氟和氟化氢的化学性质非常活泼,它们有很强的腐蚀性。很多氟的化合物有毒,因此,在相当长一段时间里,有些人对元素氟和氟制品有畏惧心理。然而,在现代社会里,氟制品对人类有很大的贡献。聚四氟乙烯具有极其优异的性能被人们尊称为塑料王,它和性能稳定的氟橡胶在特殊行业中得到广泛的应用;氟里昂的特殊物理化学性能使得它在压缩循环式制冷机械中大量用作制冷剂;冰晶石则是电解法制铝工业的不可缺少的原料。仅仅上述三项已经使人类受益匪浅。然而,我们在利用氟和氟制品的时候,必须注意防治氟的有害的方面。
人类对氟的认识应该从1768年算起。那年德国矿物学家马格拉夫用硫酸与萤石作用得到了氟化氢。1771年,瑞典化学家舍勒对这种腐蚀性非常强的酸也作过细致的研究。在19世纪初,当化学家们认定盐酸里面没有氧元素以后,法国著名物理学家安培(A.M.Ampere)就曾向戴维提出,氢氟酸是氢和另外一种元素形成的酸。他建议给这种元素取名为“Fluorine”,就是“氟”,元素符号为“F”。其拉丁文的原意就是萤石。
从19世纪初叶,各国的化学家便开始进行使元素氟游离出来的种种研究。研究工作进行得异常艰苦,化学家们作出了巨大的牺牲:英国化学家戴维,法国化学家盖•吕萨克和泰纳均曾因为吸入少量氟化氢而中毒致病;爱尔兰皇家科学院院士托马斯•诺克斯(Thomas Knox)差点中毒丧命,他的弟弟乔治(George Knox)经过3年疗养才得已痊愈;比利时化学家鲁耶特(P.Louyet)则因长期从事这项研究而为科学殉难。为这项研究而牺牲的化学家还有尼克雷(J.Nickles)教授。我们在使用氟制品的时候,不能忘记先辈们为研究氟化物作出的牺牲。
1813年戴维打算用电解法制取氟,他发现氟化氢不仅能腐蚀玻璃,还能腐蚀金属银。他先是用铂金和角银(AgCl)制造盛氟化氢的器皿,后来又用萤石制造了盛氟化氢的器皿用于电解氢氟酸。但是,电解时在阳极没有得到氟,只得到了氧气,在电解过程中分解的是氢氟酸中的水。盖•吕萨克的电解研究也没有得到氟。
诺克斯兄弟制造了一套萤石器皿,里面盛以干燥的氟化汞,上面放一个萤石接受器,接受器的小凹内衬有金箔。他将氟化汞加热,同时通入干燥氯气。他在接受器里得到了氯化汞的晶体,发现接受器中的金箔被腐蚀。他将被腐蚀的金箔移到玻璃瓶中,用硫酸处理这块金箔,结果玻璃被腐蚀了。诺克斯的实验现象表明氟化汞在加热时被氯分解,得到挥发性的氯化汞和氟气,氟气在接受器中将金箔腐蚀。然而诺克斯兄弟没有得到游离的氟。
1850年,法国自然博物馆馆长、法国工艺学院化学教授弗累密(E.Fremy)对无水氟化钙、氟化银、氟化钾等物质进行电解。他看到在阳极上有气泡产生,阴极上析出了相应的金属,电解反应确实发生了。但是,阳极上产生的气体立即和构成阳极的物质发生化学反应,生成了其他化合物,没有得到游离的氟。1884年,他把没有完成的制取游离氟的愿望交给了他的学生摩瓦桑(H.Moissan)。
制药店学徒出身的摩瓦桑自20岁开始从师于弗累密。他刻苦好学,聪明过人。在总结了前人70多年制取游离氟的失败教训后,他认为失败的关键是单质氟的活性太高。以往各次电解制氟是由于电解质熔点温度太高,因而电解时温度高,导致电解失败,电解时即便使用铂制阳极也无济于事。他将氧化砷、萤石和硫酸的混合物蒸馏,制备出熔点仅为-8.5℃的氟化砷,然后再对氟化砷进行电解。虽然又经过四次中毒和多次失败,终于在电解时从阴极得到了砷粉,阳极上也有气泡逸出。但是这种气泡在上升过程中被氟化砷吸收,未能得到游离的氟。
摩瓦桑没有因实验失败而灰心。他将氟氢化钾(KHF2)溶解于氟化氢中作为电解质,将铂铱合金制成的电极用萤石制的螺旋帽封在铂质U形管中作为电解装置,再用氯甲烷将整个电解装置冷到-23℃。1886年8月26日,用这一特定的电解装置进行电解,在阳极上制得了游离的气体氟。将硅与这种气体接触,立即发生猛烈的化学反应燃烧起来。两天以后,他请科学院院士德柏雷(J.H.Debrary)向法国科学院宣读了制取游离氟的报告。
法国科学院指定德柏雷、贝特罗(P.E.M.Berthelot)和弗累密三人组成小组审定这个新分离出来的元素。不料在第一天,实验装置出了故障,摩瓦桑在电解时一个气泡也没有得到。第二天,他更换了全部药品,重新进行电解,顺利地得到了气体氟。三位教授对实验结果非常满意,热烈祝贺摩瓦桑的成功。弗累密多年的愿望得以实现,兴奋地说:看到自己的学生青出于蓝而胜于蓝,永远是做老师的乐事。
从戴维和盖•吕萨克开始试验用电解法制取单质氟,到摩瓦桑成功地在低温下电解出单质氟,经历了70多年时间。化学界为此付出了沉重的代价。摩瓦桑本人由于认识水平的局限,当时未能对气体的毒害进行有效的防治,他长期与有害的含氟气体接触,身体受到了损害。年仅54岁就与世长辞了。