探秘“死亡元素”

曲建翹

史上最悲壯的

元素發(fā)現(xiàn)之路

不知你是否聽(tīng)過(guò)關(guān)于費(fèi)米的段子：理論學(xué)家費(fèi)紙，實(shí)驗(yàn)學(xué)家費(fèi)電，理論實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家費(fèi)米?；蛟S，我們可以在這個(gè)段子后面加上一段：實(shí)驗(yàn)化學(xué)家折壽！

不信？請(qǐng)往下看！

數(shù)學(xué)史上曾經(jīng)有過(guò)無(wú)數(shù)未解難題，這些難題讓眾多數(shù)學(xué)家的腦細(xì)胞備受折磨，但只要有紙和筆，他們就可以安心地待在辦公室里，免受傷害。物理學(xué)家們也遇到過(guò)難題，他們除了和數(shù)學(xué)家一樣在辦公室里提出理論，還需要用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證他們的想法。但是，大多數(shù)時(shí)候，除了多費(fèi)一些電以外，他們也是安全的。但對(duì)化學(xué)家來(lái)說(shuō)，他們是需要勇氣的。為了解答化學(xué)之謎，為了證明自己的設(shè)想，他們有些時(shí)候需要將安全置之度外，甚至為此而獻(xiàn)出寶貴的生命！

理論實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家費(fèi)米（圖片來(lái)源/Wiki）

這其中最有代表性的就是氟元素從被發(fā)現(xiàn)到制出氟氣單質(zhì)的過(guò)程?？梢赃@樣說(shuō)，氟的發(fā)現(xiàn)史不僅是一部燒錢(qián)史，讓無(wú)數(shù)的黃金、白金打了水漂，更是一部化學(xué)家的悲壯史，它奪走了太多化學(xué)家的生命。

早在1768年，人們就發(fā)現(xiàn)了氫氟酸，認(rèn)為它里面有一種新元素，因此很多化學(xué)家都在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，試圖從氫氟酸中制出單質(zhì)氟來(lái)。1771年，瑞典化學(xué)家舍勒將螢石和硫酸放在一起加熱，結(jié)果發(fā)現(xiàn)玻璃瓶?jī)?nèi)壁都被腐蝕了。1813年，英國(guó)化學(xué)家戴維用電解氟化物的方法制取單質(zhì)氟，一開(kāi)始他用金和鉑做容器，但都被腐蝕了。后來(lái)，他改用螢石做容器，雖然解決了腐蝕問(wèn)題，但也未得到氟，而他則因患病停止了實(shí)驗(yàn)。跟戴維同時(shí)期，法國(guó)科學(xué)家蓋-呂薩克和泰納也用同樣的方法嘗試獲得氟，都沒(méi)有成功，這兩人還因?yàn)槲脒^(guò)量的氫氟酸而中毒，因此被迫停止了實(shí)驗(yàn)。1836年，蘇格蘭化學(xué)家喬治·諾克斯和托馬斯·諾克斯兩兄弟先用干燥的氯氣處理干燥的氟化汞，然后把一片金箔放在容器頂部。事實(shí)上他們確實(shí)得到了氟，依據(jù)就是頂部的金箔已經(jīng)變成了氟化金，只是令人意想不到的是，連黃金都被制得的氟腐蝕了。更加讓人唏噓的是，他們哥倆都嚴(yán)重中毒了。繼諾克斯兄弟之后，比利時(shí)化學(xué)家魯耶特對(duì)氟做了長(zhǎng)期的研究，最后因中毒太深而獻(xiàn)出了生命。法國(guó)化學(xué)家尼克雷也遭受了同樣的命運(yùn)……

英國(guó)化學(xué)家戴維（左）和法國(guó)科學(xué)家蓋-呂薩克（右）均未能制得氟（圖片來(lái)源/Wiki）

莫瓦桑的設(shè)備畫(huà)像（左）及他獲得諾貝爾獎(jiǎng)時(shí)的照片（右）（圖片來(lái)源/Wiki）

或許你已經(jīng)知道，氫氟酸是氟化氫氣體的水溶液，具有很強(qiáng)的腐蝕性，玻璃、銅、鐵等常見(jiàn)的東西都會(huì)被它“吃”掉，即使用很不活潑的銀做容器，也不能安全地盛放它。另外，氫氟酸還能揮發(fā)出大量的氟化氫氣體，而氟化氫有劇毒，吸入少量，就非常痛苦。

盡管當(dāng)時(shí)的化學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)時(shí)采取了許多措施來(lái)防止氟化氫的毒害，但由于氫氟酸的腐蝕性過(guò)強(qiáng)，許多化學(xué)家還是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)中吸入過(guò)量的氟化氫氣體而死去了，還有許多化學(xué)家由于中毒損害了身體健康，被迫放棄了實(shí)驗(yàn)。但這并未阻擋勇者的腳步，還有很多化學(xué)家“明知山有虎，偏向虎山行”。法國(guó)化學(xué)家弗雷米的學(xué)生莫瓦桑就是其中之一。

攝入適量的氟可預(yù)防齲齒

經(jīng)過(guò)不斷地探索與改進(jìn)，1886年，莫瓦桑最終做了一個(gè)白金的U形管，并將它打磨光滑——氟與光滑的白金表面反應(yīng)較慢，同時(shí)用螢石磨制成塞子，然后將氟化砷、氟化磷、氟化鉀的混合物裝進(jìn)U形管，又用冷卻劑將管外的溫度降到-23℃，他插入電極，通上電流，很快，在陽(yáng)極的上方，一絲又一絲淡黃色的氣體冒了出來(lái)。單質(zhì)氟第一次被制得了！

氟與人體健康

作為構(gòu)成地殼的固有元素之一，氟在地球上分布極為廣泛，巖石、土壤、水體、植物、動(dòng)物及人體內(nèi)都含有一定量的氟。早在1802年，科學(xué)家就用氣體氟做過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，但直到在人的牙齒琺瑯質(zhì)、血液、乳汁特別是腦組織中都發(fā)現(xiàn)了氟后，人們才開(kāi)始重視氟的生物作用。

氟對(duì)人體的影響是隨著攝入量而變的。當(dāng)氟缺乏時(shí)，不但易發(fā)生齲齒，也在一定程度上影響骨骼。因此，攝入適量的氟可預(yù)防齲齒，有益于兒童生長(zhǎng)發(fā)育，還可預(yù)防老年人骨質(zhì)變脆。而氟過(guò)量時(shí)，就會(huì)影響細(xì)胞酶系統(tǒng)的功能，破壞鈣磷代謝平衡，所以氟是人體必需的微量元素之一。

當(dāng)某一地區(qū)分布過(guò)高，人體攝入量偏多時(shí)又可引起特異的疾病——地方性氟病，或稱(chēng)地方性氟中毒。地方性氟中毒是典型的地方病，其病區(qū)和非病區(qū)境界分明。這個(gè)病的主要特征是氟斑釉齒和氟骨癥。

飲水中的氟

富含氟的食物

氟是人體所必需的微量元素。氟可以通過(guò)水、食物等多種途徑進(jìn)入人體，成人每天約攝入0.3～0.5毫克，嬰兒每天需氟化物0.5毫克，兒童則需1毫克，以保證牙齒鈣化期所必需的氟化物離子。

人體中的氟35%來(lái)自食物，65%來(lái)自飲用水。飲水中含氟量在0.5毫克/升以下，齲齒的發(fā)病率增高;含氟0.5～1.0毫克/升是齲齒和斑釉齒發(fā)病率最低的范圍，且無(wú)氟骨癥發(fā)生;含氟在1.0毫克/升以上時(shí)，斑釉齒發(fā)病率上升;當(dāng)大于4毫克/升時(shí)，氟骨癥逐漸增加。

大氣中的氟

氟元素很多時(shí)候存在于螢石中

玻璃儀器上的刻度是用氫氟酸“刻”成的

裝有六氟化鈾的一個(gè)安瓿（圖片來(lái)源/Wiki）

煉鋁廠在生產(chǎn)過(guò)程中，可產(chǎn)生大量的氟化氫氣體，污染周邊的大氣環(huán)境;磷肥廠在使用氟磷灰石生產(chǎn)磷肥的過(guò)程中產(chǎn)生大量含氟尾氣，污染周邊環(huán)境。而對(duì)居民來(lái)說(shuō)，一定濃度的氟化物可引起工業(yè)性的氟中毒。

另外，科研人員也發(fā)現(xiàn)，氟是煤中含量較高的微量元素。煤在燃燒時(shí)，其中的氟將發(fā)生分解，大部分以氫氟酸、四氟化硅等氣態(tài)污染物形式排入大氣，不僅嚴(yán)重腐蝕鍋爐和煙氣凈化設(shè)備，而且造成大氣氟污染和生態(tài)環(huán)境的破壞。中國(guó)部分地區(qū)由于在室內(nèi)用沒(méi)有煙囪的爐灶烘烤食物、取暖、做飯，煤燃燒釋放的氟為糧食吸收、富集，從而通過(guò)食物鏈、呼吸道進(jìn)入人體，導(dǎo)致居民氟中毒。

食物中的氟

中國(guó)大部分地方性氟中毒都是由于飲水中氟含量高所引起的。但某些地區(qū)的氟中毒，如山東和貴州及湖北省的一些地區(qū)，是由于食物中含氟高引起的。

一般情況下，動(dòng)物性食品中氟高于植物性食品，海洋動(dòng)物中氟高于淡水及陸地食品，魚(yú)和茶葉中氟很高。適量飲茶有助于預(yù)防骨質(zhì)疏松。不過(guò)，氟攝入量需嚴(yán)格掌握，過(guò)多或不足都有害。

氟在體內(nèi)主要分布于牙齒、骨骼、指甲和毛發(fā)中。氟經(jīng)由呼吸道和消化道進(jìn)入人體，吸收的主要部位為腸、胃，并很快進(jìn)入血液。氟主要從腎臟由尿排出，少量經(jīng)糞便、汗液、乳汁排出。骨骼的留存和腎臟的排泄是防止人體氟化物積蓄過(guò)多引起中毒的兩種途徑。

氟和氟化物的合理利用

對(duì)于氟元素，雖然有談虎色變的感覺(jué)，但是氟和含氟的化合物也有很多優(yōu)良的性能和特殊的用途。

氟元素很多時(shí)候存在于螢石（氟化鈣）中。純的螢石是沒(méi)有顏色的，但是由于自然界中的螢石往往都有雜質(zhì)，所以它們會(huì)呈現(xiàn)出綠色、紫色等各種顏色。螢石在加熱之后會(huì)發(fā)光，像螢火蟲(chóng)一樣，所以命名為“螢石”。

氟最重要的化合物是氟化氫。氟化氫很易溶解于水，水溶液叫氫氟酸。玻璃是大家熟悉的常用物質(zhì)，它耐火、耐高溫、耐酸、耐腐蝕，可是，如果把氫氟酸裝在無(wú)色透明的玻璃瓶里，很快瓶子內(nèi)壁就會(huì)模糊，玻璃開(kāi)始被腐蝕?？梢哉f(shuō)氫氟酸是玻璃的“克星”。人們便利用它的這一特性，先在玻璃上涂一層石蠟，再用刀子劃破蠟層刻成花紋，涂上氫氟酸。過(guò)了一會(huì)兒，洗去殘余的氫氟酸，刮掉蠟層，玻璃上便會(huì)出現(xiàn)美麗的花紋。玻璃杯上的刻花、玻璃儀器上的刻度，都是用氫氟酸“刻”成的。

在工業(yè)上，氟化氫被大量用來(lái)制造聚四氟乙烯塑料。聚四氟乙烯號(hào)稱(chēng)“塑料之王”，具有極好的耐腐蝕性能，即使是浸在王水中，也不會(huì)被侵蝕。它又耐250℃以上的高溫和-269.3℃以下的低溫，因此在原子能工業(yè)、半導(dǎo)體工業(yè)、超低溫研究和宇宙火箭等尖端科學(xué)技術(shù)中，有著重要的應(yīng)用。

在原子能工業(yè)上，氟有著重要的用途：人們用氟從鈾礦中提取鈾235，因?yàn)殁櫤头幕衔锖芤讚]發(fā)，用分餾法可以把它和其他雜質(zhì)分開(kāi)，得到十分純凈的鈾235。鈾235是制造原子彈的原料。

延伸閱讀地方病防控目標(biāo)

2019年7月出臺(tái)的《健康中國(guó)行動(dòng)（2019-2030年）》在地方病防控方面提出了明確目標(biāo)：到2020年持續(xù)消除碘缺乏危害;到2022年要基本消除燃煤污染型氟砷中毒、大骨節(jié)病、克山病危害，有效控制飲水型氟砷中毒、飲茶型地氟病和水源性高碘危害;到2030年要保持控制和消除重點(diǎn)地方病，讓地方病不再成為危害人民健康的重點(diǎn)問(wèn)題。

（責(zé)任編輯/岳萌 美術(shù)編輯/張小穗）