杭州瑞力普贸易有限公司

详细内容

   
元素周期表中的暴龙——氟

来源: 百川资讯               更新时间: 2018年09月10日           关 键字:氟

 

       氟化工产品具有耐化学侵蚀、耐老化、 耐高低温、绝缘等优异的特性,被广泛地应用于机械、化工、军工等诸多领域, 已经成长为科技水平最高、发展速度最快、最有行业前景的化工产品之一。但同时,氟是非常活跃的化学元素,它能瞬间与除了氦、氖、氩以外的其他元素发生反应,因此被称为“元素周期表里的暴龙”。

       氟化工人所做的事情就像是驯服暴龙的过程,把激烈的氟元素,转变成为人类所用的各种材料。我们的公众号——氟化工,专注氟化工的产业发展和技术进步,关注氟化工的新闻热点与动态进展,希望与所有“驯龙人”——氟化工从业者共同成长。

       “氟就像是元素周期表中的暴龙”,化学教授Andrea Sella介绍说,“它瞬间就能与除了氦、氖、氩以外的其他元素发生反应。”  

       如果你看到过纯的氟元素的话,它并不抢眼——只是一种浅黄色的气体。但实际上这种气体相当的危险,Sella所在的伦敦大学学院化学系甚至都不保存这种气体。氟气的气味有点像氯气,Sella介绍说,“不过通常如果你闻到氟气的味道,你应该尽你所能迅速地离开。”

       Sella还有一罐另外一种可怕的物质——氢氟酸。这种物质的酸性(也就是其所含氢离子的反应性)并不像其他一些大众熟悉的酸(比如盐酸和硫酸)那么强。

       但氢氟酸仍然是一种剧毒的化学品,因为其所含的氟离子能够穿透你的身体。“氢氟酸与皮肤接触会产生令人难以忍受的灼伤和疼痛,你也没有办法真正地处理伤口,因为氟离子会进入你的体内”,Sella说。一旦进入体内,氟离子会结合身体里的钙,严重的时候会导致人的心脏衰竭。

       氢氟酸的腐蚀性也有它的用途,比如蚀刻玻璃或是芯片上的电路。这种有毒的酸的主要用途是生产各种其他化学物质,这些物质有一个共性——在化学反应性方面,它们都非常的不活泼。

       “与极其活泼的氟元素发生反应的结果就是反应产生的化合物非常的稳定”,Sella介绍说,“被氟环绕的分子就像乌龟壳里的乌龟,你没有办法突破氟与其发生反应。”

       以聚四氟乙烯(特氟隆)为例,这种材料由被氟包裹的长长的碳链构成。碳-氟键非常强,很难被断开,这使这种塑料很难发生化学反应,适合用于制造不粘锅。

       牙膏也是一个例子。牙膏里含有微量的活跃的氟离子。但在刷牙时,这些离子会与你牙齿里的钙结合,产生一层化学上不活跃的氟化钙,为你的牙齿提供保护。

       氟这个名字是怎么来的?氟在自然中以氟化钙的形式存在,氟化钙也叫氟石或者荧石。

       从19世纪开始,在英国峰区的德比郡就开始开采氟石。最开始的时候,氟石在谢菲尔德附近的炼钢工业(世界上最早的钢铁工业城镇)中被用作燃剂("flux" agent),来降低钢的沸点,氟(fluorine)就得名于此,“flux”和“fluorine”都来自拉丁语,是“流动”(flow)的意思。在这一地区开采的一些矿石在紫外灯下能够发光,这被称为“荧光”(fluorescence,这一现象实际上是由于矿石不纯导致的,纯的氟不会发荧光)。现代氟化工中的氟元素,几乎全部来源于萤石。

       氯氟烃最早被大规模生产是由于其被看做一种完美的制冷剂——能够在气态和液态间迅速转换的液体,从而吸收和释放大量的热。由于这种特性,氯氟烃可以用于在冰箱或是空调中进行循环散热。由于能够迅速的蒸发,这类化合物也被用于制造便捷的喷雾剂。

       氟氯烃的发明人是颇具悲剧色彩的美国化学家小托马斯·米基利(Thomas Midgley Jr),发明向汽油中添加铅的化学家也是他。

       在含铅汽油对人的毒害这一方面,米基利几乎无法撇清自己应该承担的责任。但是在氟氯烃的危害方面,Ian Shankland则认为米基利不应该受到苛责。Ian Shankland就职于美国化学工业巨头霍尼韦尔,领导研发新的制冷剂。

       “上世纪20年代的时候”,Ian Shankland介绍说,“有些制冷剂易燃,比如烃。有些制冷剂有毒,比如氨。还有些制冷剂既易燃又有毒,比如氯甲烷。不断发生事故致人死亡。”

       据Shankland介绍,在这些化合物中,用氢替换掉了氯氟烃中破坏臭氧的氯,这也使这些分子在大气中能够很快降解。氢氟碳化合物在几十年的时间里(而不是数百年)就会降解,但它们仍然是比二氧化碳强1000倍的温室气体。这一特点在车载空调上导致的问题尤其严重,因为行驶时的震动每年会导致大约10%的氢氟碳化合物制冷剂泄漏。

       由于这一原因,欧盟已于2017年开始禁用氢氟碳化合物制冷剂。霍尼韦尔Ian Shankland团队的科学家目前已经找到了能够替代氢氟碳化合物制冷剂的物质——氢氟烯烃。“这些分子里含有一个双键”,Shankland介绍说,“因此在大气中会迅速发生反应,半衰期只有几周。”

       虽然这些物质的寿命短,对气候的危害可以忽略,但这些最新的制冷剂仍然导致了一些争议,这一点让霍尼韦尔和其竞争对手,参与研发氢氟烯烃的杜邦公司,感到头疼。

       2012年,德国的汽车制造商戴姆勒公司宣称其生产的一款使用氢氟烯烃制冷剂的奔驰汽车在测试时发生自燃“成了火球”,这一意外让该公司感到震惊。戴姆勒公司随后又宣称燃烧的火焰导致产生了氢氟酸蒸汽以及一些光气的类似物,光气是一种在第一次世界大战期间使用的毒气。

       德国政府成功地说服欧盟把减少使用旧制冷剂的生效时限推迟,以便给戴姆勒和大众两家公司一些时间,以研发用二氧化碳作为制冷剂的空调。

       美国和欧盟你来我往的尖刻地指责对方,霍尼韦尔公司认为戴姆勒公司对测试过程进行了操控,蓄意地导致了自燃。毋庸置疑,寻找旧制冷剂的替代产品有寻求商业利益的刺激——新的氢氟烯烃制冷剂的价格是旧制冷剂的10倍。实际上欧盟已经开始了一项反托拉斯调查,调查霍尼韦尔和杜邦公司是否在操控这种唯一满足欧盟新标准的制冷剂的价格。

       不管调查结果如何,已经有数百万辆汽车开始安装使用氢氟烯烃制冷剂。目前还没有一辆汽车发生自燃,这些汽车也没有排放出很强的温室气体,或者说至少这些车的空调没有。

       与之形成对比的是,氯氟烃似乎是惰性物质,因此米基利有理由认为他生产出了一种“安全”的替代品——这种物质使空调得以在家庭、办公室和汽车中得到大量使用。

       氯氟烃的危害要几十年后才会显现出来。不过全世界迅速的做出了反应,于1987年缔结了最早的全球环境公约——蒙特利尔议定书。这些措施是有用的。去年的研究发现,臭氧层可能最终会稳定下来——从减少氯氟烃的使用至今,已经25年了。

       不过好消息也就到此为止了,因为我们还没有解决氯氟烃带来的另一个危害——这些物质也是极强的温室气体,比二氧化碳强很多倍。即使是到今天,在人为导致的温室效应中,氯氟烃带来的温室效应也占到惊人的14%。

       另一个使氯氟烃成为安全的制冷剂的原因——其化学稳定性,这种稳定性意味着这些物质需要很长的时间才能在大气中分解掉(导致臭氧层破坏的是那些到达大气上层并暴露于极强的紫外线下的氯氟烃,这些氯氟烃只占大气中氯氟烃的很小一部分)。

       “问题的严重性在于碳-氟键是有机分子中原子间最强的单键”,霍尼韦尔的Ian Shankland介绍说,“这些碳-氟键能够吸收红外线,因此氯氟烃是很强的温室气体。”由于这些原因,Stefan Reimann认为禁用氯氟烃也不知不觉地对“缓解气候变化产生了迄今最大的影响”。Stefan Reimann供职于国际气象协会,负责监控含氟气体的排放。

       但目前仍有大量的其他含氟气体被排放到大气中。比如,在炼铝工业中使用氟石(也就是氟化钙,其用作熔剂,以降低从矿石中提炼出铝所需的温度)会释放出四氟甲烷(也叫四氟化碳)。

       四氟甲烷含有四个非常稳定的氟-碳键,这意味中这种气体会在大气中稳定的存在数万年,而且四氟化碳是比二氧化碳强5000倍的温室气体。

       排放的含氟气体还包括三氟化氮,这种气体能够稳定存在数百年,是比二氧化碳强17000倍的温室气体。这种气体是蚀刻硅的过程排放出来的,具有讽刺意义的是,硅被用于生产太阳能电池板,而有人认为使用太阳能电池板是不污染环境的。

       在含氟气体中,最强的温室气体是六氟化硫,这种气体被用于防止变电站产生危险的电火花和电弧,是比二氧化碳强20000倍的温室气体。

       据Stefan Reimann介绍,这些新的含氟气体从1989年蒙特利尔议定书生效后开始大量排放,目前其导致的温室效应占总温室效应的1%~2%。但到21世纪中期时,由于在中国、印度和非洲会有数十亿人开始使用空调,尤其是车载空调,其占总温室效应的比例预计会升至20%。

       现在的多数空调已经不再使用氯氟烃作为制冷剂了,而是使用另一类不可燃的制冷剂——氢氟碳化合物(HFC),这类化合物是霍尼韦尔Ian Shankland的团队在20世纪80年代和90年代发明的。




【返回】

韩国伦理片