氩的最早用途是向电灯泡内充气。焊接和切割金属也使用大量的氩。用作电弧焊接不锈钢、镁、铝和其他合金的保护气体,即氩弧焊。
但是氩弧焊对焊工的危害很严重,氩弧焊的危害主要:一是焊工尘肺。
焊工尘肺是由于长期吸入超过允许浓度的以氧化铁为主的二氧化硅、硅酸盐、锰、铁、铬以及臭氧、氮氧化物等混合烟尘和有毒气体,并在组织中长期作用所致的混合性尘肺。
二是锰中毒。
锰蒸气在空气中能很快氧化成灰色的氧化锰及棕红色的四氧化三锰烟尘。焊工长期吸入超过允许浓度的锰及其化合物的微粒和蒸气,则可能造成锰中毒。
三是焊工金属热。
焊工金属热是指吸入焊接金属烟尘中的氧化铜、氧化锰及氧化铁微粒和氟化物等,容易通过上呼吸道进入末梢细支气管和肺泡,再进入血液,引起焊工金属热反应。
多才多艺的氯气大显身手
氯单质由两个氯原子构成,化学式为Cl2。气态氯单质俗称氯气,液态氯单质俗称液氯。常温下的氯气是一种黄绿色、有刺激性气味、有毒的气体。氯是一种化学性质非常活泼的元素。它几乎能跟一切普通金属以及许多非金属直接化合。
发现氯的曲折过程
氯气的发现应归功于瑞典化学家舍勒。舍勒是18世纪中后期欧洲的一位相当出名的科学家,他从少年时代起就在药房当学徒,他迷恋实验室工作,在仪器、设备简陋的实验室里做了大量的化学实验,涉及内容非常广泛,发明也非常多,他以其短暂而勤奋的一生,对化学做出了突出的贡献,赢得了人们的尊敬。
舍勒发现氯气是在1774年,当时他正在研究软锰矿(二氧化锰),当他使软锰矿与浓盐酸混合并加热时,产生了一种黄绿色的气体,这种气体强烈的刺激性气味使舍勒感到极为难受,但是当他确信自己制得了一种新气体后,他又感到一种由衷的快乐。
舍勒制备出氯气以后,把它溶解在水里,发现这种水溶液对纸张、蔬菜和花都具有永久性的漂白作用;他还发现氯气能与金属或金属氧化物发生化学反应。从1774年舍勒发现氯气以后,到1810年,许多科学家先后对这种气体的性质进行了研究。这期间,氯气一直被当做一种化合物。直到1810年,戴维经过大量实验研究,才确认这种气体是由一种化学元素组成的物质。他将这种元素命名为chlorine,这个名称来自希腊文,有“绿色的”意思。我国早年的译文将其译作“绿气”,后改为氯气。
多才多艺的氯
氯的产量是工业发展的一个重要标志。氯主要用于化学工业尤其是有机合成工业上,以生产塑料、合成橡胶、染料及其他化学制品或中间体,还用于漂白剂、消毒剂、合成药物等。
氯气可以作为一种廉价的消毒剂,一般的自来水及游泳池就常采用它来消毒。但由于氯气的水溶性较差,且毒性较大,容易产生有机氯化合物,故常使用二氧化氯(ClO2)代替氯气作为水的消毒剂(如中国、美国等)。
湿润的氯气可用于纸浆和棉布的漂白,不同于二氧化硫(SO2)的漂白性,氯气的漂白性为不可还原且较为强烈,因此不宜以此作为丝绸之漂白剂。
氯气是一种有毒气体,它主要通过呼吸道侵入人体并溶解在黏膜所含的水分里,生成次氯酸和盐酸,对上呼吸道黏膜造成有害的影响:次氯酸使组织受到强烈的氧化;盐酸刺激黏膜发生炎性肿胀,使呼吸道黏膜浮肿,大量分泌黏液,造成呼吸困难,所以氯气中毒的明显症状是发生剧烈的咳嗽。症状严重时,会发生肺水肿,使循环作用困难而致死亡。由食道进入人体的氯气会使人恶心、呕吐、胸口疼痛和腹泻。1升空气中最多可允许含氯气0.001毫克,超过这个量就会引起人体中毒。
氯元素是人体必需常量元素之一,是维持体液和电解质平衡中所必需的,也是胃液的一种必需成分,氯对胃液中盐酸的形成起着特殊作用。
人体内约有100克氯,大多与钠和钾结合在一起,主要存在于细胞外液中,血液中含氯0.25%,比其他矿物质都高。
食物中的氯主要在小肠被吸收。在消化过程中,血液中的一些氯化物用于产生胃酸。饮食中多余的氯化物则随尿排出。出汗、呕吐和腹泻会引起氯化物的额外消耗。
食盐和含盐食物都是氯的来源,通常摄食中不会缺氯。
值得注意的是,机体失氯与失钠往往相平衡,当氯化钠的摄入量受到限制时,尿中氯含量下降,紧接着组织中的氯化物含量也下降,出汗和腹泻时钠损失增加,也会引起氯的损失。
杀死科学家的凶手——氟
氟属于卤素,是在化合物中显负一价的非金属元素,通常情况下氟气是一种浅黄绿色的、有强烈助燃性的、刺激性毒气,是已知的最强的氧化剂之一,元素符号F。
氟气的发现
经过19世纪初期的化学家反复分析,肯定了盐酸的组成,确定了氯是一种元素之后,氟就因它和氯的相似性很快被确认是一种元素,相应的存在于氢氟酸中。虽然它的单质状态一直拖延到19世纪80年代才被分离出来。
氟和氯一样,也是自然界中广泛分布的元素之一,在卤素中,它在地壳中的含量仅次于氯。
早在16世纪前半叶,氟的天然化合物萤石(CaF2)就被记述于欧洲矿物学家的著作中,当时这种矿石被用作熔剂,把它添加在熔炼的矿石中,以降低熔点。因此氟的拉丁名称fluorum从fluo(流动)而来。它的元素符号由此定为F。
拉瓦锡在1789年的化学元素表中将氢氟酸当做是一种元素。到1810年戴维确定了氯气是一种元素,同一年法国科学家安培根据氢氟酸和盐酸的相似性质和相似组成,大胆推断氢氟酸中存在一种新元素。他并建议参照氯的命名给这种元素命名为fluorine。但单质状态的氟却迟迟未能制得,直到1886年6月26日,才由法国化学家弗雷米的学生莫瓦桑制得。莫瓦桑因此获得1906年诺贝尔化学奖,他是由于在化学元素的发现中作出贡献而获诺贝尔化学奖的第二人。
氟气的制取
莫瓦桑1852年9月28日生于巴黎蒙托隆街5号,少年时代饱尝贫困之苦,未能接受高等教育,靠自学步入了化学殿堂。
莫氏总结前人分离氟元素失败的原因,并以他们的实验方案作为基础,为了减低电解的温度,他曾选用低熔点的三氟化磷及三氟化砷进行电解,阳极上有少量气泡冒出,但仍腐蚀铂电极,而大部分气泡仍未升上液面时被液态氟化砷吸收掉,分离又告失败,其中还发生了四次的中毒事件而迫使暂停试验。
1886年,他总结其恩师弗雷米电解氟化氢的失败经验,他决定采用液态氟化氢作电解质,在这种不导电的物质中加入氟氰化钾,进行实验。当年6月26日那天,他开始进行实验,阳极放出了气体,气流通过矽时顿起耀眼的火光,根据他的报告:被采集的气体呈黄绿色,氟元素终于被成功分离了。
为了防治龋齿,氟化物开始出现在饮用水、牙膏及各种食品饮料中。让科学家始料不及的是,氟很快表现出了两面性:龋齿患者越来越少,氟斑牙患者却越来越多。氟化物对人体还有哪些影响,成了科学家必须面对的新问题。
氟斑牙只是氟化物对人们小小的警告,更可怕的是,长期摄入高剂量的氟化物,可能导致神经疾病以及内分泌系统功能失常。
因此,使用含氟牙膏的量一定要小,一般每次不超过1克,牙膏占到牙刷头的五分之一到四分之一就可以了,无须挤满牙刷头。由于儿童使用牙刷还不熟练,有可能误食含氟牙膏,危害身体健康,因此专家建议儿童不要使用含氟牙膏。
多年来全民使用高氟牙膏,几乎所有的牙膏都把含氟当成了牙膏的卖点,宣传含氟牙膏会增加牙齿的硬度,防止龋齿,这是严重错误的。比如东北、内蒙古、宁夏、陕西、山西、甘肃、河北、山东、贵州、福建等,都是高氟地区,这样的地区不适宜使用含氟牙膏。
地球的保护神——臭氧
臭氧是氧的同素异形体。气态臭氧厚层带蓝色,有刺激性腥臭气味,浓度高时与氯气气味相像;液态臭氧深蓝色,固态臭氧紫黑色。
臭氧的发现与作用
1840年德国C.F.舍拜恩在电解稀硫酸时,发现有一种特殊臭味的气体释出,因此将它命名为臭氧。
因为臭氧具有极强的氧化性的特点,被世界公认是一种广谱高效杀菌剂,它的氧化能力高于氯一倍,灭菌比氯快600倍~3000倍,甚至几秒钟内就可以杀死细菌。臭氧可杀灭细菌繁殖体和芽孢、病毒、真菌等,并可破坏肉毒杆菌毒素,可以清除空气和杀灭空气中、水中、食物中的有毒物质,常见的大肠杆菌、粪链球菌、绿脓杆菌、金黄葡萄球菌、霉菌等,在臭氧的环境中放置5分钟,其杀灭率可达到99%以上。将臭氧溶于水中可形成臭氧水,臭氧水是一种对各种致病微生物有极强杀灭作用的消毒灭菌水剂,用臭氧水清洗瓜果、蔬菜、衣物、器皿等,可除去上面残留的农药异味等,并能延长食品的保鲜期。臭氧被称为绿色环保元素,因为在杀菌、消毒过程中,臭氧可自行还原为氧和水,没有任何残留和二次污染,这是其他任何化学元素消毒剂都无法做到的。
臭氧层保护人类
自然界中的臭氧,大多分布在距地面20千米~50千米的大气中,我们称之为臭氧层。臭氧层中的臭氧主要是紫外线制造出来的。臭氧形成后,由于其比重大于氧气,会逐渐地向臭氧层的底层降落,在降落过程中随着温度的变化(上升),臭氧不稳定性愈趋明显,再受到长波紫外线的照射,再度还原为氧。臭氧层就是保持了这种氧气与臭氧相互转换的动态平衡。
在这么广大的区域内到底有多少臭氧呢?估计小于大气的十万分之一。如果把大气中所有的臭氧集中在一起,仅仅有三公分薄的一层。那么,地球表面是否有臭氧存在呢?回答是肯定的。太阳的紫外线大概有近1%部分可达地面。尤其是在大气污染较轻的森林、山间、海岸周围的紫外线较多,存在比较丰富的臭氧。
此外,雷电作用也产生臭氧,分布于地球的表面。正因为如此,雷雨过后,人们感到空气的清爽,人们也愿意到郊外的森林、山间、海岸去吮吸大自然清新的空气,享受自然美景的同时,让身心来一次爽爽快快的“洗浴”,这就是臭氧的功效,所以有人说,臭氧是一种干净清爽的气体。
大气中臭氧层对地球生物的保护作用现已广为人知——它吸收太阳释放出来的绝大部分紫外线,使动植物免遭这种射线的危害。为了弥补日渐稀薄的臭氧层乃至臭氧层空洞,人们想尽一切办法,比如推广使用无氟制冷剂,以减少氟利昂等物质对臭氧的破坏。世界上还为此专门设立国际保护臭氧层日。
但是过多的臭氧对人类健康和植物生长等会产生危害。原因就在于,臭氧作为强氧化剂,臭氧几乎能与任何生物组织反应。对那些患有呼吸道疾病的人来说,臭氧的危害更为明显。
另外,据科学家研究发现,臭氧层是使地表生物免遭太阳紫外线危害的天然屏障,但土壤中的臭氧却是植物生长的大敌,它能抑制各种植物的生长,给农业生产带来重大损失。臭氧既可助人又会害人,它既是上天赐予人类的一把保护伞,有时又像是一剂猛烈的毒药。臭氧的脾气还有待于我们进一步了解,以造福于人类。