刘　怡

在化学元素周期表中，有这样的一族元素，它们排在周期表中的倒数第二列，按照表中从上到下的顺序，分别是氟、氯、溴、碘、砹。虽然它们的名称各不相同，却有着相似的性质，原子的最外层电子数均为7，都能跟金属、氢气和水反应，都具有强烈的非金属性。因此，它们拥有了一个共同的姓氏：卤素。

这个家族在自然界中分布非常广泛，然而它们的发现史却非常不平凡。尤其是在家族中排在首位的“氟”，尽管在元素周期表发表之初就已经确定了它的位置，它的发现过程却历尽了千辛万苦，甚至还有人为之付出了生命的代价。

萤石中的秘密

很久以前，石头收藏家就已经发现地球上有一种奇妙的石头，它在黑暗中摩擦能发出绿色的荧光，在阳光的照射下能散发出粉红或紫色的光芒，人们把这种石头称为“萤石”。这种矿石非常美丽，而且有着特殊的功能。如果用它作为冶炼矿石的熔剂，会使矿石在熔融时变得更加容易流动。如果将它与浓硫酸混合，则会产生一种腐蚀性极强的气体，用这种气体可以在玻璃上雕刻出动物、花卉等图案。

萤石中究竟隐藏了什么秘密，使得它有如此之强的腐蚀能力呢？1771年，瑞典化学家舍勒曾经用曲颈甑把粉状萤石与浓硫酸一起加热蒸馏，发现玻璃瓶内壁被腐蚀，产生的气体是一种酸性物质，它可以跟石灰水反应重新生成萤石，舍勒把它称为“瑞典酸”。后来，很多化学家研究这种酸，发现它的性质很像盐酸，又比盐酸稳定，但对玻璃和一些硅酸盐矿物的腐蚀性却很强，并且还有剧毒。

到了1810年，氯首次被确定为是一种元素而非化合物，法国化学家安培从中得到了很大的启发。“瑞典酸”和盐酸的性质非常相似，它其中是不是可能含有一种和“氯”相似的元素呢？于是，安培正式向英国皇家学会会长、化学家戴维提出这种元素的存在，并把它命名为“fluorine（氟）”，意思是“具有强腐蚀性的”。

然而，推测终究只是推测，一种新元素的诞生需要科学家用实验来证明，也就是用实验的方法来分离出真正的“氟气”。在好奇心的驱使下，化学家们纷纷致力于氟气的实验研究。这场为了分离出单质氟的竞赛，既漫长又曲折，整整持续了76年。

死亡元素

戴维是最先想到采取电解的方法制取单质氟的化学家。他用白金做容器，结果直到阳极的白金被腐蚀了，也还是没有电离出氟。后来他改用萤石做容器，腐蚀问题虽然解决了，但也没有得到氟。而戴维却因受氟化氢的毒害而病倒，不得不停止了实验。

之后，爱尔兰科学家乔治·诺克斯和托马斯·诺克斯弟兄二人选择利用干燥的氯气来处理干燥的氟化汞。实验中，他们将一片金箔放在玻璃器皿的顶部，结果金变成了氟化金，实验无法判断他们是否已经制得了氟。更不幸的是，兄弟二人都严重中毒。继诺克斯兄弟之后，比利时的化学家鲁耶特也对氟进行了长期的研究，最后因中毒太深而献出了自己的生命。相隔没多久，法国化学家尼克雷也惨遭同样的命运。一时间，科学家一谈到“氟”无不避之，更把它称为“死亡元素”。

弗雷米也是一位热衷于研究制备氟的法国化学家，他认为电解可能是制取单质氟的唯一有效的方法。他试着电解熔融的无水氟化钙、氟化钾和氟化银，虽然在阴极上能析出这些金属，阳极上也产生了少量气体，但是却始终未能收集到氟。他想，一定是温度太高了，产生的氟气立即与容器或电极发生反应而消失了。有没有氟化物不需加热就呈液态呢？他想到了电解无水氟化氢，但是无水氟化氢虽呈液态却不导电，只能电解含水的氟化氢液体。实验最终失败了，实验中只收集到氢气、氧气和臭氧。但是，弗雷米认为还有一种可能，就是实验中产生了氟，但由于与水蒸气发生反应而消失了。

与此同时，英国化学家哥尔英也尝试用电解法来分解氟化氢，但是实验时发生了爆炸，哥尔英怀疑爆炸是由于实验产生的氟与其他物质发生化学反应的缘故。

众多化学家的努力虽然都以失败告终，但是他们的心血并没有白费，正是屡次失败的经验教训为后来氟气的成功制得奠定了基础。没有他们的失败，就不会有之后莫瓦桑的成功。

莫瓦桑的成功

出身贫寒的莫瓦桑是弗雷米的学生。他知道制取单质氟这个实验已经难倒了许多化学家，但是他对氟的研究却非常感兴趣，暗自下定决心要攻克这个难关。莫瓦桑先花了好几个星期的时间查阅科学文献，研究了几乎全部有关氟的论文。他发现前人设计的很多实验方法都不能成功把氟单独分离出来，但也有一些实验还只停留在设想阶段，尚未实践过，英国化学家戴维就曾设想过这样一个方法。

戴维曾预言：“磷和氧的亲合力极强，如果能制得氟化磷，再使氟化磷和氧作用，则可能生成氧化磷和氟。”由于当时戴维还没有办法制得氟化磷，因而设想的实验没有实现。

于是，莫瓦桑用氟化铅与磷化铜反应，得到了气态的三氟化磷。他把三氟化磷和氧的混合物通过电火花，虽然也发生了爆炸反应，但得到的并非他想要的单质的氟，而是氟氧化磷（POF3）。

莫瓦桑又尝试了一连串的实验，都没有制得单质的氟。经过长时间的实验和思考，他终于发现了问题所在：氟太活泼了，而之前的实验都是在高温下进行的，随着温度的升高，氟的活泼性也大大增加。即使在反应过程中它能够以游离的状态分离出来，它也会立刻和任何一种物质相化合。看来，反应应该在室温下进行才对，如果能在冷却的条件下进行那就更好一些。

他还想起他的老师弗雷米曾经说过，电解是制造氟的唯一有效的方法。如果用某种液体的氟化物，例如用氟化砷来进行电解，结果会怎样呢？于是，莫瓦桑制备了剧毒的氟化砷，但随即遇到了新的困难——氟化砷不导电。在这种情况下，他只好往氟化砷里加入少量的氟化钾。这种混合物的导电性很好，可是在电解几分钟后，电流又停止了。原来阴极表面覆盖了一层电解出的砷。这时，他感到越来越疲倦，他支撑着关掉电源，随即倒在沙发上，心脏剧烈跳动，呼吸感到困难，面色发黄，眼睛周围出现了黑圈。这是砷中毒的预兆，这个方案又不得不放弃了。

最后，只剩下唯一的方案了，那就是电解氟化氢。他按照弗雷米的办法，在铂制的容器中蒸馏氟氢酸钾，先得到无水氟化氢液体，然后用铂制的U型管作容器，用强耐腐蚀的铂铱合金做电极，并用氯仿作冷却剂将无水氟化氢冷却到零下23摄氏度进行电解。在阴极上很快就出现了氢气泡，但阳极上却没有分解出气体。电解持续近一小时，分解出来的都是氢气，连一点氟的影子也没有。

莫瓦桑一边拆卸仪器，一边苦恼地思索着，也许氟根本就不能以游离状态存在？当他拔掉U型管阳极一端的塞子时，惊奇地发现塞子上覆盖着一层白色粉末状的物质。原来塞子被腐蚀了！氟已经分解出来了，只不过和玻璃发生了反应。这一发现使莫瓦桑受到了莫大的鼓舞。他想，如果把装置上的玻璃零件都换成不能与氟发生反应的材料，就可以制得单质的氟了。

于是他改用萤石制成试验用的器皿，把盛有液体氟化氢的U型铂管浸入制冷剂中，用萤石制的螺旋帽盖紧管口，再进行电解。多少年来化学家梦寐以求的理想终于实现了！1886年6月26日，莫瓦桑第一次制得了单质的氟气！这种气体遇到硅立即着火，遇到水即生成氧气和臭氧，与氯化钾反应置换出氯气。

为了表彰莫瓦桑在制氟方面的突出贡献，法国科学院发给他一万法郎的拉·卡泽奖金。20年以后，他又因为在氟研究上的显著成就，获得了1906年的诺贝尔化学奖。可惜的是，诺贝尔奖却不能给莫瓦桑的生命以更多的时间。1907年2月30日，这位为人们带来“氟气”的化学家因病逝世，在他生命的最后几年，他不得不感叹：“氟夺走了我10年的生命”。