氟：元素週期表中的暴龍含氟氣體對我們有什麼危害

murphlau · 發表於 2015-6-17 20:06:34

　　據國外媒體報導，氟是對人有害的氣體。這種元素目前仍被用於製造各種人造氣體，這些氣體中有的導致人暴露於灼人的紫外線下，有的甚至在導致地球變暖。
　　“氟就像是元素週期表中的暴龍”，化學教授Andrea Sella介紹說，“它瞬間就能與除了氦、氖、氬以外的其它元素發生反應。”
　　如果你看到過純的氟元素的話，它並不搶眼——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，你會盡你所能迅速的離開。”
　　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)並不像其它一些大眾熟悉的酸(比如鹽酸和硫酸)那麼強。
　　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進入你的身體。“與皮膚接觸會產生令人難以忍受的灼傷和疼痛，你也沒有辦法真正的處理傷口，因為氟離子會進入你的體內”，Sella說。
　　一旦進入體內，氟離子會結合身體裡的鈣，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，比如蝕刻玻璃或是晶片上的電路。這種有毒的酸的主要用途是生產各種其它化學物質，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裡的烏龜，你沒有辦法突破氟與其發生反應。”
　　以聚四氟乙烯(特氟隆)為例，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，這使這種塑膠很難發生化學反應，適合用於製造不粘鍋。
　　牙膏也是一個例子。牙膏裡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裡的鈣結合，產生一層化學上不活躍的氟化鈣，為你的牙齒提供保護。
　　還有就是大家都知道的含氟氣體
　　最聲名狼藉的是氯氟烴(由氟、碳和氯元素構成)，這類物質在20世紀80年代被發現會破壞臭氧層。
　　氯氟烴非常穩定，能夠上升到達大氣層的上層。一旦到達這裡，太陽發出的很強的紫外線會分解這種物質，釋放出氯氣，後者會破壞其周圍的臭氧。
　　由於臭氧能夠遮罩掉太陽紫外線中多數有害的部分，臭氧層遭到破壞這就導致產生了問題。如果對氯氟烴的釋放繼續不加控制，到達地球表面的紫外線的量將會增加100倍，導致人嚴重曬傷以及患上皮膚癌。
　　氯氟烴最早被大規模生產是由於其被看做一種完美的製冷劑——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。
　　由於這種特性，氯氟烴可以用於在冰箱或是空調中進行迴圈散熱。由於能夠迅速的蒸發，這類化合物也被用於製造便捷的噴霧劑。
　　氟氯烴的發明人是頗具悲劇色彩的美國化學家小湯瑪斯•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，領導研發新的製冷劑。
　　“上世紀20年代的時候”，Ian Shankland介紹說，“有些製冷劑易燃，比如烴。有些製冷劑有毒，比如氨。還有些製冷劑既易燃又有毒，比如氯甲烷。不斷發生事故致人死亡。”
　　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後才會顯現出來。不過全世界迅速的做出了反應，於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%。
　　另一個問題是導致氯氟烴成為安全的製冷劑的原因——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並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)。
　　“問題的嚴重性在於碳-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。”
　　由於這些原因，Stefan Reimann認為禁用氯氟烴也不知不覺的對“緩解氣候變化產生了迄今最大的影響”，Stefan Reimann供職於國際氣象協會，負責監控含氟氣體的排放。
　　但目前仍有大量的其它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。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。這種氣體是蝕刻矽的過程排放出來的，具有諷刺意義的是，矽被用於生產太陽能電池板，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，這種氣體被用於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後開始大量排放，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，由於在中國、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製冷劑了，而是使用另一類不可燃的製冷劑——氫氟碳化合物，這類化合物是霍尼韋爾Ian Shankland的團隊在上世紀80年代和90年代發明的。
　　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裡(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%的氫氟碳化合物製冷劑洩漏。
　　由於這一原因，歐盟將於2017年開始禁用氫氟碳化合物製冷劑。霍尼韋爾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製冷劑的物質——氫氟烯烴。“這些分子裡含有一個雙鍵”，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，但這些最新的製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，德國的汽車製造商戴姆勒公司宣稱其生產的一款使用氫氟烯烴製冷劑的賓士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。戴姆勒公司隨後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。
　　德國政府成功的說服歐盟把減少使用舊製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，研發用二氧化碳作為製冷劑的空調。
　　美國和歐盟你來我往的尖刻的指責對方，霍尼韋爾公司認為戴姆勒公司對測試過程進行了操控，蓄意的導致了自燃。毋庸置疑，尋找舊製冷劑的替代產品有尋求商業利益的刺激——新的氫氟烯烴製冷劑的價格是舊製冷劑的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製冷劑的價格。
　　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製冷劑。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。

　　湯瑪斯•米基利 1889-1944

湯瑪斯•米基利美國化學家，發明了向汽油中添加鉛元素(四乙基鉛)。

　　曾把四乙基鉛撒在自己的手上，並呼吸揮發的蒸汽，以證明這種物質對人體是安全的，但隨後出現了鉛中毒，患病數月。
　　他發現氯氟烴(商品名氟利昂-12)能用作製冷劑
　　1940年患上了脊髓灰質炎，併發明瞭一個升降裝置説明自己上下床，後來被這種裝置套住，窒息而亡。
　　氟這個名字是怎麼來的?
　　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採氟石。
　　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)，降低鋼的熔點。
　　氟(fluorine)就得名於此，“flux”和“fluorine”都來自拉丁語，是“流動”(flow)的意思。
　　在這一地區開採的一些礦石在紫外燈下能夠發光，這被稱為“螢光”(fluorescence，這一現象實際上是由於礦石不純導致的，純的氟不會發螢光)

　　氣體：CFC-11 用途：早期的製冷劑(已禁用) 在大氣中的半衰期：45年對氣候變暖的影響：二氧化碳的4680倍。
　　氣體：CFC-12 用途：汽車的空調中(已禁用)在大氣中的半衰期：100年對氣候變暖的影響：二氧化碳的10720倍。
　　氣體：CFC-113 用途：製冷劑，噴霧(已禁用)在大氣中的半衰期：85年對氣候變暖的影響：二氧化碳的6030倍。
　　氣體：HCFC-22 用途：製冷劑，噴霧在大氣中的半衰期：1780年對氣候變暖的影響：二氧化碳的12倍。
　　氣體：HFC-23 用途：蝕刻晶片，防火劑，HCFC-22生產的副產物在大氣中的半衰期：270年對氣候變暖的影響：二氧化碳的14310倍。
　　氣體：HFC-134a 用途：冰箱和汽車的空調中在大氣中的半衰期：14年對氣候變暖的影響：二氧化碳的1410倍。
　　氣體：HFO-1234yf 用途：用於替代HFC-134a 在大氣中的半衰期：11天對氣候變暖的影響：二氧化碳的4倍。
　　氣體：Tetrafluoromethane (CF4) 用途：煉鋁工業的產物在大氣中的半衰期：50000年對氣候變暖的影響：二氧化碳的5820倍。
　　氣體：Hexafluoroethane (C2F6) 用途：煉鋁工業的產物在大氣中的半衰期：10000年對氣候變暖的影響：二氧化碳的12010倍。
　　氣體：Nitrogen trifluoride (NF3) 用途：蝕刻矽在大氣中的半衰期：740年對氣候變暖的影響：二氧化碳的17200倍。
　　氣體：Sulphur hexafluoride (SF6) 用途：防止變電站產生電火花，生產鎂在大氣中的半衰期：3200年對氣候變暖的影響：二氧化碳的22800倍。