“鬼臉化學(xué)課”帶你重新學(xué)化學(xué)

就在2019年5月初，江蘇省發(fā)布了化工企業(yè)關(guān)停管理相關(guān)文件，文件指出對(duì)所有化工生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行評(píng)估，不迭標(biāo)的立即停產(chǎn)、限期整改，不具備整改條件和逾期整改不到位的予以關(guān)閉。消息一出，引起社會(huì)廣泛討論。加之2019年上半年以來，化工企業(yè)廠房火災(zāi)、爆炸事故頻發(fā)，一時(shí)間人們對(duì)于化工廠畏懼情緒更甚，雖然化學(xué)和我們的生活聯(lián)系非常緊密，大多數(shù)人卻是“談化學(xué)色變”。同學(xué)們?cè)趯W(xué)習(xí)化學(xué)這門課時(shí)，是不是也有畏難和厭惡情緒？你是否也同意“我們恨化學(xué)”的論調(diào)呢？

其實(shí)，在我們身邊到處都有化學(xué)的影子，從你身上穿的衣服到你手中握的手機(jī)，還有你涂在臉上的護(hù)膚品和餐盤里的美食，都離不開化學(xué)。很多人是不是因?yàn)椴涣私舛`解化學(xué)了呢？那么就讓我們來看看江蘇科普作家魯超給大家?guī)淼摹豆砟樆瘜W(xué)課·元素家族》這本書吧。本書以化學(xué)元素為節(jié)點(diǎn)，帶領(lǐng)讀者們認(rèn)識(shí)宇宙、地球和人類的過去、現(xiàn)在和未來。從元素了解化學(xué)，從生活走進(jìn)化學(xué)，讓化學(xué)改變世界，這是魯超寫這本書的初衷。他希望能參照化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)，用小說筆法重寫化學(xué)課本，讓廣大中學(xué)生們?cè)谧x故事中學(xué)化學(xué)。

《科學(xué)大眾·中學(xué)生》雜志將于本期開始，打造“化學(xué)元素”專欄，節(jié)選《鬼臉化學(xué)課·元素家族》部分內(nèi)容刊登，供同學(xué)們閱讀、學(xué)習(xí)。有趣有料有用“鬼臉化學(xué)課”帶你重新學(xué)化學(xué)元素檔案：

姓名：氟（F）。

排行：元素周期表第9位。

性格：爭強(qiáng)好勝，得電子法力超強(qiáng)且無法控制，常制造出爆炸等惡性事件。

形象：單質(zhì)為淺黃色氣體，散發(fā)著“劇毒與腐蝕”的氣息。

居所：在地球上基本以鹽類的形式存在，如螢石。

塑料之王

20世紀(jì)的前50年，杜邦公司就像現(xiàn)在的谷歌、特斯拉、SpaceX，總有新發(fā)明新創(chuàng)造，引領(lǐng)了時(shí)代潮流。在氟利昂的商業(yè)化之后，他們又找到了新的商機(jī)。

普倫基特是美國杜邦公司杰克森實(shí)驗(yàn)室的化學(xué)家。1938年夏天，普倫基特正在研究氯氟烴的制備，之前成功商業(yè)化的氯氟烴都是氯氟烷烴，可是他對(duì)氯氟烯烴產(chǎn)生了興趣。他選擇了最簡單的四氟乙烯，他將四氟乙烯存放在干冰冷卻的鋼瓶里，以做進(jìn)一步的研究。有一天，他和助手一起打開了鋼瓶，希望四氟乙烯氣化通過流量計(jì)進(jìn)入反應(yīng)器。沒多久，他們發(fā)現(xiàn)四氟乙烯的流動(dòng)停止了，普倫基特發(fā)現(xiàn)鋼瓶里還有不少東西，他搖晃鋼瓶，發(fā)現(xiàn)里面有一些國體物在響動(dòng)。

他用一把鋼鋸把鋼瓶鋸開，竟然發(fā)現(xiàn)相當(dāng)多的白粉末。普倫基特明白了，四氟乙烯聚合了，這白色粉末就是高分子聚合物：聚四氟乙烯。他繼續(xù)研究，得到了更好的方法制造更多的聚四氟乙烯。1941年，普倫基特通過專利首次把聚四氟乙烯公之于世。1945年，杜邦公司為聚四氟乙烯注冊(cè)了Teflon商標(biāo)，中文稱為“特氟龍”。

聚四氟乙烯被制造出來以后，人們發(fā)現(xiàn)這實(shí)在是一種超強(qiáng)的材料。

它十分耐寒，即使到了-269.3℃的低溫也沒有問題，在干冰、液氮、液氧、液體空氣的溫度級(jí)別簡直就是小意思，甚至在液氦中也能保持金身不敗。它的耐熱性能雖說不像它的耐寒性能那么優(yōu)異，卻也能耐受250℃的高溫。

它又特別耐腐蝕，不論是強(qiáng)酸強(qiáng)堿，如硫酸、鹽酸、硝酸、燒堿甚至王水，還是強(qiáng)氧化劑，比如重鉻酸鉀、高錳酸鉀，都不能動(dòng)它半根毫毛?？梢哉f，它的化學(xué)穩(wěn)定性超過了玻璃、陶瓷、不銹鋼，甚至黃金、白金。我們知道即使是黃金、白金在王水中也會(huì)溶解，然而，聚四氟乙烯在沸騰的王水中煮幾十個(gè)小時(shí)，卻依然如1日。所以，如果莫瓦桑時(shí)代就有這種材料，就不會(huì)有那么多化學(xué)家在氟元素的發(fā)現(xiàn)上損失健康甚至生命了，當(dāng)然這是個(gè)先有雞還是先有蛋的問題。

它又特別難被浸濕，在水中浸泡1年，它不會(huì)膨脹，重量也不會(huì)增加。至今，人們還沒發(fā)現(xiàn)有任何一種溶劑，能夠使聚四氟乙烯膨脹。

此外，聚四氟乙烯的介電性能也特別好，而且它的介電性能與頻率無關(guān)，也不隨溫度而改變，這讓它在電器中可以用作很好的絕緣材料。

聚四氟乙烯的這些性能讓它贏得了“塑料王”的美稱！

法國工程師馬克-格雷瓜爾是一個(gè)熱愛釣魚的人，他經(jīng)常因?yàn)獒灳€糾纏到一起而煩惱。他發(fā)現(xiàn)聚四氟乙烯涂層的表面特別光滑，就將聚四氟乙烯涂在他的釣線上，果然，他的釣線如果糾纏到一起，只要輕輕一扯，就順溜地解開了。

1954年，他的妻子科萊特看到這一點(diǎn)，突發(fā)奇想，如果將聚四氟乙烯涂在鍋的表面，那以后豈不是會(huì)省心很多，再也不用擔(dān)心煎餅、面條、米飯、肉醬沾到鍋上了。格里瓜爾聽了妻子的建議立即開動(dòng)腦筋，廢寢忘食研制出了如何將聚四氟乙烯和鋁結(jié)合在一起的辦法，世界上第一只“不粘鍋”就這樣誕生了。

近年來，有網(wǎng)絡(luò)寫手炮制出一些聳人聽聞的小文章，提到不粘鍋表面的聚四氟乙烯是劇毒物質(zhì)，并呼吁大家抵制不粘鍋;更有一些人提出，使用不粘鍋去烹調(diào)一些酸性食物，會(huì)釋放出致癌物質(zhì)。這就有一點(diǎn)無知者無畏了，前面我們提到，聚四氟乙烯是很穩(wěn)定的物質(zhì)，完全化學(xué)惰性，酸性食物那么點(diǎn)酸距離王水還遠(yuǎn)著呢，怎么可能跟聚四氟乙烯發(fā)生反應(yīng)？換一句話說，即使有少量的聚四氟乙烯進(jìn)入人體，也不會(huì)在人體內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。況且，只要不對(duì)著不粘鍋空燒，達(dá)到250度以上的高溫，聚四氟乙烯甚至不會(huì)熔融，更不會(huì)分解了。

所以，我們還是要懂化學(xué)，才能更好地生活。

聚四氟乙烯這種塑料之王可不光是用于廚房里，因?yàn)樗貏e光滑，在機(jī)械上的各種軸承、齒輪、滑輪都可以用它來做。它的表現(xiàn)遠(yuǎn)勝于酚醛樹脂、尼龍，可能只有超高分子量的聚乙烯才能跟它媲美。

聚四氟乙烯涂層這優(yōu)異的特性也不光被用在不粘鍋上，其實(shí)它已經(jīng)用在很多復(fù)合材料的涂層上，甚至用在了飛機(jī)上。

高端復(fù)合材料多為碳纖維和玻璃纖維，這二者的耐腐蝕性能比聚四氟乙烯要弱很多，因此將它們外面涂一層聚四氟乙烯，可起到很好的隔離作用。這不光用于航空業(yè)，還可以用于建筑等其他領(lǐng)域，舉世聞名的迪拜阿拉伯塔就是其中一例。

含氟化合物，先進(jìn)還是毒藥

上一章節(jié)里，我們實(shí)在不能一一列舉聚四氟乙烯的用途，因?yàn)閷?shí)在太廣了。

聚四氟乙烯其超強(qiáng)的性能主要取決于它的化學(xué)結(jié)構(gòu)，在它的結(jié)構(gòu)中，只有碳碳鍵和氟碳鍵。我們知道碳碳鍵很強(qiáng)，氟碳鍵則更強(qiáng)，是已知的最強(qiáng)鍵，確保了氟碳化合物的穩(wěn)定性。這種穩(wěn)定性我們可以擴(kuò)展用到其他地方，比如表面活性劑。

我們知道，含碳表面活性劑之所以能體現(xiàn)出超低的表面張力，是因?yàn)榧谆谋砻鎻埩Τ?，有機(jī)硅表面活性劑的表面張力更低，實(shí)際是因?yàn)楣柩蹑I的柔韌性，所以能將更多的甲基朝向外面。所以，有機(jī)硅的性能并沒有起到革命性的提升。

而含氟表面活性劑完全不一樣，氟是電負(fù)性最強(qiáng)的元素，電子在氟化合物的腦子里，就是“你的就是我的，我的還是我的”，使得氟原子非常難以被極化，氟碳鏈極性比碳?xì)滏溞?。因此，含氟表面活性劑各分子之間的范德華力很弱，這使得它的表面張力尤其低。一般含碳表面活性劑的表面張力達(dá)到30，有機(jī)硅最低可以達(dá)到21，而含氟表面活性劑最低可以達(dá)到15。

1949年，美國3M公司合成了一種新型化合物：全氟辛基磺酸（ PFOS），并用于他們的品牌：斯科奇嘉德防油防水劑（ Scotchgard），一時(shí)間紅遍全美。使用了Scotchgard防水劑的服裝表面可以產(chǎn)生“荷葉效應(yīng)”，不沾水也不沾油，水滴或者油滴在處理后的服裝上面，就好像露珠在荷葉上一樣。從此含氟表面活性劑開始成為各個(gè)追求創(chuàng)新的化學(xué)公司研發(fā)的焦點(diǎn)。

1999年，美國環(huán)境保護(hù)署開始對(duì)PFOS的毒性展開調(diào)查，原來，這些含氟表面活性劑持久性極強(qiáng)，是最難分解的有機(jī)污染物之一，在濃硫酸中煮1小時(shí)也不分解。它們很容易在動(dòng)物體內(nèi)沉積，據(jù)美國環(huán)保署、歐洲、日本及我國研究機(jī)構(gòu)的研究結(jié)果表明：PFOS及其衍生物通過呼吸道吸入和飲用水、食物的攝入等途徑，而很難被生物體排出，尤其最終會(huì)富集于人體、生物體中的血、肝、腎、腦中?？磥硖€(wěn)定的東西也不好啊。

看起來氟化工的名聲不太好，雖然有很多的新發(fā)明，但是幾乎是出來一個(gè)被槍斃一個(gè)，氟利昂、PFOS姑且不論，就連不粘鍋也受到了質(zhì)疑。這其中有一些是誤解，有一些是真正會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生破壞。我要說，這是人類發(fā)展的必經(jīng)階段，還是那句話，我們不可能回到過去了，發(fā)展中遇到的問題只能用繼續(xù)發(fā)展來解決。當(dāng)然，總結(jié)過往的經(jīng)驗(yàn)是必要的。

其實(shí)，氟化學(xué)品已經(jīng)在更多的領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，它們就在我們身邊。

我國的氟化工在過去十幾年里發(fā)展非常迅速，產(chǎn)品產(chǎn)能已經(jīng)超過600萬噸/年，產(chǎn)量占全球近55%，銷售額占全球約33%。但是問題也很大，一方面出現(xiàn)了產(chǎn)能過剩，氟化氫和氟化鋁等產(chǎn)品的消費(fèi)量甚至不足產(chǎn)能規(guī)模的一半;另一方面，我國的氟化工還是聚焦在生產(chǎn)低端的基礎(chǔ)原材料，高端新興產(chǎn)品匱乏，因此附加值不高;更潛在的危機(jī)是，發(fā)達(dá)國家禁止生產(chǎn)的一些氟化學(xué)品，我們?nèi)匀辉诶^續(xù)生產(chǎn)，相關(guān)法律法規(guī)嚴(yán)重跟不上。

我們希望，我們的產(chǎn)品開發(fā)是—種有序健康的發(fā)展。雖說市場可以自由調(diào)控，但是，在“新建設(shè)一市場淘汰一再建設(shè)”這個(gè)過程中又有多少的資源浪費(fèi)呢？（責(zé)任編輯：司明婧 責(zé)任校對(duì)：曹偉）