個性鮮明的鹵族元素

曲建翹 吳義梅

氯：一日三餐離不開?

科學家在發(fā)現氯氣前，就發(fā)明了鹽酸。把食鹽加入濃硫酸，所產生的氣體用水吸收后，便會形成一種有酸性的液體——鹽酸。

單質的氯第一次是用鹽酸加軟錳粉制出來的。18世紀70年代，瑞典化學家舍勒將軟錳礦（主要成分是MnO?）與濃鹽酸混合加熱，產生了一種黃綠色、有刺激性氣味的氣體。受當時流行學說的影響，舍勒未能確認這種氣體。直到1810年，英國化學家戴維以大量事實為依據，才確認這種氣體是一種新元素組成的單質——氯氣。從氯氣的發(fā)現到氯被確認為是一種新的元素，過程長達三十多年，其間經歷了數位科學家的不懈探索。

英國化學家戴維（圖片來源/維基百科）

氯氣呈黃綠色、有刺激性氣味

氯的應用十分廣泛，尤其在消毒方面對人類貢獻極大，如在各種自然災害（洪澇、地震等）過后，含氯消毒劑就會派上用場，同時，生活飲用水、醫(yī)院污水、廢水處理廠等也均離不開含氯消毒劑。

1974年，科學家分別從荷蘭和美國的城市自來水中檢出了以氯仿為主的三氯甲烷有機物，此后，隨著相關研究的不斷深入，研究人員發(fā)現自來水中有765種有害于人體健康的有機物，其中致癌物有20種，可疑致癌物23種，促癌物有18種，誘變物質有56種。除致癌物外，還有可引起人肝中毒、神經中毒、代謝紊亂等危害的物質，因此，研究人員開展了大量氯代用品的研究工作，其中二氧化氯是最有前途的一種消毒代替品。

含有氯氣的池水

不含氯氣的純天然泉水

二氧化氯是一種高效氧化劑，其氧化能力是氯的2.5倍，對細胞具有較強的吸附和穿透力，可有效氧化細胞內含巰基的酶，還可以快速抑制微生物蛋白質的合成，從而破壞微生物。二氧化氯除對一般細胞有殺死作用外，對芽孢、病毒、藻類、鐵細菌、硫酸鹽還原菌和真菌等均有很好的殺滅作用。

二氧化氯是第四代消毒產品（第一代消毒產品有效成分是氯酸鈉，生活中常見的產品為84消毒液;第二代消毒產品有效成分是對氯間二甲苯酚，其成本較高，有輕微毒性，同時也有輕微腐蝕性，生活中常見的產品為滴露消毒液、威露士消毒液等;第三代消毒產品有效成分是單雙鏈復合季銨鹽，生活中常見的產品為安潔全效除菌液等，其消毒殺菌率很高，但長期使用易使細菌病毒產生抗藥性），被世界衛(wèi)生組織和世界糧食組織列為A1級安全高效消毒劑。為控制飲用水中“三致物質”（致癌、致畸、致突變）的產生，歐美發(fā)達國家已廣泛應用二氧化氯替代氯氣進行飲用水的消毒。

化學武器的始祖

1915年4月22日，在第一次世界大戰(zhàn)的比利時戰(zhàn)場上，英法聯(lián)軍在戰(zhàn)壕里與德軍對峙著。突然，從處于上風口的德軍陣地上升起一股黃綠色的云團，一直飄向處于下風口的英法陣地，隨著黃綠色的氣體涌來，毫無準備的兩萬余名英法聯(lián)軍士兵猝不及防，先是出現咳嗽，喘息，繼而大多士兵因中毒而死亡。這些黃綠色的云團就是氯氣，而這也是氯氣在人類戰(zhàn)爭史上的第一次“亮相”，也正是這次行動標志著人類放出了化學武器這個恐怖的惡魔。

自來水的制備示意圖

戰(zhàn)爭催生科技的發(fā)展。事后，科學家們注意到了一個奇怪的現象。原來，在德軍施放毒氣彈的地區(qū)，除了聯(lián)軍士兵和居民的尸體外，各種飛禽、牛、羊、馬、狗也慘遭毒害。可是，豬卻大量地活著，并沒有中毒的跡象。那么，豬為什么沒有中毒呢？

一戰(zhàn)時佩戴防毒面具的土兵和戰(zhàn)馬（圖片來源/維基百科）

原來，豬比其他畜牧的嗅覺靈敏得多，它們很早就能聞到異味，馬上拼命逃竄。當逃不出去時，它們就拼命地刨土，然后把長鼻子插入刨松的泥土中“閉目養(yǎng)神”。毒氣散盡后，其他動物都死了，它們卻不慌不忙地從土中拔出鼻子，用力把鼻孔中的土粒噴出，然后就跟沒事一樣跑了起來。由此，科學家研發(fā)出世界上第一個類似豬鼻子形狀的防毒面具，此后，防毒面具又經過不斷改良，現在，新型、優(yōu)良的防毒面具已裝備到各國的軍隊以應對生化武器危害。

溴：沉睡海底千年的美人

1824年，法國化學家巴拉爾將從大西洋和地中海沿岸采集到的黑角菜燃燒成灰，然后用浸泡的方法得到一種黑灰色的浸取液。他往浸取液中加入氯水和淀粉，溶液即分為兩層：下層顯藍色，這是淀粉與溶液中的碘反應生成的;上層顯棕黃色，這是從前沒有見過的現象。巴拉爾試圖把新的化合物分開，他用乙醚將棕黃色的物質提取出來，再加入苛性鉀（一般指氫氧化鉀），則棕黃色褪掉;把溶液加熱蒸發(fā)至干，剩下的物質則像氯化鉀一樣;把剩下的物質與硫酸、二氧化錳共熱，則產生紅棕色有惡臭的氣體，冷凝后變?yōu)樯罴t棕色液體。1826年8月14日，法國科學院審定了巴拉爾的報告后，充分肯定了他的實驗結果，并建議將新元素改稱為溴。

溴液體及氣體呈紅棕色

巴拉爾發(fā)現溴的消息公布以后，德國有兩位化學家曾追悔莫及，因為他們都錯失了發(fā)現新元素的良機。其中之一就是德國著名的有機化學家李比希。李比希曾接受一家制鹽廠的請求，考察母液中含有什么成分。在分析的過程中，他發(fā)現往母液中加入淀粉碘化物，過夜后母液變?yōu)辄S色;再將母液通入氯氣進行蒸餾，得到一種黃色液體。他沒有多加分析研究就斷定該液體是氯化碘，并在裝液體的瓶子上貼了氯化碘的標簽。殊不知這種黃色物質并不是氯化碘而是溴。

溴及其化合物在人類生產生活中有廣泛應用。大量的溴用于制造感光材料和染料、化學試劑及醫(yī)學藥物等，家用藥箱中的必備藥品紅汞就是溴汞化合物。溴可以經呼吸道和皮膚進入人體，主要經呼吸道排出體外，其毒作用與氯相似，對呼吸道及肺有強烈刺激作用，對皮膚有刺激和腐蝕作用。

德國化學家李比希（圖片來源/維基百科）

碘：智力元素

和科學史上的很多重要發(fā)現一樣，碘的發(fā)現充滿了意外。碘是法國化學家貝爾納·庫爾圖瓦在1811年發(fā)現的。當時，庫爾圖瓦發(fā)覺到盛裝海草灰溶液的銅制容器很快就會遭到腐蝕，他認為是海草灰溶液含有的一種不明物質在與銅作用。他將硫酸傾倒進海草灰溶液中，發(fā)現產生了一股艷麗的紫色氣體。這種氣體在冷凝后不形成液體，卻變成暗黑色帶有金屬光澤的結晶體。庫爾圖瓦把他取得的這種晶體送請當時的法國化學家克萊門、德索梅、蓋·呂薩克等人進行研究鑒定，后來由蓋·呂薩克命名為碘。

碘伏消毒溫和、無刺激

19世紀30年代，人們將碘與酒精混合到一起發(fā)明了碘酒，并很快獲得了美國藥典的承認，在之后的美國南北戰(zhàn)爭中，碘酒挽救了大量的生命，自此以后碘酒在世界上廣獲使用。雖然碘酒有很好的消毒作用，但缺陷也比較明顯，它的腐蝕性和刺激性過大，不能用于黏膜和傷口的消毒，后來為了解決碘酒的消毒缺陷，人們在20世紀50年代發(fā)明了碘伏，也就是碘和表面活性劑的絡合物，也叫絡碘或絡合碘，它對皮膚無刺激性，性能穩(wěn)定、溫和，可以與水任意比例混合，中國在20世紀80、90年代開始廣泛使用碘伏。

碘升華為紫色氣體

除了碘酒和碘伏，人們對碘的認識莫過于加碘的食鹽了。碘是人體所必需的微量元素，在人體內主要存在于頸部的甲狀腺。甲狀腺是人體內最大的內分泌腺，由它合成和分泌的甲狀腺激素，有促進組織代謝和身體發(fā)育的作用，可促使各組織器官生長、發(fā)育、分化、成熟，對人類的生長、智力發(fā)育以及繁衍起著巨大的作用。2018年，國家衛(wèi)生健康委員會疾病預防控制局委托專家編寫了《中國居民補碘指南》，做到既消除碘缺乏病、又防止碘過量危害，為防治碘缺乏病和高碘危害提供依據。

甲狀腺激素合成過程圖解（圖片來源/維基百科）

《中國居民補碘指南》指出，中國是世界上碘缺乏病分布廣泛、病情較嚴重的國家之一，因此，碘缺乏病防治是一項長期工作，應堅持不懈。另外，當前中國居民中一般人群整體處于碘營養(yǎng)適宜的狀態(tài)，但特需人群還面臨碘營養(yǎng)缺乏的風險。妊娠女性、哺乳女性、嬰幼兒等人群是碘的特需人群，兒童和青少年是碘缺乏病防治的重點人群，在日常生活中這部分人群尤應注意充分補碘。