探秘“死亡元素”

曲建翹

史上最悲壯的

元素發現之路

不知你是否聽過關于費米的段子：理論學家費紙，實驗學家費電，理論實驗物理學家費米。或許，我們可以在這個段子后面加上一段：實驗化學家折壽！

不信？請往下看！

數學史上曾經有過無數未解難題，這些難題讓眾多數學家的腦細胞備受折磨，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。物理學家們也遇到過難題，他們除了和數學家一樣在辦公室里提出理論，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。但對化學家來說，他們是需要勇氣的。為了解答化學之謎，為了證明自己的設想，他們有些時候需要將安全置之度外，甚至為此而獻出寶貴的生命！

理論實驗物理學家費米（圖片來源/Wiki）

這其中最有代表性的就是氟元素從被發現到制出氟氣單質的過程。可以這樣說，氟的發現史不僅是一部燒錢史，讓無數的黃金、白金打了水漂，更是一部化學家的悲壯史，它奪走了太多化學家的生命。

早在1768年，人們就發現了氫氟酸，認為它里面有一種新元素，因此很多化學家都在實驗室里進行實驗，試圖從氫氟酸中制出單質氟來。1771年，瑞典化學家舍勒將螢石和硫酸放在一起加熱，結果發現玻璃瓶內壁都被腐蝕了。1813年，英國化學家戴維用電解氟化物的方法制取單質氟，一開始他用金和鉑做容器，但都被腐蝕了。后來，他改用螢石做容器，雖然解決了腐蝕問題，但也未得到氟，而他則因患病停止了實驗。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，因此被迫停止了實驗。1836年，蘇格蘭化學家喬治·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，他們哥倆都嚴重中毒了。繼諾克斯兄弟之后，比利時化學家魯耶特對氟做了長期的研究，最后因中毒太深而獻出了生命。法國化學家尼克雷也遭受了同樣的命運……

英國化學家戴維（左）和法國科學家蓋-呂薩克（右）均未能制得氟（圖片來源/Wiki）

莫瓦桑的設備畫像（左）及他獲得諾貝爾獎時的照片（右）（圖片來源/Wiki）

或許你已經知道，氫氟酸是氟化氫氣體的水溶液，具有很強的腐蝕性，玻璃、銅、鐵等常見的東西都會被它“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。

盡管當時的化學家們在實驗時采取了許多措施來防止氟化氫的毒害，但由于氫氟酸的腐蝕性過強，許多化學家還是因為在實驗中吸入過量的氟化氫氣體而死去了，還有許多化學家由于中毒損害了身體健康，被迫放棄了實驗。但這并未阻擋勇者的腳步，還有很多化學家“明知山有虎，偏向虎山行”。法國化學家弗雷米的學生莫瓦桑就是其中之一。

攝入適量的氟可預防齲齒

經過不斷地探索與改進，1886年，莫瓦桑最終做了一個白金的U形管，并將它打磨光滑——氟與光滑的白金表面反應較慢，同時用螢石磨制成塞子，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，在陽極的上方，一絲又一絲淡黃色的氣體冒了出來。單質氟第一次被制得了！

氟與人體健康

作為構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、動物及人體內都含有一定量的氟。早在1802年，科學家就用氣體氟做過動物實驗，但直到在人的牙齒琺瑯質、血液、乳汁特別是腦組織中都發現了氟后，人們才開始重視氟的生物作用。

氟對人體的影響是隨著攝入量而變的。當氟缺乏時，不但易發生齲齒，也在一定程度上影響骨骼。因此，攝入適量的氟可預防齲齒，有益于兒童生長發育，還可預防老年人骨質變脆。而氟過量時，就會影響細胞酶系統的功能，破壞鈣磷代謝平衡，所以氟是人體必需的微量元素之一。

當某一地區分布過高，人體攝入量偏多時又可引起特異的疾病——地方性氟病，或稱地方性氟中毒。地方性氟中毒是典型的地方病，其病區和非病區境界分明。這個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。氟可以通過水、食物等多種途徑進入人體，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%來自食物，65%來自飲用水。飲水中含氟量在0.5毫克/升以下，齲齒的發病率增高;含氟0.5～1.0毫克/升是齲齒和斑釉齒發病率最低的范圍，且無氟骨癥發生;含氟在1.0毫克/升以上時，斑釉齒發病率上升;當大于4毫克/升時，氟骨癥逐漸增加。

大氣中的氟

氟元素很多時候存在于螢石中

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安瓿（圖片來源/Wiki）

煉鋁廠在生產過程中，可產生大量的氟化氫氣體，污染周邊的大氣環境;磷肥廠在使用氟磷灰石生產磷肥的過程中產生大量含氟尾氣，污染周邊環境。而對居民來說，一定濃度的氟化物可引起工業性的氟中毒。

另外，科研人員也發現，氟是煤中含量較高的微量元素。煤在燃燒時，其中的氟將發生分解，大部分以氫氟酸、四氟化硅等氣態污染物形式排入大氣，不僅嚴重腐蝕鍋爐和煙氣凈化設備，而且造成大氣氟污染和生態環境的破壞。中國部分地區由于在室內用沒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，從而通過食物鏈、呼吸道進入人體，導致居民氟中毒。

食物中的氟

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

一般情況下，動物性食品中氟高于植物性食品，海洋動物中氟高于淡水及陸地食品，魚和茶葉中氟很高。適量飲茶有助于預防骨質疏松。不過，氟攝入量需嚴格掌握，過多或不足都有害。

氟在體內主要分布于牙齒、骨骼、指甲和毛發中。氟經由呼吸道和消化道進入人體，吸收的主要部位為腸、胃，并很快進入血液。氟主要從腎臟由尿排出，少量經糞便、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多引起中毒的兩種途徑。

氟和氟化物的合理利用

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

氟元素很多時候存在于螢石（氟化鈣）中。純的螢石是沒有顏色的，但是由于自然界中的螢石往往都有雜質，所以它們會呈現出綠色、紫色等各種顏色。螢石在加熱之后會發光，像螢火蟲一樣，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，它耐火、耐高溫、耐酸、耐腐蝕，可是，如果把氫氟酸裝在無色透明的玻璃瓶里，很快瓶子內壁就會模糊，玻璃開始被腐蝕。可以說氫氟酸是玻璃的“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。過了一會兒，洗去殘余的氫氟酸，刮掉蠟層，玻璃上便會出現美麗的花紋。玻璃杯上的刻花、玻璃儀器上的刻度，都是用氫氟酸“刻”成的。

在工業上，氟化氫被大量用來制造聚四氟乙烯塑料。聚四氟乙烯號稱“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、半導體工業、超低溫研究和宇宙火箭等尖端科學技術中，有著重要的應用。

在原子能工業上，氟有著重要的用途：人們用氟從鈾礦中提取鈾235，因為鈾和氟的化合物很易揮發，用分餾法可以把它和其他雜質分開，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

2019年7月出臺的《健康中國行動（2019-2030年）》在地方病防控方面提出了明確目標：到2020年持續消除碘缺乏危害;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地方病，讓地方病不再成為危害人民健康的重點問題。

（責任編輯/岳萌 美術編輯/張小穗）