阿西莫夫：盐的制造者

【译者之言：卤素一族——氟、氯、溴、碘、砹，中学化学课上我们都能朗朗上口，但你可知道在这些元素的发现过程中有多少让人难忘故事！】

在我年轻的时候，这还是远在抗生素出现之前，一般家庭都常备一种治疗像刀伤、擦刮伤一类伤口的药水。为防止伤口感染，我们会在伤口涂上碘的酊剂（碘酒）—— 一种碘的酒精溶液。

对于我来说，碘酒自然成了防止感染的万能药。虽然碘酒会让伤口刺痛，让人“哎哟！哎哟！”地叫痛，但我仍然感觉非常的好。因为作为小孩，我总是觉得这种刺痛就意味着细菌全部被消灭了。

随着时代的变迁，家庭常备药品也发生了变化。我亲爱的妻子珍尼特是一个医学博士，她熟悉所有最新的抗感染药物。她生活中最大的乐趣就是治疗我身上的任何小伤（虽然我不是很喜欢，但我很愿意去忍受，因为我非常爱她）。不管什么时候，只要我受伤，她总是会在我的伤口上涂满各种油膏、乳液，或是抗生素软膏。

然而，在我的药箱里，我一直坚持放了一小瓶碘酒。任何时候，在我遇到刀伤、擦刮伤时，只要没被珍尼特看到，我都会在伤口上涂点碘酒，享受那种杀灭细菌的刺痛。

前几天，我又用了碘酒，不巧被珍尼特发现，她就此给我作了一大番报告。我想，既然我不时写一些有关化学元素的短文，我也应该写写有关碘的故事。

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我们首先并不从碘开始，而是从盐酸开始。

中世纪的炼金术士发现了三种矿物酸。它们与相对较弱的醋酸相比，能带来更剧烈的化学反应。而醋酸是醋的有效成分，也是此前古人能得到的最好的酸。这些矿物酸中有两种是硫酸和硝酸，而第三种就是盐酸。

我们并不确切知道，是谁在什么时候发现的这种酸。在1612年出版的一本书里，第一次清楚地描述了盐酸的配制方法。书的作者是德国炼金术士安德烈亚斯·利保（Andreas Libau）（1560-1616）, 而更多的人更熟悉他的拉丁版名字——里巴维亚斯（Libavius）。

当然，他没有叫它盐酸。盐酸这个名字是在十九世纪现代化学命名法发明出来以后，才出现的。他把它称作“spiritus salis”，这个拉丁文意思是“盐精”。之所以这样称呼它，是因为他是用食盐和水，加上粘土，并加热来配制盐酸的。它是一种“精”，是因为它容易挥发，而食盐本身却不会。

在这以后，盐酸又被称为“海酸”，因为原料之一的食盐可以从海水中获取。食盐还可以从卤水（陆地上各处的饱和盐水）中获取，所以它也被叫做“muriatic acid”，拉丁文，意为“卤酸”。

这样又过了一个半世纪。

1774年，瑞典化学家卡尔·威廉·谢勒（Karl Wilhelm Scheele）（1742-1786）将卤酸与一种被称作“软锰矿”（含有我们今天称作“二氧化锰”的成份）的矿物一同加热。他制成了一种带有让人窒息气味的气体。这种气体能让人咳嗽，并使他感到了“压抑”，但他依然坚持对它进行研究（还有其它各种有毒蒸汽，这可能导致了他的早逝——他四十四岁就去世了）。他发现这种气体微溶于水，会腐蚀金属，能漂白绿叶和花朵。

该化学反应是这样的：卤酸的分子由一个氢原子和一个氯原子组成（这也就是现在也叫它氢氯酸的原因）。二氧化锰中的氧原子与其中的氢原子结合，解放出了氯原子，氯原子成对结合组成氯分子，最后就形成了气态的氯。总之，是谢勒发现了氯元素。

然而，尽管谢勒是历史上最伟大的化学家之一，但因为各种阴差阳错的原因，却是最不幸一个化学家。有大约六种元素都是他第一个分离出来的，但他却未得到任何一项荣誉。不是作品出版被耽误了，让别人赶到了他的前面，就是荣誉被授予给了他的合作者，或是别的什么原因。

对于氯元素，他的报告是第一个，而且没有合作者。但谢勒还是错过了，因为他并没有意识到他分离出的气体是一种元素。他接受了一种在1700年发展起来的理论。这种理论认为，燃烧（氧化）反应中流失的物质叫“燃素（或热素）”。由于这种蒸汽是卤酸燃烧产生的，他因此把它叫做“去热素卤酸”。

几乎就在谢勒分离氯的同时，英国化学家约瑟夫·普利斯特里（Joseph Priestley）（1733-1804）发现了氧。（还是谢勒首先发现的氧，但是他的论文被出版社可耻地延误了，他因而失去了这项荣誉）。法国化学家安托万·劳伦·拉瓦锡（Antoine Laurent Lavoisier）（1743－1794）在1778年指出，燃烧（氧化）并不是燃素的流失，而是获得了氧。

这意味着谢勒并不是让盐酸丧失了燃素，而是为其添加了氧。去燃素卤酸也就被称为了“氧卤酸”。谢勒的蒸汽仍然没有被认作一种元素，而被看作是一种卤酸和氧的不牢固结合物。

拉瓦锡赞成所有的酸都包含氧元素的观点（这也是氧为什么被叫做希腊语的“oxygen”（意为“酸的制造者”）的原因）。他因此认为卤酸和氧卤酸都含有氧元素。

英国化学家汉弗莱·戴维（Humphry Davy）（1778－1829）也对此进行了研究。1808年，他作出了以下结论：卤酸不含有氧元素；与氧结合的是氢成分；谢勒的蒸汽也不包括氧元素，它是一种单独的元素。即是说，这种蒸汽已不能被进一步分解成更基本的元素了。

由于这种蒸汽颜色呈绿色，戴维称之为“chlorine”，希腊语的绿色。他认为卤酸是由包含氢元素和氯元素的分子构成。因此它又被称为“氢氯”或“氢氯酸”。因为这些结论都是正确的，所以发现氯元素的荣誉被授予了戴维，而不是谢勒。

然而，并不是所有的人都相信戴维的结论，尤其是瑞典化学家琼斯·雅各布·伯齐利厄斯（Joens Jakob Berzelius）（1779－1848）。他一直坚持认为戴维的氯元素是什么物质的氧化物。伯齐利厄斯是当时最有名的化学家，事实上也是当时化学界的绝对权威。由于他拒绝接受戴维的理论，使得该理论一直处于未确定的地位。

这又将我们带到了法国化学家伯纳德·库尔图瓦（Bernard Courtois）（1777-1838）那里。

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库尔图瓦是第戎一个硝石制造商的儿子。由于接受过良好的化学教育，于是在1808年接过了父亲的事业。我们可以称他为“工业化学家”。

那个时代，硝石制造并非无足轻重的职业。硝石，或者化学术语中的“硝酸钾”，是火药的重要成份。火药的其它成份，硫磺和木炭来源丰富，容易获取。而硝石却不是。

库尔图瓦是在拿破仑战争的中期接手公司的。此时，法国迫切需要火药。英国是法国的敌人，而英国海军又控制了海洋。硝石最好的来源是海外，由于进口渠道被切断，库尔图瓦的生意陷入了困境。

库尔图瓦试图从法国海岸的海草中获取必要的硝盐。他将海草烧成灰烬，再用水从灰烬中溶解出硝盐。水当然还溶解了灰烬中的一些其它物质。为去除这些杂质，库尔图瓦加入了一点硫酸，让杂质沉淀，然后过滤除去。

当然库尔图瓦并不知道，实际上那时也没有人知道，海草中含有微量的，一种未知元素的化合物。

1811年底，库尔图瓦有一次似乎把硫酸多加了一点。让人吃惊的是他得到了一种紫色蒸汽，它有着和氯气类似的刺激性气味。这种蒸汽在冷的物体上凝结，形成近乎黑色的晶体。

库尔图瓦研究了这些晶体。他发现，它可以和氢、磷以及金属结合，还可以和氨结合形成一种爆炸物质（不过性能不佳，不能替代火药）。这种物质不能稳定地与碳或氧结合。在所有这些方面，这种新物质都与氯都很相近。

库尔图瓦还发现，对这种晶体加强热并不能将其分解成更基本的物质。因此，他怀疑自己是不是发现了一种新元素。但他被迫放弃了自己的研究。一是因为他没有钱和时间，他得用尽全力去经营他那快要破产的公司，来养活自己和家人。二是因为他怀疑自己的化学能力，是否能够处理“判断一种新物质是不是一种元素”这样的困难问题。他中断了他的研究，甚至没有发表他所观察到的那些现象。实际上，库尔图瓦一生中都没有发表过一篇论文。

1812年7月，他将自己收集到的信息寄给了当地的两个有名的化学家，尼古拉斯·克莱门特（Nicholas Clement）（1778-1841）以及他的合作者查尔斯·伯纳德（Charles Bernard）（1777-1862）。他们继续进行了研究，并在1813年11月19日将研究成果报告了法兰西学院。他们将这一发现的所有荣誉都给了库尔图瓦。克莱门特对新物质的特性进行了更深入的研究，结果发现和库尔图瓦所说的一样，与氯相近。他因此宣布这是一种新元素。

此时，其他化学家也在研究这种新物质，其中包括汉弗莱·戴维和一个法国化学家约瑟夫·路易丝·盖-吕萨克（Joseph Louise Gay-Lussac）（1778-1850）。他们都同意这是一种与氯相近的新物质。盖-吕萨克以其蒸汽的紫色命名了这种元素。希腊语中“紫色”是“ion”，而“像紫色”是“iodes”。加上“Chlorine（氯）”的结尾“ine”，即得到“iodine（碘）”这个词。

戴维和盖-吕萨克谁发现在先还存在些争议，多半是政治因素。戴维是英国杰出的化学家，吕萨克也是法国重要的化学家，而这两个国家正在进行你死我活的战争。好在该项发现的荣誉并没有授给他们的哪个，而是给了库尔图瓦，当然库尔图瓦也当之无愧。

因为证据非常有力，所以化学家们不久都接受了碘是一种元素的结论。碘是一种元素的事实，又让人不能不去考虑，与它相似的氯，也是一种元素。到了1820年，即使是那个顽固而权威的伯齐利厄斯也让步了。

然而，这一切并没有给库尔图瓦带来任何经济方面的好处。他的硝盐生意最终还是衰败了，他不得不靠制造和出售碘来维持生计，但这实际也帮不了多大的忙。1831年，他因为这项发现得到了6000法郎的奖励，但奖金不久就花光了。1838年，他死于贫困中。

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故事还没结束。我们还得说说另一位法国化学家安托万·杰罗姆·巴拉德（Antoine Jerome Balard）（1802－1876）。1824年，他还是蒙彼利埃一所制药学校的助教。

他对于寻找碘的新来源非常感兴趣。因为此目的，他开始对盐沼地里生长的各种植物进行研究。他将这些植物烧成灰烬，溶于水后浓缩。然后他发现，当他在其中加入某些化学药品时，液体会变成褐色。

他研究了这种褐色物质，最后得到一种略带红色的液体。这种液体的性质和氯，碘相似，有一种让人窒息，引人咳嗽的气味。他又研究了它的特性，结果发现都或多或少地介于氯和碘之间。它比氯的颜色深，但又比碘的颜色浅。化学特性相同，但似乎比碘要活泼，比氯又要差一点。

一段时间里，巴拉德认为他得到的是一种氯和碘的化合物——也就是说“碘氯”——但他又无法将这种新物质分解成碘和氯。最后，他宣布这是一种新物质，并将它命名为“muride”，取意于产生它的植物所生长的盐沼。

法兰西学院的一个小组研究了这种物质，其中包括盖-吕萨克。他们都拒绝接受这个名字，也许是因为这让他们想起了那老掉牙的名字“muriatic acid（卤酸）”。基于这种物质的强烈，而且难闻的气味，他们给它取名为“bromine（溴）”，希腊语，意思是“臭气”。

溴的发现和其它很多发现一样，都有不少“擦肩而过”的经历。

1825年，年轻的德国化学系学生卡尔·罗维格（Carl Lowig）（1803-1890）从盐泉的溶解物中观察到一种红色液体。他将这种红色物质带到进了著名的德国化学家利奥波德·格梅林（Leopold Gmelin）（1788-1853）的实验室中，格梅林立马建议他去仔细研究一下这种液体，看看是不是什么新的元素。

罗维格照此做了，但是在他得出结论之前，巴拉德宣布发现溴的论文已经出现。但是，罗维格还是继续了其漫长而成功的化学生涯，多数成果都与溴化合物的研究有关，这使得他的擦肩而过没有成为太大的悲剧。

更富戏剧性的是另外一位德国化学家贾斯图·冯·李比希（Justus von Liebig）（1803-1873）的命运。他甚至在罗维格之前就获得了一种红色液体的样本，而且他还仔细地对其进行了化验。他将其放在一个小玻璃瓶中，贴上标签，并把它放在了他的实验室的试剂架上。

当看到发现溴的新闻时，他奔到试剂架前，取出小玻璃瓶，再次化验了其成分，结果发现，他实际早就得到了纯的溴，只是让它静静地在那里呆了好几个月。然后，他紧盯着他在标签上写下的文字——“碘氯”。但李比希最后还是成为了有史以来最伟大的有机化学家之一，因此，对于他来说这也还不算太大的悲剧。

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显然，溴的特性介于氯和碘的特性之间。而德国化学家约翰·沃尔夫冈·杜贝雷纳（Johann Wolfgang Dobereiner）（1780-1849）将其简化成了数字。他注意到，溴的原子量正好在氯和碘的原子量之间，如果将氯和碘的原子量加起来，再将它们的和除以2，结果为81，而溴的原子量大约为80。

杜贝雷纳注意到，对于具有相似特性的其它三元素组也有同样的情况，例如：钙、锶和钡，当钙和钡的原子量被加起来，再将它们的和除以2，结果为89，而锶的原子量大约为88。

然后有硫、硒和碲，当硫和碲的原子量被加起来，再将它们的和除以2，结果为80，而硒的原子量大约为79。

1829年，杜贝雷纳提出，元素是以三个为一组出现的，他称之为“三个一组”。

这个说法非常重要。到杜贝雷纳的年代，已经知道了超过五十种元素，它们的特性变化很大，是一个杂乱无章的群体，科学家们绞尽脑汁试图去找到次序，实际上也是出于一种本能。

杜贝雷纳的“三个一组”是与元素次序有关的最早的提议。这一建议是在溴被发现之后不久提出的，这不足为奇，因为氯、溴和碘是“三个一组”中最明显和最清晰的例子。

然而，由于几个原因，“三个一组”的想法并未流行开来。首先，尽管当时已经知道了五十多种元素，但是还有三十多种尚未被发现，它们的缺席留下了空白，使得进行任何元素排序都十分困难。其次，许多元素的原子量还未得到正确的了解，这使得“三个一组”的想法使得元素即使在应该存在的地方，也会出现失败的情况，而在该不存在的地方又可能到场。 再次，元素的真正顺序非常精妙，只靠“三个一组”的简单想法是无法去排列的。

尽管如此，杜贝雷纳的提议还是激发了化学家们的想象力，其他人也开始着手在明显混乱的大量元素中寻找次序。

1869年，在“三个一组”的想法被提出四年之后，俄国化学家迪米特里·伊万诺维奇·门捷列夫（Dmitri Ivanovich Mendeleev）（1834-1907）最终以“元素周期表”的形式解决了元素的真正次序问题。这是继1778年拉瓦锡（Lavoisier）阐明燃烧的性质之后，到1896年法国化学家安托万.亨利.贝克雷尔（Antoine Henri Becquerel）发现放射性之前，最伟大的化学发现。

“三个一组”足以让人们能够用一个通用的名称来指代一组元素成为可能。氯和钠结合形成氯化钠，或者是普通的食盐。溴和碘与钠结合相应形成溴化钠和碘化钠，这些化合物在许多方面都与食盐类似。基于这个原因，氯、溴和碘就被称为“halogen（卤素）”，希腊语，意思是“盐的制造者”。

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氯、溴和碘是唯一的三种卤素吗？

答案是否定的！氯在三者之中的原子量最小，但是还有一种原子量更小的卤素，这就是“氟”。

氟壮大了卤素的队伍。碘在常温下为固体，沸点为184℃；溴为液体，沸点为59℃，而氯和氟在常温下都是气体，氯的沸点为-35℃，的氟则为-187℃。

溴的化学活性比碘更高，但氯还是更活跃一些，而氟是其中最活跃的。氟实际上是所有化学元素中最活跃的——最渴望与其它原子相结合，并且结合之后也是最难分离开的。

氟存在于某些化合物，似乎相当早就已经得到确定了，但还是经过了很长时间，才有人实际将它分离开来，制备成一种气体元素。1886年，法国化学家费迪南德.弗雷德里克.亨利.莫桑 （Ferdinand Frederic Henri Moissan）(1852-1907)完成了这项任务，并在1906年因为这项伟业获得了诺贝尔化学奖。

在列表的另一端，在碘之后，还有第五种卤素。1914年，当英国物理学家亨利.格温-杰弗里斯.莫斯利（Henry Gwyn-Jeffreys Moseley）（1887-1915）在制定“原子序数”的概念” 时发现了这一情况。

这是通过给每个元素赋予一个整数，在周期表上画上点睛的一笔。这意味着它可以确切地知道每个元素在表中的位置。原子序数可能让我们知道，在两种特定已知的元素之间，可能不存在别的元素——或者可能存在一种或两种新的元素。

氟的原子序数是9，氯的为17，而溴的为35，碘的为53。周期表的排列使得在原子序数为85的地方必须有第五种卤素，但在这个位置上并没有已知的元素。

到莫斯利发现这一情况时，已经不会让人奇怪了。因为放射性已被发现，很明显所有原子序数大于83的元素都具有放射性，并且没有稳定的同位素。

元素90和92（相应为钍和铀）几乎是稳定的，因此它们存在于地球的地壳中，数量可观。当它们衰变时，会形成原子序数高于83的元素。这些元素仅微量存在，但能够通过它们的放射性辐射探测到它们。

1931年，美国化学家弗雷德·艾利森（Fred Alison）利用他自己发明的一项被称为“磁光学”的技术，向世人报告发现了第五种卤素，并将其命名为“alabamine（砹）”。然而，他被证明是错误，这样元素周期表中的这一位置依然空缺。第五种卤素继续被简单地被称为“第85号元素”或者“eka-iodine（准碘）”（“Eka”意为梵语的“一个”，这样eka-iodine意思就是碘之后的“一个”）。

如果85号元素不能在钍和铀衰变的产物中找到，也许可以在实验室中制造出来吧！假设你从原子序数为83铋的开始，使用阿尔法粒子（即氦核，原子序数为2）轰击它，如果一些阿尔法粒子与铋核结合，组合的原子核的原子序数就该为85.

1940年，加利福利亚大学的一个物理学家团队（包括意大利裔美国人埃米利奥·塞格雷（Emilio Segre）（1905-1989））尝试进行了这项实验，并认为他们可能合成了准碘。然而，第二次世界大战正在欧洲疯狂地进行，美国人被卷入其中的机会正在稳步增加。这个特定的项目也就被搁置到一旁去了。

1947年，这个项目再次启动，微量的准碘被合成，它被命名为“astatine（砹）”，希腊语，意思是“不稳定的”，而它的确不稳定。它最接近稳定的的同位素为砹-210，其半衰期只有8.3小时。

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假设我们只考虑氟、氯、溴和碘四种稳定的卤素。一般而言，宇宙中小原子比大原子更常见，尽管也有一些例外。那么，在地球的地壳中，氟是最常见的卤素就不足为奇了！然后才是氯、溴，最后是碘。

按重量百万分之一比率计，数值为氟，700；氯，200；溴，3；以及碘0.3。卤素最常见的化合物是它们与钠、钾形成的化合物，这些化合物都易溶于水。那么，总的来说，这些化合物都容易从土壤中被冲洗出来，流入海洋。（这也是为什么海水是咸的。）

当然，碘在海洋中远不及氯那么常见。海洋中碘化钠的数量只有氯化钠数量的1/8000。要想获得一盎司碘，你不得不弄干500吨海水，这确实不是一个实际的工艺。

碘对生命至关重要，这似乎有些耸人听闻。（氯也重要，但氯很丰富。氟也很有用，但只是在牙齿形成时需要很少的量，而据我们所知，溴对于生命并非至关重要的。）

无可否认，人体所需要的碘的数量也是很少的，人体只含有大约14毫克（大约1/2000盎司）的碘，多数在甲状腺中。但是即使是这么小的数量，我们又是如何设法去获取的呢？

幸运的是，碘对于海洋生物也是至关重要的，海洋的植物世界（包括海带）将其从海水中过滤出来，并浓缩在自己的组织中。（这就是为什么库尔图瓦能从海草中获取碘；离开海水他是无法做到的。）

这意味着海产品含有我们所需要的丰富的碘。

但在海产品不常见的内陆地区又怎么办呢？又非常幸运的是，海洋的盐沫在太阳下晒干成细小的盐粒（包括碘化钠），它们能够被风吹到内陆。少量的碘化合物在土壤中分解，因此被陆地植物所吸收，我们又从植物中将其摄取。

但是，也有一些地方土壤中碘的含量一直就偏低——比如：阿尔卑斯山、洛基山和美国中西部，碘缺乏在那里是地方性的。结果是，甲状腺长大并产生甲状腺肿，伴随各种不舒服的症状。

但是，碘一经被发现之后，人们很快就发现它对治疗甲状腺肿很有帮助。最终，少量的碘化钠被加入了碘缺乏城市的供水系统中。碘化钠也可以少量加入食盐中，成为“碘盐”。

即使到了今天，碘还是能够被像我这样的保守分子用作杀菌剂，因为我仍然相信碘带来的刺痛比抗生素药膏更有效。

（作者：艾萨克.阿西莫夫（Isaac Asimov），译者：劲松）

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