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天才还是魔鬼? ——记小托马斯·米奇利的发明成果

 

王崇臣

一、四乙铅—— 一个瑰丽的梦

小托马斯·米奇利(Midgley, Thomas, Jr.)1889年5月18日出生在美国宾夕法尼亚州比弗福尔斯,他本来是一名训练有素的工程师,后来对化学品的工业用途产生了浓厚兴趣。他曾经发明了性能卓越的汽油抗爆振剂——四乙铅以及无毒性的制冷剂——氟利昂(二氟二氯甲烷),这两种物质均在人类历史上产生过划时代的意义。但是,随着社会的不断发展,人们逐渐认识到,这两种化合物辉煌的背后竟然隐藏着令人恐惧的真相。

18世纪初,人们为了提高内燃机的效率,而增加了内燃机的压缩比。然而,当汽油和空气的混合物被压缩到一定体积时,就会产生爆振现象,这不但会损坏汽缸,而且还浪费了燃料。因此,当时的人们迫切需要一种物质使汽油压缩比例大大提高且不会引起爆振。

在这种情况下,米奇利及其同事们开始努力寻找这种物质,整个寻找过程异常艰苦。

他们首先发现,煤油的抗爆振性能比汽油好,在煤油里面加入少量碘,其抗爆振性能可以大大得到改善。但碘的价格昂贵,实用性不强。

于是,他们打开了门捷列夫的化学地图——元素周期表,循着碘的足迹继续寻找合适的物质。但和碘同族的氟、氯、溴等物质性质过于活泼,容易损坏汽缸。

他们又将目光转移到了VIA族。通过大量的实验表明,含氧的醇类化合物能够提高汽油的抗爆振性能,但是需要加入的量很大,几乎达到了汽油体积的一半。与氧同族的硫元素化合物腐蚀性又很强。

他们转而研究VA族。在研究中他们中发现,含氮的苯胺可以显著提高汽油的抗爆振性能,而且可以使汽车行驶的里程增加50%。这一发现很快得以实际应用,1920年首次飞越大西洋的飞机就使用了添加甲基苯胺的汽油。但美中不足的是,这种物质添加量很大(约是汽油体积的1/10),且排放出的气体难闻至极。因此,此种添加剂的生命非常短暂。

为了解决这一难题,米奇利及同伴开始研究硒和碲。他们欣喜地发现:二乙基硒和二乙基碲的抗暴性能分别比苯胺强5倍和10倍。虽然合适的物质找到了,但是仍难以推广使用,因为这两种物质奇臭无比。

对所有的实验进行仔细分析后,米奇利发现:具有优良抗爆振性能的物质都是重元素的化合物。于是他开始对IVA族的锡进行实验,并取得了令人满意的结果。在此实验基础上,最终他确定比锡更重的铅是最佳选择。

1921年,四乙铅发明成功,1升汽油里只需加入1克四乙铅,就可以达到良好的抗爆振效果。而且,生产四乙铅的原料非常容易获得,价格低廉。更让人们高兴的是,四乙铅不仅没有恶臭,还富有水果的香味儿。

1923年,三家实力雄厚的美国公司共同投资,成立了四乙公司。从此,四乙铅不仅为投资者带来了滚滚财富,而且为人类社会创造了巨大的经济效益。

二、氟里昂—— 一朵漂浮的云

20世纪20年代,冰箱普遍使用一些非常危险的气体(其中包括氨、二氧化硫和丙烷)作制冷剂。1929年,发生在美国俄亥俄州克利夫兰某医院的冰箱泄漏事故曾使一百多人丧生。

就在这时,正沉浸在发明四乙铅的欣喜与兴奋中的米奇利开始乘胜追击,着手解决这一问题。

米奇利的目标是研制出一种稳定、不易燃、不腐蚀且吸入安全的制冷气体。通过观察,他发现只有位于元素周期表右侧的非金属元素可以在室温下生成呈气态的化合物,且化合物的可燃性从左到右逐渐递减(事实上,卤化物的确是可以用来阻燃的),比较重的化合物毒性较大。于是,米奇利抱定了这样一个信念——氟和其他较轻的非金属元素形成的化合物,必定可以成为性能优良的制冷剂。

经过两年多的艰苦实验,米奇利终于合成出了二氟二氯甲烷(也称氟利昂)。因为这种化合物具有极为理想的制冷效果,所以从20世纪30年代初即大批量投入生产。从此,家用冰箱、空调以及除臭喷雾剂等产品就都离不开它了。

三、辉煌背后的阴影

面对这两种物质所创造的辉煌,人们曾一度陶醉其中。但随着时间的不断推移,辉煌背后的阴影逐渐浓重并显露出来。

四乙铅可以通过呼吸道、食道甚至皮肤进入人体,而且很难代谢。当人体内积累到一定量(大约100mL血液中含80μg)的铅时,就会发生铅中毒。铅中毒的后果非常可怕,人们会出现失眠、抽搐、失明、失聪等症状,严重的甚至会瘫痪、肾功能衰竭和患上癌症。

随着含四乙铅汽油的大量使用,环境中的铅含量日益增多。更糟糕的是,四乙铅的降解产物——离子型烷基铅比无机铅毒性更大,因为它们是脂溶性的,可以很快被人体的皮肤和肺部吸收。

科学研究发现,1923年四乙公司成立前,大气中几乎没有铅的存在,人体内的铅浓度也非常低。但是到了1986年,人们血液中的铅浓度竟然比上个世纪高出625倍。在铁一般的事实面前,四乙公司仍然矢口否认,直到2001年2月,四乙公司仍然坚持认为含铅汽油无论对人的健康还是对环境都不构成威胁。

为了打消人们对四乙铅汽油的怀疑和担忧,其发明者小托马斯·米奇利甚至还当着记者和公众的面进行了一次现场表演。他将四乙铅汽油泼在自己手上,并在盛有含铅汽油的烧杯口上嗅闻长达1分钟之久。同时他还强调,自己每天都这样接触汽油,而未受到任何伤害。其实事实却并非如此,米奇利曾因大量接触四乙铅汽油而大病一场,他平时总是尽可能地远离这种“可恶”的东西。

四乙公司成立不久,一线工人几乎就都出现了铅中毒症状——走路不稳,神经官能混乱等。四乙公司当时不但没有采取相应的补救措施,而且还厚颜无耻地解释说:“工人们之所以这样,是因为工作比较辛苦。”

氟利昂对环境的危害不像四乙铅那样立竿见影,所以人们直到50年后才发现它的魔鬼本质。

很多年来,臭氧正在被大气平流层中含氯(溴)自由基物质以及氮氧化物吞噬,而氟利昂正是含氯(溴)自由基物质的主要来源。尽管氟利昂在大气中的含量很小(约占大气总量的十亿分之一),但是其破坏力极强。研究证明,每千克氟利昂能在大气中捕捉并消灭七万千克臭氧。而且,氟利昂在大气中的悬浮时间非常长(平均100年),在此期间它不断大量吸收热量(一个氟利昂分子增加温室效应的能力要比一个二氧化碳分子强一万倍),是温室效应的罪魁祸首。

幸运的是,人们没有被生产者的巧言和可观的经济效益所迷惑,最终还是揭开了四乙铅和氟利昂美丽的伪装。

美国于1974年开始禁止使用氟利昂,1986年停止销售和使用含铅(四乙铅)汽油。随后,其他国家也纷纷颁布法律和条令限制或禁止使用上述两种物质。

四、天才与魔鬼

米奇利的两大杰作——四乙铅和氟利昂都曾风光一时,并创造了难以计数的物质财富。但不可否认的是,它们同时也给人类社会带来了难以摆脱的尴尬和困境。在人们的觉醒中,四乙铅和氟利昂正在逐渐退出历史舞台。

通过米奇利两项发明的兴衰史,我们不难看出,科学技术既能给人类带来巨大的物质利益,同时也可能隐藏着致命的危机。因此,在进行科学研究的过程中,我们一定要辨正地看待问题,在积极发展科学技术的同时也不能忘记随之将会产生的负面影响。科技转化为生产力的过程中,一定要兼顾经济与社会双重效益。

的确,凭借化学方面的天分和卓越的科研能力,米奇利堪称天才。但当我们从他给人类发展带来巨大灾难的角度来看时,称其为魔鬼也不为过。在对四乙铅和氟利昂既沉痛又不失魅力的回忆中,我们难道不应该吸取其中深刻的教训吗?

参考文献

[1] 比尔·布莱森著. 严维明, 陈邕译. 万物简史. 南宁: 接力出版社, 2005 : 132-141
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吴祺. 中学化学教学参考, 2003, (6) :56 – 57
[ 3 ]
张亮生. 大学化学专题. 哈尔滨 :哈尔滨工业大学出版社, 2004: 91-93
[ 4 ]
吴祺. 化学教育, 1991, (4): 1-4

注1:另一个版本于2007年发表在《化学教育》(王崇臣. 小托马斯·米奇利——科学天才还是“魔鬼”的帮凶[J]. 化学教育, 2007, 28(8):63-64.)

注2:当时年轻,有些措辞可能不当,未加修改,尊重当时自己的想法和表达。

注3:这个版本在《无机化学》(王元兰主编,本人为副主编,2011年,化学工业出版社)的“元素选述”部分作为“知识扩展”。

http://blog.sciencenet.cn/blog-1129566-1108807.html