和氟,由于当时还没有方法制得氟化磷,因而设想的实验没有实现。

于是莫瓦桑用氟化铅与磷化铜反应,得到了气体的三氟化磷,然后把三氟化磷和氧的混合物通过电火花,结果发生了爆炸,烧坏了两个白金管,更令人丧气的是三氟化磷和氧生成的根本不是氟,而是氟氧化磷。

当时的化学还根本没有化学势的概念,从拉瓦锡时代开始,人们就一直认为氧的氧化性是最强的。氧元素甚至作为酸素帮助其他元素形成含氧酸,去氧化其他物质。现在人们发现了,氟甚至能作为氧的“酸素”,形成氟氧化物,这该有多强的氧化性能!

好了,过去的无数失败教训似乎是在论证一个骗子的悖论:我的瓶子里是腐蚀性最强的东西。当然就会有智者反驳:那它为什么腐蚀不了你的瓶子呢?是的,我们知道氟是腐蚀性最强的单质,然而又要求我们找到能不被他腐蚀的容器,这得有多难!

然而莫瓦桑绝对不会放弃,他想:氟必然是一种最活泼的非金属元素,那就不能在高温下制备它,也不能用一般的化学方法,如置换反应等。看来,只有用电解法了!电解法同样存在之前科学家们的问题;有水吧,只是把水分解成氢和氧;没有水吧,怎么导电呢?

莫瓦桑的方法是,在氟化砷、氟化磷中加入一点氟化钾,这样氟化钾可以帮助室温下的氟化砷、氟化磷导电。

莫瓦桑接通了电流,电流通了过去,阴极上开始慢慢积累了一层砷,莫瓦桑欣喜异常。可是没过多久,反应慢慢停止了,他发现是因为阴极上的砷阻碍了导电。他正准备调整他的方案,却发现自己的神志开始不清醒了,原来氟化砷和砷开始挥发,这些都是剧毒的物质。“难道我也会像之前的化学家,因为氟而死去吗?”他用最后的力气关闭了电流,昏倒了过去。

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【莫瓦桑发现氟的装置。】

当他醒来的时候,已经是几个小时以后了,他的妻子路更正在他身边哭泣。

“亲爱的路更,跟你说过多少次了,你不要来我的实验室,这里全是毒品毒气。”

“亲爱的莫瓦桑,如果不是我过来打开通风,不知道你还能不能醒来。快停止你的实验吧,休息一段时间。”

“哦,不!我不能休息,我的实验马上就要成功了!”

莫瓦桑又开始做实验了,他找了一个白金的U型管,将它打磨光滑,氟与光滑的白金表面反应较慢。关键是塞子,在接口处,总有凹凸不平的地方,他花了四天时间将一大块萤石磨制成一个塞子,这样总算可以确保安全,而且让氟可以不与塞子反应了。他将氟化砷、氟化磷、氟化钾的混合物装进U型管,又用冷却剂将体系的温度降到-23度,他插入电极,通上电流,很快,在阳极的上方,一丝又一丝淡黄色的气体冒了出来。莫瓦桑激动异常,大喊道:“Fluorine!Fluorine!”

“死亡元素”从舍勒开始,历经100多年,终于被制造了出来!在这背后,是无数化学家的血泪甚至他们的生命,这是一段悲壮的历史,更凝聚着人类对于未知的渴望,这是人类文明最可贵的精神!朝闻道夕可死,此之谓也。

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【莫瓦桑发现氟的装置。】

1906年,诺贝尔化学奖被授予莫瓦桑,以表彰他发现氟单质的贡献。这个授奖是对他最有意义的回报,而且也正当时,因为1907年,莫瓦桑就因病去世了,临死之前,他感叹:氟夺走了我十年的生命!
莫瓦桑死后,他的妻子路更也因悲痛而去世。他们的儿子路易将他们的所有遗产20万法郎捐献给巴黎大学作为奖学金,一种叫做莫瓦桑化学奖,用以纪念他的父亲;另一种叫做路更药学奖,用以纪念他的母亲。

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【法国纪念莫瓦桑获诺贝尔奖100周年而发行的邮票。】

-完-
我要评论
小分子团水 2018-01-24 11:34
作为一个化学系本科生,所学的知识都是非常专业性的,科普性不足。元素家族以幽默风趣的讲述方式,以化学元素为基本来讲述化学对人类、对社会方方面面的影响,十分不错!
钱一二 回复 小分子团水 不错
2018-02-26 15:41 回复
笑笑 2017-12-28 20:32
个人一点心得愚见,算几点体会:文章节奏特别稳当,彰显了作者深厚的文字功底和隐藏的相关知识的广博,文中俏皮地使用了一些幽默的句子,还选定了化学元素这一主题,非常契合学生业余生活的需要,引导大家深入记忆这些元素。另外跟本人正相反,使用了大量图片,这些图片本人仔细研究了一下,不是从网上复制的,而且图片整体效果规整,高人耶~
科普作品
元素家族
| 目录  (共17章)
评委点评 评语汇总

虽然,化学元素的科普,是一个很老的题材。但作者显然将最新的科研进展,融合到化学元素的科普中,时效性、时代性都很强。 写作风格幽默风趣,配图恰当,适合手机、网络等新媒体传播。

2018-01-08 20:01 郑永春 ——

全作以较为通俗的语言讲述了,十种元素从发现,到部分生活中的实际应用等方面的内容,从文字角度应该是不错的作品,老少皆宜。但在选取图片上,感觉部分图片选取的质量不高,需要改进。

2018-01-10 13:37 匿名 ——

一篇内容非常丰富的科普文章,相信如果不限制字数的他作者完全可以把现在所有已知元素全部写一遍。而且文中的科普内容不光是这些元素的化学性质,还有他们奇妙的特性以及科学家们发现他们的故事。可以勾起读者继续把他读完的欲望。而且据我所知作者鲁超自己也在运营一个科普相关的公众账号,这种不计回报的科普精神值得学习。

2018-01-24 15:39 匿名 ——

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