探秘“死亡元素”

曲建翘

史上最悲壮的

元素发现之路

不知你是否听过关于费米的段子：理论学家费纸，实验学家费电，理论实验物理学家费米。或许，我们可以在这个段子后面加上一段：实验化学家折寿！

不信？请往下看！

数学史上曾经有过无数未解难题，这些难题让众多数学家的脑细胞备受折磨，但只要有纸和笔，他们就可以安心地待在办公室里，免受伤害。物理学家们也遇到过难题，他们除了和数学家一样在办公室里提出理论，还需要用实验来验证他们的想法。但是，大多数时候，除了多费一些电以外，他们也是安全的。但对化学家来说，他们是需要勇气的。为了解答化学之谜，为了证明自己的设想，他们有些时候需要将安全置之度外，甚至为此而献出宝贵的生命！

理论实验物理学家费米（图片来源/Wiki）

这其中最有代表性的就是氟元素从被发现到制出氟气单质的过程。可以这样说，氟的发现史不仅是一部烧钱史，让无数的黄金、白金打了水漂，更是一部化学家的悲壮史，它夺走了太多化学家的生命。

早在1768年，人们就发现了氢氟酸，认为它里面有一种新元素，因此很多化学家都在实验室里进行实验，试图从氢氟酸中制出单质氟来。1771年，瑞典化学家舍勒将萤石和硫酸放在一起加热，结果发现玻璃瓶内壁都被腐蚀了。1813年，英国化学家戴维用电解氟化物的方法制取单质氟，一开始他用金和铂做容器，但都被腐蚀了。后来，他改用萤石做容器，虽然解决了腐蚀问题，但也未得到氟，而他则因患病停止了实验。跟戴维同时期，法国科学家盖-吕萨克和泰纳也用同样的方法尝试获得氟，都没有成功，这两人还因为吸入过量的氢氟酸而中毒，因此被迫停止了实验。1836年，苏格兰化学家乔治·诺克斯和托马斯·诺克斯两兄弟先用干燥的氯气处理干燥的氟化汞，然后把一片金箔放在容器顶部。事实上他们确实得到了氟，依据就是顶部的金箔已经变成了氟化金，只是令人意想不到的是，连黄金都被制得的氟腐蚀了。更加让人唏嘘的是，他们哥俩都严重中毒了。继诺克斯兄弟之后，比利时化学家鲁耶特对氟做了长期的研究，最后因中毒太深而献出了生命。法国化学家尼克雷也遭受了同样的命运……

英国化学家戴维（左）和法国科学家盖-吕萨克（右）均未能制得氟（图片来源/Wiki）

莫瓦桑的設备画像（左）及他获得诺贝尔奖时的照片（右）（图片来源/Wiki）

或许你已经知道，氢氟酸是氟化氢气体的水溶液，具有很强的腐蚀性，玻璃、铜、铁等常见的东西都会被它“吃”掉，即使用很不活泼的银做容器，也不能安全地盛放它。另外，氢氟酸还能挥发出大量的氟化氢气体，而氟化氢有剧毒，吸入少量，就非常痛苦。

尽管当时的化学家们在实验时采取了许多措施来防止氟化氢的毒害，但由于氢氟酸的腐蚀性过强，许多化学家还是因为在实验中吸入过量的氟化氢气体而死去了，还有许多化学家由于中毒损害了身体健康，被迫放弃了实验。但这并未阻挡勇者的脚步，还有很多化学家“明知山有虎，偏向虎山行”。法国化学家弗雷米的学生莫瓦桑就是其中之一。

摄入适量的氟可预防龋齿

经过不断地探索与改进，1886年，莫瓦桑最终做了一个白金的U形管，并将它打磨光滑——氟与光滑的白金表面反应较慢，同时用萤石磨制成塞子，然后将氟化砷、氟化磷、氟化钾的混合物装进U形管，又用冷却剂将管外的温度降到-23℃，他插入电极，通上电流，很快，在阳极的上方，一丝又一丝淡黄色的气体冒了出来。单质氟第一次被制得了！

氟与人体健康

作为构成地壳的固有元素之一，氟在地球上分布极为广泛，岩石、土壤、水体、植物、动物及人体内都含有一定量的氟。早在1802年，科学家就用气体氟做过动物实验，但直到在人的牙齿珐琅质、血液、乳汁特别是脑组织中都发现了氟后，人们才开始重视氟的生物作用。

氟对人体的影响是随着摄入量而变的。当氟缺乏时，不但易发生龋齿，也在一定程度上影响骨骼。因此，摄入适量的氟可预防龋齿，有益于儿童生长发育，还可预防老年人骨质变脆。而氟过量时，就会影响细胞酶系统的功能，破坏钙磷代谢平衡，所以氟是人体必需的微量元素之一。

当某一地区分布过高，人体摄入量偏多时又可引起特异的疾病——地方性氟病，或称地方性氟中毒。地方性氟中毒是典型的地方病，其病区和非病区境界分明。这个病的主要特征是氟斑釉齿和氟骨症。

饮水中的氟

富含氟的食物

氟是人体所必需的微量元素。氟可以通过水、食物等多种途径进入人体，成人每天约摄入0.3～0.5毫克，婴儿每天需氟化物0.5毫克，儿童则需1毫克，以保证牙齿钙化期所必需的氟化物离子。

人体中的氟35%来自食物，65%来自饮用水。饮水中含氟量在0.5毫克/升以下，龋齿的发病率增高;含氟0.5～1.0毫克/升是龋齿和斑釉齿发病率最低的范围，且无氟骨症发生;含氟在1.0毫克/升以上时，斑釉齿发病率上升;当大于4毫克/升时，氟骨症逐渐增加。

大气中的氟

氟元素很多时候存在于萤石中

玻璃仪器上的刻度是用氢氟酸“刻”成的

装有六氟化铀的一个安瓿（图片来源/Wiki）

炼铝厂在生产过程中，可产生大量的氟化氢气体，污染周边的大气环境;磷肥厂在使用氟磷灰石生产磷肥的过程中产生大量含氟尾气，污染周边环境。而对居民来说，一定浓度的氟化物可引起工业性的氟中毒。

另外，科研人员也发现，氟是煤中含量较高的微量元素。煤在燃烧时，其中的氟将发生分解，大部分以氢氟酸、四氟化硅等气态污染物形式排入大气，不仅严重腐蚀锅炉和烟气净化设备，而且造成大气氟污染和生态环境的破坏。中国部分地区由于在室内用没有烟囱的炉灶烘烤食物、取暖、做饭，煤燃烧释放的氟为粮食吸收、富集，从而通过食物链、呼吸道进入人体，导致居民氟中毒。

食物中的氟

中国大部分地方性氟中毒都是由于饮水中氟含量高所引起的。但某些地区的氟中毒，如山东和贵州及湖北省的一些地区，是由于食物中含氟高引起的。

一般情况下，动物性食品中氟高于植物性食品，海洋動物中氟高于淡水及陆地食品，鱼和茶叶中氟很高。适量饮茶有助于预防骨质疏松。不过，氟摄入量需严格掌握，过多或不足都有害。

氟在体内主要分布于牙齿、骨骼、指甲和毛发中。氟经由呼吸道和消化道进入人体，吸收的主要部位为肠、胃，并很快进入血液。氟主要从肾脏由尿排出，少量经粪便、汗液、乳汁排出。骨骼的留存和肾脏的排泄是防止人体氟化物积蓄过多引起中毒的两种途径。

氟和氟化物的合理利用

对于氟元素，虽然有谈虎色变的感觉，但是氟和含氟的化合物也有很多优良的性能和特殊的用途。

氟元素很多时候存在于萤石（氟化钙）中。纯的萤石是没有颜色的，但是由于自然界中的萤石往往都有杂质，所以它们会呈现出绿色、紫色等各种颜色。萤石在加热之后会发光，像萤火虫一样，所以命名为“萤石”。

氟最重要的化合物是氟化氢。氟化氢很易溶解于水，水溶液叫氢氟酸。玻璃是大家熟悉的常用物质，它耐火、耐高温、耐酸、耐腐蚀，可是，如果把氢氟酸装在无色透明的玻璃瓶里，很快瓶子内壁就会模糊，玻璃开始被腐蚀。可以说氢氟酸是玻璃的“克星”。人们便利用它的这一特性，先在玻璃上涂一层石蜡，再用刀子划破蜡层刻成花纹，涂上氢氟酸。过了一会儿，洗去残余的氢氟酸，刮掉蜡层，玻璃上便会出现美丽的花纹。玻璃杯上的刻花、玻璃仪器上的刻度，都是用氢氟酸“刻”成的。

在工业上，氟化氢被大量用来制造聚四氟乙烯塑料。聚四氟乙烯号称“塑料之王”，具有极好的耐腐蚀性能，即使是浸在王水中，也不会被侵蚀。它又耐250℃以上的高温和-269.3℃以下的低温，因此在原子能工业、半导体工业、超低温研究和宇宙火箭等尖端科学技术中，有着重要的应用。

在原子能工业上，氟有着重要的用途：人们用氟从铀矿中提取铀235，因为铀和氟的化合物很易挥发，用分馏法可以把它和其他杂质分开，得到十分纯净的铀235。铀235是制造原子弹的原料。

延伸阅读地方病防控目标

2019年7月出台的《健康中国行动（2019-2030年）》在地方病防控方面提出了明确目标：到2020年持续消除碘缺乏危害;到2022年要基本消除燃煤污染型氟砷中毒、大骨节病、克山病危害，有效控制饮水型氟砷中毒、饮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点地方病，让地方病不再成为危害人民健康的重点问题。

（责任编辑/岳萌 美术编辑/张小穗）