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科普——卤素

不详 2015-4-25 21:48:12

在元素周期表中,有这么一族元素,他们贴近我们生活的方方面面却又极难相处。他们可能是我们每日必需品,也可能是在战场上夺取无数生命的非人道武器。他们就是元素周期报的第七主族——卤族。
F氟——泯灭一切的非金属元素。氟,是当之无愧的危险人物。氟能与接触到的几乎所有东西发生剧烈的反应,把一切泯灭。而它的氢化物的水溶液,即氢氟酸,是少数几种能腐蚀玻璃(二氧化硅)的物质。对人来说,它无疑是极其危险的。如果氢氟酸洒到手上,可能一开始你感觉不到什么,等你感觉到了,那就是由内而外散发出的剧痛,接下来就等着慢慢吃钙片吧。氟的化学性质这么活泼,它的提纯历程也是艰辛无比。不少化学家为此献身,比如诺克斯兄弟、鲁特耶、尼克雷,甚至戴维也因此而中毒。那么谁成为第一个制服氟气的人呢?答案是亨利•莫瓦桑。他使用电解法,电解氟氢化钾的无水氟化氢溶液,并在后来的演讲中一举制得四升氟气。现在的工业制法都是在特种钢制容器内电解熔融氟氢化钾和氟化氢的混合物,在100°C左右,以容器做阴极,石墨做阳极,有时还加入少量氟化锂来减弱石墨电极的极化作用。得到的氟气大多用来制取氟化物,或是核工业。由于氟气极难储存,且渠道狭窄,私人购买氟气几乎不可能,某种意义上也算个好消息。氟的反应活性很厉害,这也决定了它的化合物很稳定,含氟塑料、含氟橡胶、氟碳高聚物都有特别优良的性能,而聚四氟乙烯这种物质就是最好的例子。它不与几乎任何物质反应,所以它可以用来承装氢氟酸;它在200°C的条件下常年盛放强酸也不会因此变色一点,这也是为什么它得名“塑料王”。当然,它还有个别名,叫特富龙——就是不粘锅涂层的有效成分。顺便说一句,聚四氟乙烯化学性质稳定,但不代表它物理性质也很坚定,毕竟就是块塑料,所以不能用钢丝球刷不粘锅,会把涂层刷下来的。顺便说一句,如果你能设法弄到一瓶六氟化硫气体,那就有的玩了。六氟化硫的密度是空气的五倍,且很不活泼。如果你在一个鱼缸里倒入无色的六氟化硫,它甚至不会飘出去。然后用一个铝箔做的小船放在里面,你就能看见——小船好像悬浮在空气中!这真的是一种奇妙的感受。
Cl氯——化学武器的开端。1774年,在瑞典的一个实验室里,正在研究软锰矿(主要成分为二氧化锰)的舍勒将软锰矿和浓盐酸共热。突然,混合物冒出了黄绿色的气体,呛得舍勒急忙跑出了实验室。当他返回屋内时,不仅没有害怕,反而对这种气体产生了兴趣。不幸的是,受当时流行的“燃素说”的影响,舍勒并没能意识到这是一种元素,反而认为它是“氧化的盐酸气”。到了1810年,通过多种手段都未能将“氧化的盐酸气”里的氧夺出来的戴维,以大量实验事实为根据,确认这种气体是一种新元素,也就是氯气。氯气作为一种良好的氧化剂、消毒剂,以及战场毒气的历史,就此拉开帷幕。在戴维的光环下,舍勒的努力似乎变的不值一提。然而,依旧有一种方法可以缅怀他:在教材里面,实验室制氯气的方法依旧是舍勒的方法,不过软锰矿已经被分析纯代替了。而在工业上,我们采用电解饱和食盐水来制氯气,更方便,还可以顺便得到副产品——氢氧化钠。如今氯已经被广泛用于民生、科研等各个方面。过去给自来水消毒都会采取氯气,如今变成了次氯酸钠,但氯还是主角。在工业上,氯用于有机合成,以生产塑料、合成橡胶、合成纤维、染料、农药、漂白剂、消毒剂、溶剂,以及其他氯化物。真正让氯遭人咒骂的是在一战时,弗里茨•哈伯亲自指导德国士兵用氯气袭击迎面而来的英国人。吸过氯气的人都表示,那是一种极其可怕的感觉;很难想象因氯气中毒而死的士兵到底经受了多大的苦难。不过后来这种战术被德国人抛弃了,不是因为良心发现。而是因为他们发现,无论那方使用氯气都会造成双方大约相同数量的士兵死亡。这当然是不划算的。即便这样,对化武的控诉也没有结束。抛开氯气杀人的黑历史不看,家家户户都有的食盐,其主要成分就是氯化钠;消毒用的84消毒液里也有氯元素的踪影;为抵御蔬菜害虫而使用的农药里也有好几种含有氯;有好些塑料袋的成分是聚氯乙烯。诸如此类,氯离我们还是很近的,我们也离不开氯。
溴Br——“错误之柜”1824年,二十二岁的巴拉尔正在研究盐湖中的植物。当他向地中海沿岸采集得到的黑角菜燃烧浸泡后得到的浸取液中加入氯水和淀粉时,溶液分成了两层:下层显蓝色,上层显棕黄色。下层的蓝色毋庸置疑,是碘造成的;那么棕黄色又是什么呢?在经过分析实验后,巴拉尔认为,这是一种与氯、碘类似的元素。不得不说,他的判断非常准确,这就是溴。为此巴拉尔得到了法国科学院的鼓励。另一方面,在德国,李比希得到了一家工厂送来请他化验的液体,其实那就是溴。只不过李比希未经严格实验就贸然断定其为氯化碘。在得知巴拉尔发现溴之后,李比希一化验,果然是溴。此时令他肠子都悔炸了。后来,李比希把这瓶溴放在一个柜子里,并把柜子命名为“错误之柜”来警醒自己。不得不说,节哀顺变。虽然溴的发现很有趣,但溴确实不怎么用于生活。不过还是有例外。四溴双酚A处理的布料具有很好的阻燃性,因而被用于儿童睡衣;而溴化的植物油则能使柑橘味汽水不至于分层。溴的化学性质跟氯很相近,而丰度相差较大。因此只在精细化工中见到:溴阻燃剂;很多农药也含溴:最著名的溴敌隆是剧毒但慢性鼠药。但除此以外就难寻溴的踪影。
碘I——意外的诞生1777年2月,法国第戎,一声啼哭宣告了库特瓦的降生。他曾跟随孚克劳、泰纳、塞古恩等人学习,其中塞古恩在拉瓦锡掉脑袋之前(拉瓦锡最终死于法国大革命)五年一直做他的助手,可谓青出于蓝而胜于蓝。库特瓦家附近就是诺曼底海岸,没事时库特瓦就愿意去海滩上拣些藻类,一部分用于做试验,一部分用于吃。他将海藻晒干烧成灰,再加水过滤,得到的东西,库特瓦叫它“海藻盐汁”。一天,库特瓦家的猫皮痒了,就上蹿下跳,把装海藻盐汁的瓶子和装浓硫酸的瓶子打碎了。库特瓦刚打算扒了猫的皮来惩罚它,突然发现海藻盐汁和浓硫酸的混合液冒出了紫色蒸汽。他将蒸汽冷凝,收集到一种暗黑色晶体,通过和众多化学家合作研究,库特瓦确定,这是一种新元素。这就是碘。碘的发现颇具戏剧性,和牛顿发现万有引力有异曲同工之妙,而碘的应用也和万有引力一般常见。在药店几块一瓶的碘酒,其实就是碘的乙醇溶液,可能还有少量其他消毒剂。碘属于卤素,所以它有一定的氧化性,但又不至于太强而伤害人体,于是碘当仁不让地成为消毒元素。除此以外,居住在远离海洋的人们对碘的影响可能更深。因为缺乏碘元素而导致的“地方性甲状腺肿”,即甲状腺肿大,已经成为国家重点对付的疾病之一。这也是加碘食盐的来历。不过碘太多也不好,碘过多会导致“甲亢”,说白了就是干吃不饱饿死鬼,也是一种由碘引发的病症。而当你心脏出现问题时,含碘的造影剂还能使心脏在CT扫描中成像,不过我宁可永不到它。元素周期表是有规律的,这意味着卤素的某些性质是递变的,比如状态。常温常压下氟、氯是气态,溴是液态,而碘则是固态。加热碘时碘会升华,变成碘蒸汽,并在冷的地方凝华。初中物理常用锤子造型的玻封碘来演示这一过程。事实上碘并不是不存在液态,只是液态时碘会很快变成气态,并不能坚持太久。在实验室里,检验碘最直观的方法就是淀粉。这是因为碘液与淀粉接触时,碘分子能进入淀粉分子的螺旋结构,整个直链淀粉分子能束缚大量的碘分子,就形成了淀粉-碘的复合物,而这种复合物显蓝色,于是便有了我们看到的现象。利用这种现象,人们还制造出了淀粉碘化钾试纸。
砹At——回旋加速器下的短命子在卤素的最下面是砹。这种放射性元素是1940年一帮科学家在加利福尼亚大学,用阿尔法粒子轰击209Bi靶发现的。他们把砹命名为“Astatine”,源自希腊文,意为“不稳定的”。没错,砹的半衰期只有8.3个小时,不过相比第七周期那些人造元素已经很长寿了。有人想把砹用于医疗领域。等等,这不是什么可惊讶的。要知道锝已经干这行好久了。但是要向把制取困难且价格高昂的砹请进医院真不是件容易的事。即便如此,这种不切实际的半衰期还是激发了一些人的热情。
如今,卤素已经渗透到我们生活的方方面面。然而不只是卤素,元素周期表中的几乎所以元素都可以在我们的身边找到。例如用作航天的钛Ti;耐腐蚀的金属Gr;工业生产的原料铁Fe;组成我们万事万物的碳C氢H化合物极其衍生物……医药、航天、交通、衣食住行,化学早已渗透到我们生活的方方面面。然而我们本期关于卤素的科普就到此结束,但对于喜爱化学的人来说,这一切还远未结束……
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