黑心商人喜欢加的元素 原是科学家们“争”出来的

作者:魏德勇来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-09-06

硼有什么特点?它是如何被科学家们发现的?……这些答案的源头,在200多年前的首张化学元素表里。

近日,江西大余,广东深圳、东莞等地的黑心商人,为了牟取利益,分别在黄元米、猪肉猪骨、米粉等食品里添加硼砂。依照国家食品卫生管理法规规定“在其生产的食品中加入有毒、有害的非食品原料并予以销售,其行为已构成生产、销售有毒、有害食品罪”,他们受到了相应的法律制裁。

据专家介绍,硼砂所含毒性较高,是各国禁用的食品添加剂,人体过量摄入会引起中毒。

广东东莞一猪肉档老板在猪肉里放硼砂,被当场查获。(东莞阳光网)

广东东莞一猪肉档老板在猪肉里放硼砂,被当场查获。(东莞阳光网)

硼砂中毒有何科学原理?除了人体中毒外,它还有什么用途?作为硼砂的主要构成元素,硼有什么特点?它是如何被科学家们发现的?……

这些答案的源头,在200多年前的首张化学元素表里。

法国皇帝重力支持

1789年,法国化学家拉瓦锡(注一)在制作第一张元素表的时候,意识到有一种界于金属之间的特殊元素。他认为,此元素很可能是“焊剂酸”的构成元素之一,主要以矿物质的形式存在。虽然他没有分离出这种元素,但他在表中第二类元素(简单的非金属物质系列)里留了一个位置。

拉瓦锡

拉瓦锡像(网络图)

转眼到了1807年,英国科学家戴维分离出元素钾和钠的消息传到法国,引起巨大反响。一贯重视科学的法国皇帝拿破仑希望本国的化学元素研究工作要赶超英国。于是,他找来多年研究化学元素的本国科学院院士(注二),希望后者一方面加大金属钾和钠的生产力度,另一方面争取用金属钾和钠提取更多的未知元素。盖-吕萨克读过拉瓦锡的著作,知道用钾可以还原出“焊剂酸”的未知元素。当他提出需要功率强大的伏打电池组,以用其来电解钾时,拿破仑毫不犹豫地答应了。

可是,由于当时的工艺条件有限,虽然耗去了大量资金和劳力,用伏打电池组电解得到的钾很少,无法进行电解“焊剂酸”。

吕

盖-吕萨克画像(网络图)

实验创新首度命名

见电解法无效,盖-吕萨克改变方式,研制出一种制取钾的新方法——热还原法,使钾的产量得到增加。得到足够的金属钾后,他便着手还原“焊剂酸”。

盖-吕萨克把金属钾和无水“焊剂酸”混合后放进紫铜管里,铜管上面连接一根玻璃管,玻璃管的另一端插进盛有水银的烧瓶中。接着,他对紫铜管进行加热,加到150°C时,紫铜管里的混合物迅速灼烧起来。待紫铜管冷却后取出里面的灰绿色固体,用热水反复洗涤,得到一种棕灰色粉末。

进一步实验发现,这种粉末在氧气中燃烧便转化成无水“焊剂酸”。“这种粉末应该是拉瓦锡元素表里的特殊非金属元素,”盖-吕萨克自言自语道,“这种粉末形成的化合物,就是古代炼金士用来焊接金属的焊剂。”

提取硼的实验流程。

类似提取硼的实验流程。(网络图)

盖-吕萨克翻阅字典,得知“焊剂”的阿拉伯文是“boron”,于是他把这种棕灰色粉末命名为“bre”,元素符号为“B”。若干年后,清朝科学家引入西方科学典籍时,把此元素翻译为“硼”。

1808年6月21日,盖-吕萨克在巴黎高级工艺学校宣读了制取单质硼的论文。文中指出,“焊剂”的主要元素是硼;他试验中所用的无水“焊剂酸”就是硼酸。

拿破仑翻阅盖-吕萨克的论文后,非常高兴,当即表示要给他提供更多更有利的实验条件。

英国大咖所见略同

花开两朵,各表一枝。话说盖-吕萨克全力制取单质硼的时候,戴维也夜以继日地投身于硼酸的研究中。因为从英国皇家学会的同事口中得知,法国皇帝拿破仑已为盖-吕萨克提供了大功率的伏打电池组,准备用它来电解硼酸。由此推断,制取单质硼已成为国与国之间科学实力的竞争!

“金属钾是我发现的,用钾制取新元素我也不能落后。”作为当时非常有名的科学家,戴维已经成功提炼出钾、钠、钙等金属,制取单质硼志在必得。

戴维电解钾的实验装置。(绘制,来源于网络)

戴维电解钾的实验装置。(绘制,来源于网络)

可是,他还是晚了一步。与盖-吕萨克一样,戴维也经历了电解法、热还原法分解硼酸的过程。最终,他比盖-吕萨克晚几天在硼酸中提炼出单质硼。参照“焊剂”的阿拉伯文,他把这种介于金属之间的元素命名为“Boradum”,元素符号也是“B”。

1808年6月30日,戴维在英国皇家科学院宣读了他制取单质硼及为其命名的论文。

10天之内,两位不同国家科学大咖先后用相似的方法提取得硼单质,这真是元素发现史的佳话。

提纯研究佳话连连

其实,盖-吕萨克和戴维在论文中提到的单质硼,是含有杂质的硼。一代代科学家都为单质硼的提纯而努力不止。1892年,法国化学家亨利·莫瓦桑用金属镁还原三氧化二硼的方法,制得了纯度为99%的单质硼。这个数据持续了一百多年。后来的科学技术表明,要提取99.9%高纯度硼非常困难,成本也非常高。

工业级硼酐(三氧化二硼)

三氧化二硼,工业上叫做硼酐。(网络图)

提纯单质硼的同时,科学家们也没停止对硼及化合物的研究,有的人还因此获国际大奖。1976年,美国无机化学家利普斯科姆独享该年度的诺贝尔化学奖,其获奖理由是“在硼烷方面的研究阐明了化学键问题”。5年后,他的同门师弟R•霍夫曼因为提出“解释化学反应过程的理方法研究含硼化合物”而获得当年的诺贝尔化学奖。

用途广泛含量大国

硼及其化合物的用途不断开发。目前,硼用途在300种以上,以农用化肥、陶瓷工业和洗涤剂为主。

单质硼为黑色晶体。

单质硼(网络图)

当然硼及其化合物对人类有。近年来,科学研究表明,作为制取含硼化合物的基本原料,无色半透明晶体或白色粉末的硼砂进入人体后会带来伤害。原来,硼砂与胃酸反应生成硼酸。具有积存性的硼酸会阻止消化道的酶,从而让人体消化不良、食欲减退,并促进脂肪分解,使体重减轻。硼砂引发的急性中毒症状主要有腹泻、呕吐、昏迷等,被医学界称为硼酸症。这就是各国把硼砂列入禁用食品添加剂的真正原因。

值得一提的是,用途广泛的硼元素在地壳中的含量并不多,仅占地壳质量的十万分之一。它在自然界多以含氧化合物的形式存在。

硼砂和硼酸。

硼砂与硼酸。(网络图,拼合)

我国是硼含量大国,西藏的盐湖富含大量可用于焊接金属的硼砂,古代时,这些硼砂一直远运到阿拉伯等国。尽管如此,硼及其化合物产品目前却不能满足我国的建设需求。以2007年为例,我国进口硼矿产品约65万吨,是国内同类开采产品产量的1.5倍以上。从这方面讲,当年英法科学家“争”出来的硼元素如何有效地开发和利用,在相当长一段时间里都会成为科学界关注的重要课题。

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