2018春节番外篇：福(氟)到了
祝大家春节快乐，万事如意！
我们普通人过春节也没多少讲究，就是阖家团圆外带吃好喝好。初一的饺子初二的面，初三合子往家转，初四烙饼炒鸡蛋。我家附近有PM2.5监测点，尽管已经是郊区，也不许放炮仗，倒是没干扰我录音。
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现代的年味早已经打了折扣，古代就不一样了。你看王安石写诗描写春节的景象是：爆竹声中一岁除，春风送暖入屠苏。千门万户瞳瞳日，总把新桃换旧符。贴春联是少不了的。这年头会吟诗作对的也不多了，市场上有不少春联可以买。有人干脆贴个福字，还要倒着贴，取个口彩“福到了”。不过也有民俗专家说不能倒着贴。没关系，看你高兴，你要高兴横着贴都没关系。
狗年旺旺！
我们今天讲的内容和氟是有关系的，但是不是幸福的福，是氟元素，这个卤族元素之中最难提取的家伙。氟元素的发现史可是历时118年之久，最早是德国化学家马格拉夫发现了氢氟酸。到1886年莫瓦桑提取出氟元素的单质，一个世纪就过去了。
最早人们发现有一种东西叫做“萤石”，为什么起这个名字呢？因为在阳光照射过后，你迅速拿到黑暗中去看，会看到这种彩色的石头会发出荧光。有的石头荧光时间非常长，有的石头荧光时间非常短。今天市场上很多所谓的夜明珠，就是由发光时间比较长的萤石材料做成的。所以这些东西一点都不值钱。早在河姆渡时期就发现过用萤石来做装饰品。我们的老祖宗已经发现这东西是会发出荧光的。
美丽的萤石
但是大家请注意，萤石这种材料千万不能和酸性的东西放在一起，和酸性的东西放在一起，会产生氟化氢，溶解在水里就是氢氟酸。1670年，有个德国人就发现，用萤石和硫酸放在一起，会冒出一种气体，这种气体居然能腐蚀玻璃。如果在玻璃表面涂上一层蜡，然后在蜡上刻出花纹，然后再用这种蒸汽去熏。等到你把蜡去掉就会发现，花纹已经刻在了玻璃上。
现代用氢氟酸蚀刻的玻璃
于是这种技术就成了他们家的祖传秘方，打死我也不说。到了1768年，马格拉夫重新发现了制取这种气体的办法。实际上萤石的主要成分是氟化钙，氟化钙和硫酸发生作用，生成氟化氢气体和硫酸钙。氟化氢气体溶解在水里就是氢氟酸。
1771年的时候，瑞典化学家舍勒曾经制取过氢氟酸，他用的办法也和马格拉夫差不多，用的是硫酸、硝酸和磷酸的混合物，然后把萤石扔到这种液体里面，然后放到瓶子里加热。舍勒发现它的性质很像盐酸，但是比盐酸更加稳定，它的酸性比盐酸要弱得多，但是他对玻璃和硅酸盐类的矿物腐蚀性却非常强。所以这个东西可以用来腐蚀玻璃。
到了1810年英国的戴维也证明了盐酸实际上是氯和氢组成的。他不是去了一趟法国吗？跟法国的安培还搞得很熟。安倍就认为氢氟酸和盐酸很类似。既然盐酸是由氯和氢组成的，那么一定存在一种新的元素，它和氢组成的酸就是现在这个氢氟酸。所以氟元素这个名字就是安培起的，来源就是萤石。
尽管当时氟元素的单质谁都没见过，大家还是确认应该存在这样一种化学元素。于是化学家们就踏上了制取氟单质的漫漫征途，这个征途实在是太长了。
到了1813年，戴维就开始想法子提取氟元素。他打算先制备出磷和氟的化合物，然后呢？在用氧气和这种化合物混合加热。他是想啊，用氧把里面的氟给替置换出来，但事实上，氟的化学性质远比氧更活泼，所以戴维怎么搞都搞不出来。戴维一看实在是不行，必须拿出秘方，拿出伏打电池了。他看看这次能不能用电解法制取出氟元素。
戴维开始想办法辩解氢氟酸。电极是用铂材料做的，说白了就是非常贵重的白金。结果白金都被腐蚀掉了，他还是没能得到任何一点氟元素。后来他又改进了实验装置，仍然得不到氟气体。他只能得到氧气，说白了电解的是水。
铂是常用的电极材料
同时法国的盖-吕萨克也在用电解法尝试提取氟单质，结果跟戴维是一样的，他什么都没得到。不仅如此，他还因为吸入了氟化氢气体而严重中毒。很多中学学过化学课的人可能都知道 ，氢氟酸是一种弱酸。但是酸性跟毒性不是一码事儿。氢氟酸是个极其危险的东西，大家千万要留神注意。看网上的案例，做实验，不小心手上撒了一点儿氢氟酸，开始也没在意，因为并不是很疼，但是越来越疼。后来去医院看的时候已经晚了。皮肤和指甲都已经变黑。慢慢的皮肤变硬，最后脱落，下面长出新的皮，这个过程是极其痛苦的。看网上这个案例，前前后后花了一百天才好。
沾染了氢氟酸一段时间以后发皮肤会发黑
氟元素太过活泼了，它非常容易和身体里的钙镁离子相结合。使得大量的钙镁离子变成了氟化钙氟化镁。1994年，澳大利亚一个家伙把100毫升70%的氢氟酸洒到了右裤腿上，他立刻拉出消防水龙头狂冲啊，最后还跳进游泳池，但是也没用，最后他右腿截肢也没能保命，两个礼拜之后他还是死了。
浓度低的氢氟酸撒到往往没什么感觉，也不算太疼，过24个小时才会有感觉。所以等到引起警觉，已经晚了。所以一旦发现沾上了氢氟酸，千万别迟疑，直接找到当地的化工职业病防治机构。他们有经验，很多大医院都难以处理，因为他们没碰到过。
所以我们都要清楚，19世纪初期的那些个化学家，简直像猫有九条命一样，如果不是命大，不不是运气好的话，根本就活不下来。即便是幸运儿，他们的寿命也不太长。戴维只活了51岁，舍勒只有44岁。
到了1834年，法拉第开始继续向制取氟单质的方向冲击。他都没能成功，不管是想办法电解干燥的或者熔融的氟化物都不行，烧化了都不顶用。1836年，苏格兰化学家诺克斯兄弟开始用氯气处理干燥的氟化汞。他们把一片金箔放进了玻璃仪器的顶部，最后试验的结果呢，得到了氯化汞结晶，金子变成了氟化金。金子是多稳定的元素啊，简直是刀枪不入，但是仍然顶不住氟元素的活泼特性。这兄弟俩推断，肯定在反应过程中是产生了氟单质的，但是马上又和其他东西产生化学反应。因此他俩根本收集不到氟单质。为了制取氟单质，这兄弟俩都严重中毒，几乎把命搭上，休养了三年才缓过这条命。
但是他们的实验指明了一条路，就是氟单质是可以被制取出来的。后来比利时的化学家鲁耶特继续了这兄弟俩的试验。他长期从事这种研究，中毒比较深，最后把命搭上了。把生命搭上的不仅仅是他，还有法国化学家尼克雷。
爱德蒙·弗雷米
到了1854年法国化学家弗雷米开始用电解法来电解氟化钙、氟化钾和氟化银。需要把这些东西捎到熔融状态再电解，完全没有水的参与。在阴极上他收集到了金属，比如说钙、钾和银他们都收集到了，按理说阳极上应该产生氟单质，但是阳极上冒出了极少的气泡，很快产生的这些气泡就把铂电极给腐蚀了。就连白金都顶不住氟元素的腐蚀。他又开始想办法电解氟化氢，但是氟化氢根本就不导电。他一点儿办法都没有。假如是电解氟化氢的水溶液，最后会产生氧气，说白了电解的是水。1869年英国人格尔也用电解法分解氟化氢，结果发生了爆炸。这个过程中显然是产生了极少量的氟气的，但是服这个元素实在是太活泼了，他在冷暗处和氢气碰上都会引起爆炸，这爆炸就这么来的。
最终提取出氟单质的，是弗雷米的学生莫瓦桑。我们发现莫瓦桑的这个经历和法拉第非常像，他1852年9月28号出生在巴黎，曾经在公立中学上学。后来因为家里太穷了，没办法呀，中途辍学了。他18岁就在巴黎的一家药房做学徒，他也是非常喜欢去听科学家的演讲。一来二去就认识了当时法国自然博物馆的馆长，工艺学院的教授弗雷米。人家一看这孩子挺聪明，挺好学，就收他当了个学生。
莫瓦桑功成名就之后的照片
在法国，当时研究有机化学的人非常多，研究无机的人反倒是少数。这个莫瓦桑决定在无机化学方面下功夫。可能是受了他老师弗雷米的影响，这个莫瓦桑对氟单质的提取非常有兴趣。这是一个世纪难题。
莫瓦桑要做的第一件事儿就是总结过去70多年来的经验和教训。实践证明，电解氟化物的水溶液是行不通的，氟元素死活留在溶液里面不出来。那么电解熔融的氟化物行不行呢？在高温下，氟化物对电解槽和电极材料会产生强烈的腐蚀。即便产生了极少量的氟单质，你也没有办法收集起来。无水液态的氟化氢又不导电，也是无法电解的。因此这是个非常头疼的问题。氟元素的化学性质太活泼了，除了电流，没有别的办法能把它拽出来。但是往往拽出来的瞬间，氟元素就和别的东西发生反应不见了。
莫瓦桑发现氟化砷是一种液态的物质，但是这种东西是有剧毒的。砷的化合物往往都有剧毒。这东西在低温的情况下也还是液态。假如温度低，分解出来的氟单质就不太容易和电极以及电解槽发生化学反应。所以氟化砷就是一个非常好的材料。但遗憾的是，氟化砷不导电，需要在里面加入微量的氟化钾使得液体能够导电。
莫瓦桑开始电解氟化砷，电极上的确有小气泡冒出来。但是很快，阴极表面就覆盖了一层被电解出来的砷元素。砷元素是不导电的，所以电解反应也就停了。莫瓦桑做了很多次实验，效果都不理想。他在试验期间，因为四次中毒而晕倒。所以这个莫瓦桑是真够拼的，连命都不要了。
看来氟化砷是不行了，于是莫瓦桑转向了氟化氢。温度比较低的情况下，氟化氢是液体。但是氟化氢是不导电的，你想电解是不行的，只能加入一点儿氟氢化钾。这次电解在阴极上聚集了很多氢气，但是在阳极上却没有氟单质气泡冒出来。莫瓦桑差点儿哭了，这个氟元素怎么就这么难搞啊。他发现，在容器瓶口的玻璃塞子上有白色的粉末。原来是氟气和玻璃发生了反应，玻璃被氟气给腐蚀了。
莫瓦桑大喜过望，现在看来制取氟气的问题已经变成了防止塞子被氟元素腐蚀的问题了。什么东西可以防止被氟元素腐蚀呢。答案很简单：萤石。因为萤石是氟化钙，本身就是氟的化合物，当然不会再跟氟反应。但是萤石比贝壳略微硬一点儿，加工起来挺费劲。莫瓦桑糊了四天才弄出两个萤石的塞子。
1887年出版物上的莫瓦桑实验装置插图
莫瓦桑继续开始电解，实验装置他都仔细检查过，可能和氟元素反应的部分他全换成了萤石材料。这一回，阳极附近果然聚集了不少的气体。他拿出一根硅条，伸进了这种气体里面，硅条立刻燃烧了起来。硅并不是一种非常活泼的元素，就这样见到氟元素立马就烧起来了。可见氟元素有多活泼。这个神秘的氟元素终于被人类给揪出来了。这一年是1886年，莫瓦桑34岁。
莫瓦桑不是法兰西科学院的院士，因此他请别人代交了报告。法兰西科学院很感兴趣，成立的三人评估小组来评估他的发现，其中就有他的老师弗雷米。后来在向法兰西科学院做的公开演示之中，莫瓦桑玩儿砸了。他仔细调整了实验的药品，加入了氟氢化钾，试验获得成功。莫瓦桑从此一举成名。法国科学院发给他一万法郎的拉·卡泽奖金。莫瓦桑拿到奖金的第一件事儿就是还债。实验毕竟是要花钱的，莫瓦桑已经欠了一屁股债了。
后来他成了巴黎药学院的毒物学教授。1891年成了法兰西科学院的院士。1906年，拿了诺贝尔奖。但是他的身体很差，因为他得了氟骨病，也就是慢性氟中毒，后来生活几乎不能自理。他每天都是在疼痛中度过的，而且四肢无力。毕竟他与氟元素打交道太多了。55岁莫瓦桑就去世了。那时候的化学家，真的都有九条命。
氟元素在现代工业中使用极其广泛。比如说每天早上使用的牙膏里面就含有氟元素。原理就是极微量的氟元素和牙齿里的钙结合产生氟化钙，可以防止蛀牙。
现在家里用的不粘锅表面都有一层涂层，这一层东西叫做“聚四氟乙烯”，也有个外号叫“塑料王”。它耐酸耐碱，泡在王水里也不怕。而且耐高温耐冷冻，260度的高温下都能挺得住，缺点是加工困难。这种东西非常滑，所以常常用来制造不粘锅。
不粘锅
氟元素还被用制冷剂里面。大名鼎鼎的制冷剂就是氟利昂。其实氟利昂是一种统称，有各种各样不同的型号。过去最常用的制冷剂实际上是其中的氯氟烃。这种物质比较稳定，但是随着大气环流升到高空以后，被强烈的紫外线照射会发生分解。产生的氯气会破坏大气中的臭氧层。因此现在氯氟烃已经被禁用了。氯氟烃的发明人美国化学家小托马斯·米基利也是含铅汽油的发明人。很不幸，他的发明成果都和环境污染密切相关。铅污染他是难辞其咎。但是氯氟烃破坏大气臭氧层，他是真的不知道啊！谁能往哪儿想啊！毕竟这东西的危害要过几十年才能显露出来。
现在常用的制冷剂已经不再是氯氟烃了，而是氢氟碳化合物。降解比氯氟烃快了不少，氯氟烃要几百年才降解。氢氟碳化合物只要几十年就行。还有更好的东西氢氟烯烃，这东西降解只需要几周就行了。
但是即便这些制冷剂不再破坏臭氧层了，它们的温室效应仍然显著，氟利昂可以达到二氧化碳的1000倍以上。六氟化硫更厉害，能达到二氧化碳的2万倍。这个问题仍然没有解决。
顺便提一句，氟元素在核工业方面也是有用的。六氟化铀很容易变成气态，可以利用这些六氟化铀气体来搞铀235和铀238的分离。
有关氟元素的内容，我们就讲到这里了。这几集歪楼比较厉害，下次我们书归正传。最后，再一次祝大家新春快乐，狗年旺旺！我们下次再见。
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