臺灣化學教育

2019國際元素週期表年(IYPT)：鹵素歷史及生活運用–榮譽、戰爭、醫學

許之音

臺北市立第一女子高級中學
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n  前言

        鹵素在生活中運用廣泛，在歷史中亦占有重要的地位。我們可以看到這些元素在科學史上帶來的榮譽、在戰爭中造成的影響、及在醫學上扮演的角色，而看到有些元素有其害處也有其益處，如何使用決定它造成的影響。

n  氟

        氟(fluorine)由於化學性質很活潑，因此很難由化合物中離析出來。在西元1768年，德國礦物學家馬格拉夫曾用硫酸(H₂SO₄)處理螢石(CaF₂)製成氫氟酸，研究發現其酸性較鹽酸強，法國科學家安培認為氫氟酸(HF)應是某一元素的氫化物，建議將此元素命名為氟，之後在溴、碘被發現後，化學家比較性質判斷其為同一族，十九世紀許多科學家都想將氟游離出來，西元1813年，戴維電解氫氟酸以為可得到氟(F₂)，卻得到氧氣，而蘇格蘭的兩位科學家藉由加熱氯氣及氟化汞，試圖以氯置換氟，不但沒成功，反而中了劇毒，原因是氟的活性很強，無法被氯置換，西元1850年，法國佛雷密試圖電解無水氟化氫，因不導電而未成功，他的學生摩瓦桑承接這個任務繼續研究，在西元1886年，摩瓦桑將氫氧化鉀(KOH)溶於無水氫氟酸中作為電解液，使其可導電，並用氯仿冷凍劑使鉑(Pt)製的U型管冷卻到-23℃， 以強耐腐蝕的鉑銥合金作為電極，終於析出氟，其為淡黃綠色氣體，此項成就使他獲得獎金，並獲得西元1896年英國戴維獎章、西元1903年德國霍夫曼獎章、西元1906年諾貝爾化學獎金，可說是名利雙收(趙匡華，1998)。氟得到一個電子或和其它元素共用電子後，會因為滿足八隅體變得較安定，生活中常見的氟製品有實驗室中的滴定管內的鐵氟龍活塞(圖一)、含氟牙膏(圖二)、含氟漱口水、鐵氟龍不沾鍋、鐵氟龍的布料等。

n  氯

        哈伯(Fritz Haber，1868－1934)研究這次戰爭後決定改發展氯(Chlorine)，氯對呼吸的危害更大，氯的的分子式為Cl₂，它和溴都是ⅦA族，都想再搶一個電子已滿足八隅，由於氯的原子量比較小，體積較小，反應更迅速，如果溴對黏膜的反應像步行，氯就像閃電。氯在生活中常見的製品有漂白水 (圖四)可用在消毒，氯在常溫常壓下為黃綠色氣體(圖三)，會讓受害者皮膚變黃、變綠，甚至變黑，還會讓眼睛罹患白內障，歷史上一些可怕的戰爭像是綠十字、藍十字就是以氯為基礎的戰爭攻擊，即使德國有哈伯的幫忙最後仍輸掉戰爭，西元1918年，哈伯原本因為研發出氨的製造有利於製造肥料，但在西元1919年因參與領導化學戰而被起訴為國際罪犯(楊玉齡譯，2011)。

n  溴

        法國波拉德研究海藻，主要在研究如何從海藻提取碘，他將海藻燒成灰放入熱水中，再通入氯氣便可得到紫黑色固體(碘)，此時發現底部有深褐色液體且又刺鼻臭味，經過詳細研究最後發現為新元素(溴)，古代化學藥劑主要研究溴(Bromine)，溴的分子式為Br₂，外圍有七個價電子，由於溴很想要得一個電子以滿足八隅體，所以會去搶細胞的電子，對於身體來說，眼睛和鼻子很容易受到溴的傷害，可用來做手榴彈，例如西元1910年，軍方化學家已有以溴為主的催淚彈，法國政府在西元1912年曾用溴乙酸乙酯逮捕一幫銀行搶匪，隔了兩年便朝德軍丟溴彈，但溴彈的攻擊無法立即見效，那時因風大就吹散了，但德軍把其他意外事故都規咎於法國秘密藥劑就可以有藉口發展自己的化學戰爭研發，然而德軍研發化學戰爭仍需受到海牙公約的限制，該公約禁止使用專用於散布窒息或有毒氣體的投射物，但此公約無權管投擲炸彈碎片和氣體的砲彈，因此德國完成了白十字(white cross)，此為裝滿甲基溴的砲彈，德國拿此砲彈來打俄軍，結果因為俄國氣溫太低，砲彈全部凍結成固體(楊玉齡譯，2011)。溴常溫常壓下為暗紅色氣體(圖五)，但因其沸點只有59℃，故在室溫下易揮發成紅紫色氣體，生活中常見的溴製品有含阻燃劑(四溴双酚甲烷A)的衣服(圖六)、酸鹼指示劑(例如：溴甲酚藍)、底片感光劑(溴化銀)等。阻燃劑主要可延緩起火時間，溴系阻燃劑主要使用四溴双酚甲烷A等。這些溴化合物會添加到高分子的聚合反應中，形成的聚合物即包含阻燃物質。當高温時這些材料會釋放出溴化氫，因而阻斷燃燒反應，主要因為密度較高的不可燃溴化氫可達到隔絕空氣的效果。

n  碘

         西元1930年，甘地領導印度民眾抗議英國爭徵百分之八的食鹽稅，由於民眾只要取海水將其蒸發便可得到食鹽拿去販賣，因此徵稅就好比撿沙子還要付錢，甘地因此鼓勵民眾都自製食鹽，十七年後，當印度獨立時，自行製造食鹽已相當普及了，唯一的問題是這種食鹽含的碘(Iodine)極少，然而碘對人體健康相當重要，人體缺乏微量碘，會造成甲狀腺腫大，長期會造成甲狀腺萎縮，由於甲狀腺和許多荷爾蒙的製造及分泌，例如：因碘不足導致腦部荷爾蒙無法正常分泌，人們便會逐漸退化成智能障礙，若是懷孕婦女也會導致生下畸形兒，因此西元1922年，許多國家就開始將食鹽中加入碘，碘的分子式為l₂，本身難溶於水，故添加的是含碘的鹽類，像是碘酸鉀(KIO₃)，雖然印度的醫生也有發現碘的重要性，所以在西元1950年，印度各省政府開始禁絕未加碘的食鹽，然而卻遭到民眾反對，因為一般民眾已習慣自行製造食鹽，甚至毫無根據誣賴碘鹽會導致癌症、糖尿病等，因此西元2000年，印度總理又廢除禁止普通鹽的法令，直到西元2005年，新總理再度禁絕普通鹽，雖然添加碘的鹽只要多花每個印度人美金一毛錢，但運輸費用貴是目前無法普及的原因(楊玉齡譯，2011)。碘常溫常壓下為紫黑色固體，和溴一樣常溫下易形成蒸氣(圖七)，反應性比起氟略顯溫和，碘在自然界主要在智利硝石礦中，以碘酸鈉的形式存在。生活中常見的碘製品有碘酒(碘溶在酒精中)、加碘鹽、含碘的顯影劑(可用在心臟的電腦掃描圖)、¹³¹I可用於甲狀腺腫瘤的早期診斷和治療、照相底片的感光劑(碘化銀)、人工降雨的晶種(碘化銀)、碘片(碘化鉀)等。

n  砈

          砈(Astatine)在地殼中含量極低，砈的元素符號為At_，本身具有放射性，可用在醫療用速效放射性的同位素。原子會具有放射性主要是因為其原子核，所有原子核裡都有兩股力量：強核力(吸引力)、靜電力(排斥力)，強核力雖然比靜電力強好幾百倍，但只要超過幾兆分之一吋就無法發揮效用，所已通常出了原子核強核力就不太有影響力了，當原子核半徑像砈(原子序85)這麼大，強核力已很難在把所有質子及中子都抓在一起，因此原子會變得不穩定。砈元素會天然生成但只要超過幾兆分之一吋就無法發揮效用，所以通常出了原子核強核力就不太有影響力了，當原子核半徑像砈(原子序85)這麼大，強核力已很難在把所有質子及中子都抓在一起，因此原子會變得不穩定。

n  結語

         在歷史上，摩瓦桑因成功析出氟而名利雙收，氯和溴用在許多戰爭中，而人攝取碘不夠會智能不足，砈雖有放射性卻可用在醫療上。從元素的歷史中我們可看到這些元素的不同功能，而對這些元素多了更深的認識。

n  參考資料

1.          趙匡華(1998)，化學通史。新竹市，凡異出版社

2.          楊玉齡譯(2011).消失的湯匙。臺北市，大塊文化。譯自Kean, S. (2010). The disappearing spoon: and other true tales of madness, love, and the history of the world from the periodic table of the elements. NY: Little, Brown and the Company.

3.          吳瑤玲譯(2010).看的到的化學。臺北市，大是文化。The Elements：A Visual Exploration of Every Known Atom in the Universe.

4.          https://en.wikipedia.org/wiki/Bromine