春風笑史 數學史上曾經有過無數未解難題,這些難題曾經讓眾多數學家的腦細胞備受折磨,他們的主要武器是紙和筆。 物理學家們也遇到過難題,他們除了和數學家一樣在辦公室裡提出理論,還需要用實驗來驗證他們的想法。 但是,大多數時候,除了多費一些電以外,他們也是安全的。 在歷史上,化學家們則是需要勇氣的,他們為了解決難題,為了證明自己的設想,有些時候需要將安全置之度外,甚至需要冒著生命的風險。 今天我們要說的乃是化學史上最悲壯的一段:化學元素史上,參加人數最多、危險最大、工作最難的研究課題——氟的發現歷程。 △ 螢石,現代氟化工的主要原料 對於危險的事情,我們可愛的舍勒同學總是衝在第一線的,1771年,他聽聞之前的一些故事,將螢石和硫酸放在一起加熱,結果發現玻璃容器都被腐蝕了,他認為這其中產生了一種酸性物質,他把這種酸性物質命名為「螢石酸」。 現在我們知道了,這就是腐蝕性極強的氫氟酸! 我們沒有任何關於舍勒品嚐或者聞嗅氫氟酸的記錄,但是我們知道舍勒習慣親自「品嚐」一下發現的化學元素。 他曾經聞過「火焰空氣」,還嘗過劇毒的氫氰酸,我們有理由相信,舍勒同學一定會與氫氟酸進行「親密接觸」。 最終我們知道,舍勒同學,44歲,卒。 △圖為瑞典化學家舍勒 法國物理學家、化學家安培是一個善於思考的人,他從氫氟酸的各種性質看出來,這是一種和鹽酸類似的酸。 1810年,他提出,氫氟酸中可能還有一種和氯相類似的新元素,他提議將它命名為「氟」,意思是易於流動的意思。 安培的想法中已經有了「族」的模糊概念,也是門捷列夫提出元素週期律的基礎之一。 好在安培沒有去開展發現氟的實驗,所以他活到了61歲。 △圖為法國化學家安培 真正的化學家不會滿足於這種模糊的認知,他們最大樂趣莫過於發現了未知的事物,至於風險和安全,他們既然已經決定投身化學事業,就早已經將這些置之度外。 1813年,大帥哥戴維已經利用電流發現了幾種新元素,這次他決定用他的利器電流來分解氟化物。 一開始,他用氯化銀和鉑做容器,向氫氟酸通電,結果鉑電極都被腐蝕了。 真是個厲害東西,竟然把白金都腐蝕!「好吧,那我乾脆用氟化物:螢石做容器好了!氟化物已經是被氧化之後的產物,總不能繼續唄氧化了吧。 」戴維想。 他重新通電,結果這次陽極收集到了氣體,戴維一檢查,發現是老熟人:氧氣。 看來電解的是水,而不是氫氟酸。 戴維還是因此而影響了健康,所幸後來,戴維因為忙於其他工作而沒有繼續氟的研究,他最後活到了50歲。 △圖為英國化學家戴維 跟戴維同時期,法國科學家蓋呂薩克和泰納也用同樣的方法嘗試獲得氟,都沒有成功,這兩人還因為吸入過量的氫氟酸而中毒,被迫停止了實驗。 △圖為法國化學家蓋 呂薩克 1834年,戴維的徒弟法拉第接過師傅的衣缽,設法揭開製取遊離氟的謎,未果。 1836年,蘇格蘭化學家諾克斯兄弟倆也向這一難題發起挑戰。 他們用乾燥的氯氣處理乾燥的氟化汞,並用一片金箔放在容器的頂部,事實上他們確實得到了氟,依據就是頂部的金箔已經變成了氟化金,只是他們沒有想到連黃金都被製得的氟所腐蝕。 更讓人唏噓的是,他們哥倆都嚴重中毒,弟弟托馬斯·諾克斯幾乎死亡,哥哥喬治·諾克斯被送到義大利療養了三年才恢復健康。 諾克斯兄弟之後,比利時化學家魯耶特不避艱辛和危險,不斷重複諾克斯兄弟的實驗,雖然採取了防毒措施力圖避免中毒,但因長期從事這項研究,最後竟因中毒太深而獻出了寶貴的生命。 不久,法國化學家尼克雷也同樣殉難。 1854年,法國化學家弗雷米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,陽極上也產生了少量氣泡,而生成的氣體很快將鉑電極腐蝕,即使他想盡了一切辦法,始終未能收集到氟。 他又嘗試電解液態無水氟化氫,同樣失敗,因為氟化氫是共價化合物,即使是液態也不電離,因此是絕緣體。 電解含水的氟化氫,前輩已經失敗了N次,分解是水不是氟化氫。 1869年,英國化學家哥爾也用電解法分解氟化氫,結果發生了爆炸。 原來少量的氟單質生成,與分解水生成的氫氣化合引起爆炸。 他又試驗了金、鉑、碳等多種電極材料,無一不遭到破壞。 你看,氟的發現史簡直就是一部燒錢史,無數的黃金白金就這樣打了水漂,好吧,我承認我太物質了。 氟的發現史上,經歷了那麼多痛徹的失敗,大家把這種未知元素稱為「死亡元素」,聞之色變。 這沒有擋住勇者的腳步,還有很多化學家明知山有虎,偏向虎山行,弗雷米的學生莫瓦桑就是其中一個。 △圖為法國化學家莫瓦桑 莫瓦桑是一個法國鐵路工人的兒子,從小家境困苦,一直到12歲,他才進入小學。 雖然他的父親沒有錢給他買書和文具,但是他特別熱愛學習,每次考試都是第一名。 他尤其熱愛化學,從老師那裡借來了各種化學書,如飢似渴地閱讀,同時,還自己動手做各種化學實驗。 沒多久他就因為家庭困難而輟學去藥店做了學徒。 在這期間,莫瓦桑竟然出了名。 有一次,藥店裡衝進來一個人,他汗流滿面,呼吸困難,大喊救命:「我中了砒霜毒。 」老藥劑師搖搖頭,表示無能為力了。 這時,莫瓦桑站了出來,他讓病人服用了一些酒石酸銻鉀和三氯化鐵,結果病人很快就好轉,過幾天就康復了。 事後,巴黎的一家小報以《「起死回生」的藥店學徒》為題,報導了這件事,許多巴黎人都知道了莫瓦桑的名字。 當然莫瓦桑不是追求名利的人,他一邊做學徒,一邊自學,22歲那年,他考試透過,拿到了中學畢業證書,25歲那年,又拿到了大學畢業證書,並考上了化學家弗雷米的研究生,這成為他一生的轉折點。 在弗雷米的實驗室裡,他貪婪的學習和實驗,經常連續十幾小時查閱資料和做實驗,有一次竟然連續工作三十小時。 在他進入弗雷米實驗室後的第二年,有一個同學拿著一個藥品的瓶子告訴他:「這是氟化鉀,世界上還沒有一個人能從裡面提取出單質氟。 」「我們的老師也不能嗎?」「是的,大化學家戴維都失敗了,諾克斯、蓋呂薩克、魯耶特、尼克雷都失敗了,他們中的有一些中毒,有一些甚至送了命。 」從此,「單質氟」、「死亡元素」在莫瓦桑的腦海裡不時的浮現出來,這已經成為他人生中最高遠的目標。 △莫瓦桑在實驗室 1885年,莫瓦桑開始了他的人生工程。 他先花了好幾個星期的時間查閱科學文獻,研究了幾乎全部有關氟及其化合物的著作。 他認為已知的方法都不能把氟單獨分離出來,只有戴維設想的一種方法還沒有試驗過。 戴維認為:磷和氧的親合力極強,如果能制氟化磷,再使氟化磷和氧作用,則可能生成氧化磷和氟,由於當時還沒有方法制得氟化磷,因而設想的實驗沒有實現。 於是莫瓦桑用氟化鉛與磷化銅反應,得到了氣體的三氟化磷,然後把三氟化磷和氧的混合物透過電火花,結果發生了爆炸,燒壞了兩個白金管,更令人喪氣的是三氟化磷和氧生成的根本不是氟,而是氟氧化磷。 當時的化學還根本沒有化學勢的概念,從拉瓦錫時代開始,人們就一直認為氧的氧化性是最強的。 氧元素甚至作為酸素幫助其他元素形成含氧酸,去氧化其他物質。 現在人們發現了,氟甚至能作為氧的「酸素」,形成氟氧化物,這該有多強的氧化效能! 好了,過去的無數失敗教訓似乎是在論證一個騙子的悖論:我的瓶子裡是腐蝕性最強的東西。 當然就會有智者反駁:那它為什麼腐蝕不了你的瓶子呢?是的,我們知道氟是腐蝕性最強的單質,然而又要求我們找到能不被他腐蝕的容器,這得有多難! △白金容器可以用作坩堝,但是卻很難抵禦氟的侵蝕。 然而莫瓦桑絕對不會放棄,他想:氟必然是一種最活潑的非金屬元素,那就不能在高溫下製備它,也不能用一般的化學方法,如置換反應等。 看來,只有用電解法了!電解法同樣存在之前科學家們的問題;有水吧,只是把水分解成氫和氧;沒有水吧,怎麼導電呢?莫瓦桑的方法是,在氟化砷、氟化磷中加入一點氟化鉀,這樣氟化鉀可以幫助室溫下的氟化砷、氟化磷導電。 莫瓦桑接通了電流,電流通了過去,陰極上開始慢慢積累了一層砷,莫瓦桑欣喜異常。 可是沒過多久,反應慢慢停止了,他發現是因為陰極上的砷阻礙了導電。 他正準備調整他的方案,卻發現自己的神志開始不清醒了,原來氟化砷和砷開始揮發,這些都是劇毒的物質。 「難道我也會像之前的化學家,因為氟而死去嗎?」他用最後的力氣關閉了電流,昏倒了過去。 △莫瓦桑發現氟的裝置。 當他醒來的時候,已經是幾個小時以後了,他的妻子路更正在他身邊哭泣。 「親愛的路更,跟你說過多少次了,你不要來我的實驗室,這裡全是毒品毒氣。 」「親愛的莫瓦桑,如果不是我過來開啟通風,不知道你還能不能醒來。 快停止你的實驗吧,休息一段時間。 」「哦,不!我不能休息,我的實驗馬上就要成功了!」 莫瓦桑又開始做實驗了,他找了一個白金的U型管,將它打磨光滑,氟與光滑的白金表面反應較慢。 關鍵是塞子,在介面處,總有凹凸不平的地方,他花了四天時間將一大塊螢石磨製成一個塞子,這樣總算可以確保安全,而且讓氟可以不與塞子反應了。 他將氟化砷、氟化磷、氟化鉀的混合物裝進U型管,又用冷卻劑將體系的溫度降到-23度,他插入電極,通上電流,很快,在陽極的上方,一絲又一絲淡黃色的氣體冒了出來。 莫瓦桑激動異常,大喊道:「Fluorine!Fluorine!」 「死亡元素」從舍勒開始,歷經100多年,終於被製造了出來!在這背後,是無數化學家的血淚甚至他們的生命,這是一段悲壯的歷史,更凝聚著人類對於未知的渴望,這是人類文明最可貴的精神!朝聞道夕可死,此之謂也。 1906年,諾貝爾化學獎被授予莫瓦桑,以表彰他發現氟單質的貢獻。 這個授獎是對他最有意義的回報,而且也正當時,因為1907年,莫瓦桑就因病去世了,臨死之前,他感嘆:氟奪走了我十年的生命! 莫瓦桑死後,他的妻子路更也因悲痛而去世。 他們的兒子路易將他們的所有遺產20萬法郎捐獻給巴黎大學作為獎學金,一種叫做莫瓦桑化學獎,用以紀念他的父親;另一種叫做路更藥學獎,用以紀念他的母親。 向化學家們致敬! 《史上最悲壯的元素——氟的發現!》完,請繼續朗讀精采文章。 喜歡 科學報 cn-n.net,請記得按讚、收藏及分享。
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史上最悲壯的元素——氟的發現!
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