用生命換來的元素

劉　怡

在化學(xué)元素周期表中，有這樣的一族元素，它們排在周期表中的倒數(shù)第二列，按照表中從上到下的順序，分別是氟、氯、溴、碘、砹。雖然它們的名稱各不相同，卻有著相似的性質(zhì)，原子的最外層電子數(shù)均為7，都能跟金屬、氫氣和水反應(yīng)，都具有強烈的非金屬性。因此，它們擁有了一個共同的姓氏：鹵素。

這個家族在自然界中分布非常廣泛，然而它們的發(fā)現(xiàn)史卻非常不平凡。尤其是在家族中排在首位的“氟”，盡管在元素周期表發(fā)表之初就已經(jīng)確定了它的位置，它的發(fā)現(xiàn)過程卻歷盡了千辛萬苦，甚至還有人為之付出了生命的代價。

螢石中的秘密

很久以前，石頭收藏家就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)地球上有一種奇妙的石頭，它在黑暗中摩擦能發(fā)出綠色的熒光，在陽光的照射下能散發(fā)出粉紅或紫色的光芒，人們把這種石頭稱為“螢石”。這種礦石非常美麗，而且有著特殊的功能。如果用它作為冶煉礦石的熔劑，會使礦石在熔融時變得更加容易流動。如果將它與濃硫酸混合，則會產(chǎn)生一種腐蝕性極強的氣體，用這種氣體可以在玻璃上雕刻出動物、花卉等圖案。

螢石中究竟隱藏了什么秘密，使得它有如此之強的腐蝕能力呢？1771年，瑞典化學(xué)家舍勒曾經(jīng)用曲頸甑把粉狀螢石與濃硫酸一起加熱蒸餾，發(fā)現(xiàn)玻璃瓶內(nèi)壁被腐蝕，產(chǎn)生的氣體是一種酸性物質(zhì)，它可以跟石灰水反應(yīng)重新生成螢石，舍勒把它稱為“瑞典酸”。后來，很多化學(xué)家研究這種酸，發(fā)現(xiàn)它的性質(zhì)很像鹽酸，又比鹽酸穩(wěn)定，但對玻璃和一些硅酸鹽礦物的腐蝕性卻很強，并且還有劇毒。

到了1810年，氯首次被確定為是一種元素而非化合物，法國化學(xué)家安培從中得到了很大的啟發(fā)?！叭鸬渌帷焙望}酸的性質(zhì)非常相似，它其中是不是可能含有一種和“氯”相似的元素呢？于是，安培正式向英國皇家學(xué)會會長、化學(xué)家戴維提出這種元素的存在，并把它命名為“fluorine（氟）”，意思是“具有強腐蝕性的”。

然而，推測終究只是推測，一種新元素的誕生需要科學(xué)家用實驗來證明，也就是用實驗的方法來分離出真正的“氟氣”。在好奇心的驅(qū)使下，化學(xué)家們紛紛致力于氟氣的實驗研究。這場為了分離出單質(zhì)氟的競賽，既漫長又曲折，整整持續(xù)了76年。

死亡元素

戴維是最先想到采取電解的方法制取單質(zhì)氟的化學(xué)家。他用白金做容器，結(jié)果直到陽極的白金被腐蝕了，也還是沒有電離出氟。后來他改用螢石做容器，腐蝕問題雖然解決了，但也沒有得到氟。而戴維卻因受氟化氫的毒害而病倒，不得不停止了實驗。

之后，愛爾蘭科學(xué)家喬治·諾克斯和托馬斯·諾克斯弟兄二人選擇利用干燥的氯氣來處理干燥的氟化汞。實驗中，他們將一片金箔放在玻璃器皿的頂部，結(jié)果金變成了氟化金，實驗無法判斷他們是否已經(jīng)制得了氟。更不幸的是，兄弟二人都嚴(yán)重中毒。繼諾克斯兄弟之后，比利時的化學(xué)家魯耶特也對氟進行了長期的研究，最后因中毒太深而獻出了自己的生命。相隔沒多久，法國化學(xué)家尼克雷也慘遭同樣的命運。一時間，科學(xué)家一談到“氟”無不避之，更把它稱為“死亡元素”。

弗雷米也是一位熱衷于研究制備氟的法國化學(xué)家，他認(rèn)為電解可能是制取單質(zhì)氟的唯一有效的方法。他試著電解熔融的無水氟化鈣、氟化鉀和氟化銀，雖然在陰極上能析出這些金屬，陽極上也產(chǎn)生了少量氣體，但是卻始終未能收集到氟。他想，一定是溫度太高了，產(chǎn)生的氟氣立即與容器或電極發(fā)生反應(yīng)而消失了。有沒有氟化物不需加熱就呈液態(tài)呢？他想到了電解無水氟化氫，但是無水氟化氫雖呈液態(tài)卻不導(dǎo)電，只能電解含水的氟化氫液體。實驗最終失敗了，實驗中只收集到氫氣、氧氣和臭氧。但是，弗雷米認(rèn)為還有一種可能，就是實驗中產(chǎn)生了氟，但由于與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)而消失了。

與此同時，英國化學(xué)家哥爾英也嘗試用電解法來分解氟化氫，但是實驗時發(fā)生了爆炸，哥爾英懷疑爆炸是由于實驗產(chǎn)生的氟與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的緣故。

眾多化學(xué)家的努力雖然都以失敗告終，但是他們的心血并沒有白費，正是屢次失敗的經(jīng)驗教訓(xùn)為后來氟氣的成功制得奠定了基礎(chǔ)。沒有他們的失敗，就不會有之后莫瓦桑的成功。

莫瓦桑的成功

出身貧寒的莫瓦桑是弗雷米的學(xué)生。他知道制取單質(zhì)氟這個實驗已經(jīng)難倒了許多化學(xué)家，但是他對氟的研究卻非常感興趣，暗自下定決心要攻克這個難關(guān)。莫瓦桑先花了好幾個星期的時間查閱科學(xué)文獻，研究了幾乎全部有關(guān)氟的論文。他發(fā)現(xiàn)前人設(shè)計的很多實驗方法都不能成功把氟單獨分離出來，但也有一些實驗還只停留在設(shè)想階段，尚未實踐過，英國化學(xué)家戴維就曾設(shè)想過這樣一個方法。

戴維曾預(yù)言：“磷和氧的親合力極強，如果能制得氟化磷，再使氟化磷和氧作用，則可能生成氧化磷和氟?！庇捎诋?dāng)時戴維還沒有辦法制得氟化磷，因而設(shè)想的實驗沒有實現(xiàn)。

于是，莫瓦桑用氟化鉛與磷化銅反應(yīng)，得到了氣態(tài)的三氟化磷。他把三氟化磷和氧的混合物通過電火花，雖然也發(fā)生了爆炸反應(yīng)，但得到的并非他想要的單質(zhì)的氟，而是氟氧化磷（POF3）。

莫瓦桑又嘗試了一連串的實驗，都沒有制得單質(zhì)的氟。經(jīng)過長時間的實驗和思考，他終于發(fā)現(xiàn)了問題所在：氟太活潑了，而之前的實驗都是在高溫下進行的，隨著溫度的升高，氟的活潑性也大大增加。即使在反應(yīng)過程中它能夠以游離的狀態(tài)分離出來，它也會立刻和任何一種物質(zhì)相化合?？磥?，反應(yīng)應(yīng)該在室溫下進行才對，如果能在冷卻的條件下進行那就更好一些。

他還想起他的老師弗雷米曾經(jīng)說過，電解是制造氟的唯一有效的方法。如果用某種液體的氟化物，例如用氟化砷來進行電解，結(jié)果會怎樣呢？于是，莫瓦桑制備了劇毒的氟化砷，但隨即遇到了新的困難——氟化砷不導(dǎo)電。在這種情況下，他只好往氟化砷里加入少量的氟化鉀。這種混合物的導(dǎo)電性很好，可是在電解幾分鐘后，電流又停止了。原來陰極表面覆蓋了一層電解出的砷。這時，他感到越來越疲倦，他支撐著關(guān)掉電源，隨即倒在沙發(fā)上，心臟劇烈跳動，呼吸感到困難，面色發(fā)黃，眼睛周圍出現(xiàn)了黑圈。這是砷中毒的預(yù)兆，這個方案又不得不放棄了。

最后，只剩下唯一的方案了，那就是電解氟化氫。他按照弗雷米的辦法，在鉑制的容器中蒸餾氟氫酸鉀，先得到無水氟化氫液體，然后用鉑制的U型管作容器，用強耐腐蝕的鉑銥合金做電極，并用氯仿作冷卻劑將無水氟化氫冷卻到零下23攝氏度進行電解。在陰極上很快就出現(xiàn)了氫氣泡，但陽極上卻沒有分解出氣體。電解持續(xù)近一小時，分解出來的都是氫氣，連一點氟的影子也沒有。

莫瓦桑一邊拆卸儀器，一邊苦惱地思索著，也許氟根本就不能以游離狀態(tài)存在？當(dāng)他拔掉U型管陽極一端的塞子時，驚奇地發(fā)現(xiàn)塞子上覆蓋著一層白色粉末狀的物質(zhì)。原來塞子被腐蝕了！氟已經(jīng)分解出來了，只不過和玻璃發(fā)生了反應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)使莫瓦桑受到了莫大的鼓舞。他想，如果把裝置上的玻璃零件都換成不能與氟發(fā)生反應(yīng)的材料，就可以制得單質(zhì)的氟了。

于是他改用螢石制成試驗用的器皿，把盛有液體氟化氫的U型鉑管浸入制冷劑中，用螢石制的螺旋帽蓋緊管口，再進行電解。多少年來化學(xué)家夢寐以求的理想終于實現(xiàn)了！1886年6月26日，莫瓦桑第一次制得了單質(zhì)的氟氣！這種氣體遇到硅立即著火，遇到水即生成氧氣和臭氧，與氯化鉀反應(yīng)置換出氯氣。

為了表彰莫瓦桑在制氟方面的突出貢獻，法國科學(xué)院發(fā)給他一萬法郎的拉·卡澤獎金。20年以后，他又因為在氟研究上的顯著成就，獲得了1906年的諾貝爾化學(xué)獎?？上У氖牵Z貝爾獎卻不能給莫瓦桑的生命以更多的時間。1907年2月30日，這位為人們帶來“氟氣”的化學(xué)家因病逝世，在他生命的最后幾年，他不得不感嘆：“氟奪走了我10年的生命”。