科学家杀手：氢氟酸（HF）

西米地

这两天我的博士导师吴章钰老师来辛辛那提做客，有幸一起吃了顿晚饭。说起来不仅我毕业后离开了佛罗里达大学，吴老师也去了别的学校发展。我们聊起在盖恩斯维尔的那段日子，确实是段美好的回忆。不过要说有什么是我没那么怀念的，可能是一种化学试剂：氢氟酸（HF）。我的博士论文里有很多关于二氧化硅和金属颗粒的分析，当时用了王水和氢氟酸来溶解这些样品，而且还是微波辅助萃取（俗称“酸炸弹”）。现在回想起来真是挺危险的。 一提到强酸，很多人会联想到硫酸、盐酸和硝酸这三剑客。浓硫酸（H2SO4）能让很多东西瞬间碳化变黑，盐酸（HCl）和硝酸（HNO3）就算静置在那里，气味也很呛人。尤其是盐酸和硝酸按3:1配成的王水（aqua regia），能溶解各种金属，很多人可能都听说过战争时用王水溶金再重新提取的故事。

但这几位面对氢氟酸（HF），都只能算是弟弟。因为氢氟酸是真正的沉默杀手，不张扬：洒在地上不会滋滋作响，也不会冒烟呛人，却长期霸占实验室安全手册的高危黑名单榜首。氢氟酸看起来只是氢原子（H）和氟原子（F）组成的简单化合物，似乎应该人畜无害。尤其是氟，我们平时经常听到含氟牙膏，感觉应该没那么可怕吧？错了。

氢氟酸可怕之处，就在于它杀人不打招呼。如果沾在皮肤上，可能只是有点痒，但氟离子已经穿透皮肤角质层，开始腐蚀骨骼。而氟离子一旦进入血液，会迅速与血液中的钙离子结合生成氟化钙，一方面导致身体缺钙，很快引发心肌无力；另一方面，不溶于水的氟化钙还会堵塞肾脏，造成严重损伤。通常等到人感觉到疼痛时，往往已经晚了。那为什么含氟牙膏没事？主要是因为浓度极低。即便如此，长期使用含氟牙膏仍有骨质疏松的潜在风险。

我博士论文之所以用到氢氟酸，主要是因为一般强酸溶解不了二氧化硅（也就是玻璃的主要成分）。这很好理解，强酸都装在玻璃瓶里，要是能溶解瓶子早就漏了。但氢氟酸可以轻松溶解二氧化硅，因此它只能装在聚四氟乙烯（PTFE，俗称特氟龙）容器中。它甚至能腐蚀化学分析仪器的部件，所以用氢氟酸溶解二氧化硅后，还得用弱硼酸进行中和后才能送去分析。那时候天天接触氢氟酸，真得感谢它的不杀之恩。因为人类认识氢氟酸和氟元素的历史，几乎就是一部悲壮的科学家夺命史。许多科学家在尝试分离氟的过程中被灼伤、失明，甚至中毒身亡。

第一位殉道者是瑞典化学家卡尔·威廉·舍勒（Carl Wilhelm Scheele）。1771年，他将萤石（氟化钙）与浓硫酸混合加热，首次制出了氢氟酸（他称之为“萤石酸”）。当时舍勒完全不知道碰这玩意儿就是死神在敲门，既不戴手套也不戴口罩，最夸张的是，他还像神农尝百草一样，抿了一口氢氟酸。很快他就开始剧烈咳嗽，牙齿一颗颗脱落，肺部也严重受损，最终在43岁时因肾衰竭和皮肤溃烂去世。随后，法国的安德烈-马里·安培（André-Marie Ampère）首次推测出氟是一种新元素。从此君名字就能看出，他其实是物理学家。安培是电磁学的奠基人，所以电流的单位用他命名，化学只是副业。幸好安培赶上并参与了法国大革命，搁下了电解氢氟酸的实验，最后活到了61岁。

进入19世纪，英国化学家汉弗里·戴维（Humphry Davy）继续尝试电解氢氟酸来制取氟。他将铂电极插入氢氟酸中通电，结果产生的蒸气让他头痛欲裂、几乎失明，之后一直病痛缠身。同一时期的法国科学家盖吕萨克（Joseph Louis Gay-Lussac）和泰纳（Louis Jacques Thénard）也采用类似方法尝试获取氟，结果双双中毒。爱尔兰的诺克斯兄弟（Thomas and George Knox）继续尝试，结果一死一伤。比利时的鲁耶特（Paulin Louyet）和法国的尼克雷（Jérôme Nicklès）接过了“死亡接力棒”，两人都因吸入过量氢氟酸而中毒身亡。法国化学家弗里米（Edmond Frémy）和英国化学家乔治·戈尔（George Gore）改进了实验装置，与氢氟酸保持安全距离，可还是在实验过程中一加水就爆炸。

在化学家们前赴后继地探索和牺牲之后，人们终于搞明白了：氟化氢是共价化合物，即使是液态也不电离，天生绝缘无法直接电解。直到1886年，法国化学家亨利·莫瓦桑（Henri Moissan）才成功利用无水电解法制取出氟单质。但莫瓦桑也为此付出了代价：虽然凭借这一成果获得了1906年的诺贝尔化学奖，但第二年就去世了。算下来，这些接触氢氟酸的科学家，几乎没人活过50岁。

20世纪中叶，氟化聚合物材料被发明出来，氢氟酸的使用才进入相对安全的时代。尽管氢氟酸很危险，但时至今日在半导体制造、金属加工、化学合成等领域，因为可以腐蚀石英等物质，它仍是不可替代的。从职业卫生的角度，在使用氢氟酸时一定要做好防护：普通乳胶手套和防护服在它面前就像纸糊的，最好使用外层氯丁橡胶（neoprene）、内层丁腈橡胶（nitrile）的双层手套。操作时必须在通风橱中进行，避免吸入挥发的气体。此外，建议双人或多人协作操作，以便还有人可以呼救。如果可能大量接触，最好提前准备好葡萄糖酸钙凝胶之类的解毒剂。和所有强酸一样，稀释时绝对不能把水倒入酸中，而必须将酸缓慢加入水中。总之，和氢氟酸打交道，一定要心存敬畏，科学家杀手绝非浪得虚名。