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氟的传奇历史
来源:亚农新闻 | 作者:亚农股份 | 发布时间: 2024-01-04 | 341 次浏览 | 分享到:

 

 

氟(Fluorine)是一种非金属化学元素,化学符号为F,原子序数为9。氟是卤族元素之一,属周期系ⅦA族,在元素周期表中位于第二周期。氟元素的单质是F2,它是一种淡黄色有剧毒的气体。氟气的腐蚀性很强,化学性质极为活泼,是氧化性最强的物质之一,甚至可以和部分惰性气体在一定条件下反应。

氟是人体骨骼和牙齿中不可缺少的元素,适量的氟可以增加骨骼的硬度、抑制口腔细菌的生长。氟也是国民经济发展的重要元素,在汽车、电子信息、建筑材料、石油化工、金属、玻璃、农业等领域都发挥着重要作用。

然而,在化学元素发现史上,氟元素的发现可谓是参加人数最多、持续时间最长、危险性最大的研究课题。


制氟之战拉开序幕


关于氟元素的记载,最早可以追溯到1529年,德国矿物学家阿格里克拉曾在手记中记录,矿工在钢铁冶炼炉中加入一种矿石,这种矿石可以提高炉温,除去硫、磷等杂志,并且还能和炉渣形成共熔物,使得矿渣和金属铁更易分离。这种矿石便是后来为人熟知的萤石。



到了1670时,德国一个名为施瓦哈德的玻璃工在偶然之下把萤石和硫酸混在一起,产生的气体使他的眼镜蒙上了一层薄雾,让他意识到这种气体能够腐蚀玻璃。于是他开始利用这一方法对玻璃进行雕刻,制成拥有各式花样的玻璃艺术品,成为了一个颇受宫廷皇室赏识的玻璃雕刻家,赚到不少钱,但对这一技术的原理,他始终一无所知。

1780年,瑞典化学家卡尔·威尔海姆·舍勒对这一现象十分着迷,他猜测萤石与硫酸接触产生的这种气体,很有可能含有某种未知的活泼元素,为了验证自己的猜想,他进行了多次实验,但他因中毒早早离开人世,未得答案。后来,很多化学家们都积极投入到对这一气体的研究当中,他们发现萤石与硫酸混合后得到的混合物,性质与盐酸十分相似,但比盐酸稳定,而且对于玻璃和一些硅酸盐矿物的腐蚀性非常强。1810年时,英国化学家戴维通过实验得出结论:氯气是一种元素而非化合物,并指出酸中也许不一定含有氧元素。

这一发现给法国化学家安培带来了很大启发,他根据研究指出,这种萤石与硫酸产生的混合物中可能含有一种和氯相似的元素,他将这种元素命名为fluorine(氟)。得知这一结论的戴维,开始使用他最擅长的电解法尝试分离出氟单质。


 

同一时期,法国化学家盖·吕萨克和泰纳合作开展了电解法制氟的实验,同样因中毒而终止了实验。1834年,戴维的学生法拉第也曾对电解法制氟进行尝试,但实验均未成功。1836年,爱尔兰科学院的乔治·诺克斯和托马斯·诺克斯两兄弟试图用氯与氟化汞反应制取氟单质,但在实验过程中中毒倒下,被紧急送往医院救治。比利时化学家保林·鲁耶特和法国化学家杰罗姆·尼克雷也先后开展了进一步的研究,最终因此中毒,为科学献身。

1854年,法国化学家埃德蒙·弗雷米多次用电解法电解熔融的无水氟化钙、氟化钾和氟化银,生成的气体很快将铂电极腐蚀,始终未能收集到氟。1869年,英国化学家比尔·哥尔也决定尝试用电解法分解氟化氢制备氟单质,但由于不了解氟的性质,实验中产生的少量单质氟与氢气发生了剧烈的化合反应,引发了爆炸事故。

这时,很多科学家已经意识到:氟是一种非常活泼的元素,要将这种元素从化合物中分离出来十分困难。

 

攻克


梦寐以求的氟单质1872年,一个名叫亨利·莫瓦桑的年轻人成为了埃德蒙·弗雷米的学生,开始了自己的化学研究之路。当制备单质氟的研究课题交到莫瓦桑手上时,他并未对这个难倒了众多化学家的难题感到气馁,反而下定决心要攻克这一难题。莫瓦桑依据文献中的实验记载,进行了多次实验,但都没有成功,还因为尝试用氟化砷来进行电解而中毒,被迫中断了实验。最终,莫瓦桑改进了电解装置,设计了铂制U形管装置,用萤石制成塞子,并用冷冻剂为实验装置降温,降低反应温度,终于在通入电流后得到了无数科学家梦寐以求的氟。这一年是1886年,距离安培将其命名为氟已经过去了七十六年。



1906年,莫瓦桑因为在氟单质制备和氟化合物合成上的卓越成就获得诺贝尔化学奖,成为了因对化学元素的发现做出贡献而获得诺贝尔化学奖的第二人。成功制备出氟单质以后,莫瓦桑开始进行氟化物的研究,成为了第一位制备出许多新氟化物的化学家,他制备了气态的氟代甲烷、氟代乙烷、异丁基氟,通过碳与氟的反应合成了许多氟碳化合物,其中最引人注目的就是四氟代甲烷,因为它正是后来的高效制冷剂氟利昂的前身。莫瓦桑将自己研究氟的成果编成了《氟及其化合物》一书,作为后人研究氟及其化合物的参考资料。


 


结语:关于氟的更多可能氟元素成功制备的百余年后,含氟化合物广泛运用于人类生活中的方方面面,为生产力的发展与人类社会的进步做出了重要贡献,传统产业如玻璃生产、陶瓷制作、金属冶炼等,新兴行业如新能源电池、半导体等,都有氟的踪影。氟化学开拓者们将自身的智慧与执着化为利器,在未知的氟领域艰辛摸索,开拓了通往真理的道路,而他们面对未知领域时一往无前的探索精神将如灯塔的光一般,引领我们往更深更广处走去,寻见关于氟的更多可能。