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元素周期表中的暴龍——氟

來源: 百川資訊               更新時間: 2018年09月10日           關 鍵字:氟

 

       氟化工產品具有耐化學侵蝕、耐老化、 耐高低溫、絕緣等優異的特性,被廣泛地應用于機械、化工、軍工等諸多領域, 已經成長為科技水平最高、發展速度最快、最有行業前景的化工產品之一。但同時,氟是非?;钴S的化學元素,它能瞬間與除了氦、氖、氬以外的其他元素發生反應,因此被稱為“元素周期表里的暴龍”。

       氟化工人所做的事情就像是馴服暴龍的過程,把激烈的氟元素,轉變成為人類所用的各種材料。我們的公眾號——氟化工,專注氟化工的產業發展和技術進步,關注氟化工的新聞熱點與動態進展,希望與所有“馴龍人”——氟化工從業者共同成長。

       “氟就像是元素周期表中的暴龍”,化學教授Andrea Sella介紹說,“它瞬間就能與除了氦、氖、氬以外的其他元素發生反應。”  

       如果你看到過純的氟元素的話,它并不搶眼——只是一種淺黃色的氣體。但實際上這種氣體相當的危險,Sella所在的倫敦大學學院化學系甚至都不保存這種氣體。氟氣的氣味有點像氯氣,Sella介紹說,“不過通常如果你聞到氟氣的味道,你應該盡你所能迅速地離開。”

       Sella還有一罐另外一種可怕的物質——氫氟酸。這種物質的酸性(也就是其所含氫離子的反應性)并不像其他一些大眾熟悉的酸(比如鹽酸和硫酸)那么強。

       但氫氟酸仍然是一種劇毒的化學品,因為其所含的氟離子能夠穿透你的身體。“氫氟酸與皮膚接觸會產生令人難以忍受的灼傷和疼痛,你也沒有辦法真正地處理傷口,因為氟離子會進入你的體內”,Sella說。一旦進入體內,氟離子會結合身體里的鈣,嚴重的時候會導致人的心臟衰竭。

       氫氟酸的腐蝕性也有它的用途,比如蝕刻玻璃或是芯片上的電路。這種有毒的酸的主要用途是生產各種其他化學物質,這些物質有一個共性——在化學反應性方面,它們都非常的不活潑。

       “與極其活潑的氟元素發生反應的結果就是反應產生的化合物非常的穩定”,Sella介紹說,“被氟環繞的分子就像烏龜殼里的烏龜,你沒有辦法突破氟與其發生反應。”

       以聚四氟乙烯(特氟?。槔?,這種材料由被氟包裹的長長的碳鏈構成。碳-氟鍵非常強,很難被斷開,這使這種塑料很難發生化學反應,適合用于制造不粘鍋。

       牙膏也是一個例子。牙膏里含有微量的活躍的氟離子。但在刷牙時,這些離子會與你牙齒里的鈣結合,產生一層化學上不活躍的氟化鈣,為你的牙齒提供保護。

       氟這個名字是怎么來的?氟在自然中以氟化鈣的形式存在,氟化鈣也叫氟石或者熒石。

       從19世紀開始,在英國峰區的德比郡就開始開采氟石。最開始的時候,氟石在謝菲爾德附近的煉鋼工業(世界上最早的鋼鐵工業城鎮)中被用作燃劑("flux" agent),來降低鋼的沸點,氟(fluorine)就得名于此,“flux”和“fluorine”都來自拉丁語,是“流動”(flow)的意思。在這一地區開采的一些礦石在紫外燈下能夠發光,這被稱為“熒光”(fluorescence,這一現象實際上是由于礦石不純導致的,純的氟不會發熒光)?,F代氟化工中的氟元素,幾乎全部來源于螢石。

       氯氟烴最早被大規模生產是由于其被看做一種完美的制冷劑——能夠在氣態和液態間迅速轉換的液體,從而吸收和釋放大量的熱。由于這種特性,氯氟烴可以用于在冰箱或是空調中進行循環散熱。由于能夠迅速的蒸發,這類化合物也被用于制造便捷的噴霧劑。

       氟氯烴的發明人是頗具悲劇色彩的美國化學家小托馬斯·米基利(Thomas Midgley Jr),發明向汽油中添加鉛的化學家也是他。

       在含鉛汽油對人的毒害這一方面,米基利幾乎無法撇清自己應該承擔的責任。但是在氟氯烴的危害方面,Ian Shankland則認為米基利不應該受到苛責。Ian Shankland就職于美國化學工業巨頭霍尼韋爾,領導研發新的制冷劑。

       “上世紀20年代的時候”,Ian Shankland介紹說,“有些制冷劑易燃,比如烴。有些制冷劑有毒,比如氨。還有些制冷劑既易燃又有毒,比如氯甲烷。不斷發生事故致人死亡。”

       據Shankland介紹,在這些化合物中,用氫替換掉了氯氟烴中破壞臭氧的氯,這也使這些分子在大氣中能夠很快降解。氫氟碳化合物在幾十年的時間里(而不是數百年)就會降解,但它們仍然是比二氧化碳強1000倍的溫室氣體。這一特點在車載空調上導致的問題尤其嚴重,因為行駛時的震動每年會導致大約10%的氫氟碳化合物制冷劑泄漏。

       由于這一原因,歐盟已于2017年開始禁用氫氟碳化合物制冷劑?;裟犴f爾Ian Shankland團隊的科學家目前已經找到了能夠替代氫氟碳化合物制冷劑的物質——氫氟烯烴。“這些分子里含有一個雙鍵”,Shankland介紹說,“因此在大氣中會迅速發生反應,半衰期只有幾周。”

       雖然這些物質的壽命短,對氣候的危害可以忽略,但這些最新的制冷劑仍然導致了一些爭議,這一點讓霍尼韋爾和其競爭對手,參與研發氫氟烯烴的杜邦公司,感到頭疼。

       2012年,德國的汽車制造商戴姆勒公司宣稱其生產的一款使用氫氟烯烴制冷劑的奔馳汽車在測試時發生自燃“成了火球”,這一意外讓該公司感到震驚。戴姆勒公司隨后又宣稱燃燒的火焰導致產生了氫氟酸蒸汽以及一些光氣的類似物,光氣是一種在第一次世界大戰期間使用的毒氣。

       德國政府成功地說服歐盟把減少使用舊制冷劑的生效時限推遲,以便給戴姆勒和大眾兩家公司一些時間,以研發用二氧化碳作為制冷劑的空調。

       美國和歐盟你來我往的尖刻地指責對方,霍尼韋爾公司認為戴姆勒公司對測試過程進行了操控,蓄意地導致了自燃。毋庸置疑,尋找舊制冷劑的替代產品有尋求商業利益的刺激——新的氫氟烯烴制冷劑的價格是舊制冷劑的10倍。實際上歐盟已經開始了一項反托拉斯調查,調查霍尼韋爾和杜邦公司是否在操控這種唯一滿足歐盟新標準的制冷劑的價格。

       不管調查結果如何,已經有數百萬輛汽車開始安裝使用氫氟烯烴制冷劑。目前還沒有一輛汽車發生自燃,這些汽車也沒有排放出很強的溫室氣體,或者說至少這些車的空調沒有。

       與之形成對比的是,氯氟烴似乎是惰性物質,因此米基利有理由認為他生產出了一種“安全”的替代品——這種物質使空調得以在家庭、辦公室和汽車中得到大量使用。

       氯氟烴的危害要幾十年后才會顯現出來。不過全世界迅速的做出了反應,于1987年締結了最早的全球環境公約——蒙特利爾議定書。這些措施是有用的。去年的研究發現,臭氧層可能最終會穩定下來——從減少氯氟烴的使用至今,已經25年了。

       不過好消息也就到此為止了,因為我們還沒有解決氯氟烴帶來的另一個危害——這些物質也是極強的溫室氣體,比二氧化碳強很多倍。即使是到今天,在人為導致的溫室效應中,氯氟烴帶來的溫室效應也占到驚人的14%。

       另一個使氯氟烴成為安全的制冷劑的原因——其化學穩定性,這種穩定性意味著這些物質需要很長的時間才能在大氣中分解掉(導致臭氧層破壞的是那些到達大氣上層并暴露于極強的紫外線下的氯氟烴,這些氯氟烴只占大氣中氯氟烴的很小一部分)。

       “問題的嚴重性在于碳-氟鍵是有機分子中原子間最強的單鍵”,霍尼韋爾的Ian Shankland介紹說,“這些碳-氟鍵能夠吸收紅外線,因此氯氟烴是很強的溫室氣體。”由于這些原因,Stefan Reimann認為禁用氯氟烴也不知不覺地對“緩解氣候變化產生了迄今最大的影響”。Stefan Reimann供職于國際氣象協會,負責監控含氟氣體的排放。

       但目前仍有大量的其他含氟氣體被排放到大氣中。比如,在煉鋁工業中使用氟石(也就是氟化鈣,其用作熔劑,以降低從礦石中提煉出鋁所需的溫度)會釋放出四氟甲烷(也叫四氟化碳)。

       四氟甲烷含有四個非常穩定的氟-碳鍵,這意味中這種氣體會在大氣中穩定的存在數萬年,而且四氟化碳是比二氧化碳強5000倍的溫室氣體。

       排放的含氟氣體還包括三氟化氮,這種氣體能夠穩定存在數百年,是比二氧化碳強17000倍的溫室氣體。這種氣體是蝕刻硅的過程排放出來的,具有諷刺意義的是,硅被用于生產太陽能電池板,而有人認為使用太陽能電池板是不污染環境的。

       在含氟氣體中,最強的溫室氣體是六氟化硫,這種氣體被用于防止變電站產生危險的電火花和電弧,是比二氧化碳強20000倍的溫室氣體。

       據Stefan Reimann介紹,這些新的含氟氣體從1989年蒙特利爾議定書生效后開始大量排放,目前其導致的溫室效應占總溫室效應的1%~2%。但到21世紀中期時,由于在中國、印度和非洲會有數十億人開始使用空調,尤其是車載空調,其占總溫室效應的比例預計會升至20%。

       現在的多數空調已經不再使用氯氟烴作為制冷劑了,而是使用另一類不可燃的制冷劑——氫氟碳化合物(HFC),這類化合物是霍尼韋爾Ian Shankland的團隊在20世紀80年代和90年代發明的。




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