化学勇士莫瓦桑，诞辰170周年纪念

撰文｜李研

编辑｜马修

• 自学成才的典范

1852年9月28日，莫瓦桑出生于法国一个并不富裕的犹太人家庭。他的母亲是裁缝，父亲是铁路公司的雇员。少年莫瓦桑非常好学有上进心，但由于家境贫寒，中途辍学进入了小镇的一家钟表修理店工作。普法战争后，莫瓦桑来到巴黎的一家药房当学徒，并开始了解一些基础的化学知识。期间，有一位误服砒霜的男子跑来药店大喊求助。就在大家惊慌失措的时候，莫瓦桑临危不乱，赶快让病人服下一些吸附剂和催吐剂，最终成功挽救了男子的生命。随后，巴黎的一家小报以《“起死回生”的药店学徒》为题报道了此事，这让莫瓦桑一度在当地小有名气，但药房的舞台对于天赋出众的莫瓦桑还是远远不够。

1872 年12 月，莫瓦桑迎来了人生的一次转折。经好友介绍，他离开药房进入了法国自然历史博物馆，在馆长弗雷米（Edmond Frémy）的实验室担任助手，自此开始正式走上科研道路。共事一段时间后，莫瓦桑的潜质得到了著名无机化学家德布雷（Jules Henri Debray）的赏识。德布雷劝说莫瓦桑，想要从事更高层次研究，一个正式的学位是不可或缺的。

于是，早已中学辍学的莫瓦桑凭借对化学研究的热情，一边在实验室工作，一边重拾课本学习拉丁语等中学课程，全力以赴准备自考。1874年，他在22岁时终于获得了中学毕业证书并通过了大学的入学资格考试，并且在同一年完成了第一篇研究论文，研究课题是关于植物的二氧化碳和氧气代谢。1877年，他又通过考试，获得了大学毕业证书。

莫瓦桑的学位证书。图源：参考文献2

之后，莫瓦桑在巴黎大学药学院继续从事研究。受德布雷教授的影响，他的兴趣开始逐渐转向无机化学，并且完成了《论自燃铁》的研究论文。在28岁时，他获得了巴黎大学的博士学位。

这对于贫寒出身的莫瓦桑已经是很了不起的荣誉，而且博士毕业后，他已经可以通过在研究所授课来获得丰厚而稳定的收入了。然而，莫瓦桑的人生目标远不止于此，他乐于不断挑战自我，期待能解决重大的化学难题。

• “死亡元素”

如果有一种物质能够腐蚀世界上所有的东西，那么用什么容器才能装它呢？这原本只是一个用于思辨而假想出来的悖论，却成为百年前的化学家们在研究氟元素时所面对的真实挑战。

早在十六世纪，德国矿物学家阿格里柯拉（Georgius Agricola）就发现一种特殊的石头，可以使很多矿石在熔融时变得更加容易流动。其后，人们取“流动”（flow）之意，将这种特殊的石头命名为萤石（fluorspar或fluorite）。

萤石的主要成分为氟化钙（CaF₂），纯萤石是无色透明的，但杂质常使其成为彩色的矿物。图源：作者拍摄于中国地质博物馆。

1771年，瑞典化学家舍勒用曲颈甑（一种原始的蒸馏烧瓶）加热萤石和浓硫酸的混合物，发现得到的液体居然把容器玻璃瓶给腐蚀掉了。他十分吃惊，称这种腐蚀性极强的液体为“萤石酸”。

1810年，法国科学家安德烈-马里·安培 （André-Marie Ampère）提出，这种“萤石酸”可能是氢和一种与氯类似的元素构成的。而后，被誉为“无机化学之父”的汉弗里·戴维 （Humphry Davy）基于fluorspar一词将这种当时未知的元素命名为fluorine（氟），其中的“-ine”是氯、溴等卤素都有的后缀。由此，我们可以看出早在门捷列夫出生之前，化学家对元素已经有了部分归类和元素周期律中“族”的模糊概念。戴维准确预测了氟元素的性质，但作为电解反应的高手，他却并没有能从氟化物中得到纯净的单质。他发现电解氟化氢溶液，只能得到氧气。换句话说，只是其中的水被电解了，而且电极在实验中被严重腐蚀。

法国著名气体化学家盖·吕萨克（Joseph Louis Gay-Lussac）也被氟化物所吸引。1809年，他把氟化钙与硼酸混和加热，试图制备纯的“氟酸”。实验的结果却意外地制成了一种所谓的“氟酸气”。后来证明，这种气体是硼的氟化物，即氟化硼（BF₃）。吸入含氟气体曾给盖·吕萨克带来过巨大痛苦，但他还是安然活到了72岁。与他同时代的很多科学家就没那么幸运了，他们的健康在氟分离实验中受到了严重损害，更有一些人因此早早失去了宝贵的生命。

现在我们知道，氢氟酸是氟化氢气体的水溶液，具有很强的腐蚀性，玻璃、铜、铁等常见的东西都会被它“吃掉”。另外，氟化氢和氟气都有剧毒，所以对于没有橡胶手套、没有塑料容器以及防毒设施的近代化学家，研究氟化合物是相当危险的事情。

19世纪化学家们前赴后继分离氟的故事，为后人留下了一段悲壮的历史。“死亡元素”也逐渐成为氟的代名词。

莫瓦桑在自然历史博物馆的老师弗雷米曾是盖·吕萨克的学生，所以莫瓦桑很早就了解氟元素以及分离氟时遇到的危险。然而，他不但没有退却，反而下定决心一定要攻克这一难关。 

在1880年获得博士学位后，莫瓦桑很快把自己主要的研究方向转向氟的分离。起初，他根据戴维提出但未曾尝试过的路线，让氧气和氟化磷发生反应，希望借助氧与磷的巨大亲和力将氟置换出来。但几次试验后，他发现产物并不是预期的单质氟，而是氟氧化磷（POF₃）。他意识到氟的活泼性可能远大于氧，通过化学反应制取单质氟并不现实。

之后，他转换思路，开始循着前人电解法的思路继续探索，但他也遇到了与当年戴维同样面临的难题，电解含水的氢氟酸只会生成氧气，而无水氢氟酸并不导电。经过多次尝试，莫瓦桑发现掺有氟化钾（KF）的氢氟酸可以导电。可惜，电解时阳极仍然没有气体逸出，而昂贵的铂金电极却被腐蚀了好几个。莫瓦桑又想到，降低温度也许能抑制氟的反应性。于是，他将电解液放入-23°C的氯甲烷（methyl chloride）冷却剂中，还改用了更为惰性的铂铱合金电极进行电解。然而，他依旧没有看到氟气的踪影。

莫瓦桑失望地拆卸仪器时，发现玻璃塞被腐蚀了，塞子上覆盖着一层白色粉末状物质。他敏锐的意识到，这是氟气与玻璃塞子发生化学反应的结果，也意味着只要把玻璃器具换成惰性材料就可能发现氟。经过一番苦思冥想，莫瓦桑将不与氟发生反应的萤石加工制成螺旋帽取代了玻璃塞。这一次，一股未知的淡黄色气体终于从阳极冒了出来。经过进一步测试，莫瓦桑发现这种气体极度活泼，遇到硅时就能燃起耀眼的火光，由此他相信这正是人们苦心寻找的氟气。此时距1810年安培提出“萤石酸”中含有新元素，已经有76年之久。

莫瓦桑分离氟所用的设备画像（1887）。图源：参考文献4

值得一提的是，莫瓦桑在当时还只是一位初出茅庐的年轻科学家。法国科学院在得知他的发现后，为了确认实验的真实性，指定了一个由三人组成的审查委员会。当三位专家第一次来观摩他的实验时，电解装置竟然出现了故障。专家们只好安慰莫瓦桑后，匆匆离去。经过几天的努力，莫瓦桑找到了实验失败的原因，失误发生在氟化氢纯化的过程中也损失了很多氟化钾，所以不能导电了。在添加氟化钾后，莫瓦桑的实验终于在专家组的见证下获得了成功，氟气的发现也得到了科学界的充分认可。

莫瓦桑提出的方法可以用于工业制氟，而氟气又可以作为原料，制备出更多新颖的化合物。如今，我们已经拥有超过60万种含氟化合物，氟原子的引入常常可以给一个原本平淡无奇的分子带来独特的物理、化学和生物活性，因此氟化物在生物医学、材料科学甚至核武器研发中都有着不可替代的作用。而这一切，皆起始于百年前莫瓦桑的研究突破。他撰写的《氟及其化合物》一书，也成为探讨氟元素及其化合物性质的开山之作。

莫瓦桑撰写的Le Fluor et ses composés （氟及其化合物）, 1900年正式出版。图源：amazon

• “点碳成钻”

虽然在单质氟的提取中，利用低温降低反应速率是成功的关键，而莫瓦桑的另一项重要成就却与高温密切相关。促使他研究高温化学的动因，还要从人造金刚石说起。

金刚石，也就是我们常说的钻石。“钻石恒永久，一颗永流传”，因兼具美感和稀有性，钻石自古以来就被人们奉为至宝。然而，当科学家无意或有意地烧掉好几颗价格不菲的钻石后，人们终于发现“高贵”的钻石与“低贱”的石墨在化学成分上别无二致，都由纯净的碳组成。

一颗切割后的钻石与其中的碳原子排列结构。图源：参考文献6

莫瓦桑认为既然金刚石由碳构成，应该也能由碳制得。但与制取氟气不同，金刚石的制备是一个全新的领域，几乎没有前人的经验可循。莫瓦桑只能先做一些大胆的设想。起初，作为氟化学的延续，他曾想利用分解反应将碳氟化合物中的氟除去，并在分解过程中让碳原子有序地排列成正四面体，从而获得金刚石，但并没有成功。

恰在此时，矿物学家查理·弗里德尔（Charles Friedel）在法国科学院作了一个关于陨石研究的报告，提到铁陨石中包含有很多细小的金刚石晶体。弗里德尔的报告带给莫瓦桑新的灵感。他设想，如果人为模拟陨石的形成过程，是否也可以产生金刚石呢？

他计划把铁熔化成铁水，再把碳投入熔融的铁水中，然后把渗有碳的熔融铁倒人冷水中。铁在急剧冷却收缩时内部压强会迅速上升，从而模拟出一种高温高压的环境。最后用酸溶去铁，就可能拿到金刚石晶体。这个设想在当时看来，既科学又美妙。

1892年，莫瓦桑将电能引入化学实验室。在用石灰筑成的耐火炉中，以碳为电极形成强电弧时，就可能获得3000℃以上的高温，正好可以用于人造金刚石的研究。然而，相比于先进的加热方式，他的检测方式却非常粗糙。根据当时的实验记录，莫瓦桑认为只要满足不溶于酸、燃烧释放二氧化碳、看起来又闪亮这三个条件，就认为物质里有金刚石。根据这样粗略的判定标准，莫瓦桑几次宣称已经获得了微小的金刚石，只不过晶体太小，因而难以观察。于是，他督促助手按照自己构想的方案一次又一次的优化实验参数。1893年2月，当莫瓦桑和助手用酸溶去铁后，终于在残留物中看到了梦寐以求的“希望之星”—— 一颗0.7mm闪闪发光的金刚石晶体！ 

莫瓦桑利用高温电炉制备金刚石的实验。图源: 参考文献7

此时的莫瓦桑早已成名，他的发现已经不需要专家委员会来做鉴定。于是，这一发现很快被媒体报道，让莫瓦桑获得了制备氟气时都不曾有过的知名度，甚至一时间引发了天然钻石价格的下跌。然而，几年后事情发生了反转。因为很多人经过大量努力都没能重复出莫瓦桑的实验，高温电炉制取金刚石的事情也逐渐成为一桩历史悬案。

直到莫瓦桑宣称“成功”的62年后，即1954年12月，美国科学家特雷西·霍尔（H. Tracy Hall）在1600℃和接近10万个大气压下合成了金刚石。这一次的产品经过了各种物理和化学检测的确证，金刚石的人工制备开始真正走向商业化。

反观莫瓦桑的试验，电炉虽然提供了高温，但是仅靠铁水冷却收缩根本无法满足石墨转化为金刚石的压力要求。据后人分析，酸并不能轻易溶解铁水冷却后的所有残渣，那些看起来闪亮的物质，很可能是由于铁水中混入一些杂质而形成的铁尖晶石或者硬质合金砂粒，而这些残渣也很容易被碳污染，造成燃烧生成二氧化碳的假象。至于那颗几乎肉眼可见的“0.7mm的金刚石”，更可能是其助手为了摆脱枯燥的反复实验，将一颗天然钻石掺入到样品中，伪造了实验结果。

作为探索人工制备金刚石的先行者，莫瓦桑提出的高温高压理论超越了当时可以实现的技术条件，所以未能取得预期成果并不应归咎于莫瓦桑。然而，实验中出现的“乌龙”事件的确是其科学事业的一个瑕疵和科学史上的一件憾事。这也再次说明，科学研究来不得半点浮躁。即便是名望很高的科学家，配上看似合理的实验方案，如果缺少严谨的检测和鉴定，也无法保证实验成果的含金量。

虽然莫瓦桑最终没能实现人造金刚石的梦想，但他设计的高温电炉却是科学研究与技术创新密切结合的典范，在其他方面带来了不少低调但更为实在的科学贡献。

莫瓦桑通过电炉制备出很多当时未知的金属碳化物、氮化物和硼化物等，其中最具商业价值的是碳化钙（CaC₂），俗称电石。

CaO + 3C → CaC₂ + CO

在电炉中利用生石灰和焦碳制取电石的化学方程式

电石是遇水可以生成乙炔，而乙炔的燃烧又可以产生光亮。于是，一种利用乙炔燃烧来照明的灯具——电石灯（acetylene gas lamps）随之出现。

如今生活中电灯随处可见，我们可能对这种电石灯非常陌生。然而，在没有稳定供电，主要依靠火光照明的时代，由于电石灯不容易被强风吹熄，很适合用作铁路、灯塔、矿井、汽车和自行车的头灯等户外光源。在我国，直到解放后电石灯才随着电力的普及而逐渐被淘汰。

电石灯和1922年美国的电石广告（当时大部分美国农庄还没有电力）。图源：参考文献9

等先前难以涉及的高熔点金属。特别是，莫瓦桑通过高温电炉得到了金属铀晶体，并将此晶体送给了法国物理学家亨利·贝克勒尔（Henri Becquerel）。这显著推进了后者对于天然放射性的研究，贝克勒尔也因此荣获1903年的诺贝尔物理学奖。

贝克勒尔的发现又带动了居里夫妇的科研工作。众所周知，他们于成吨的沥青铀矿中分离出新的放射性元素镭。而鲜为人知的是，居里夫人在巴黎大学攻读博士学位时，莫瓦桑还是她毕业论文的三位评审人之一。

亨利·贝克勒尔 （1852-1908）和玛丽·居里（1867-1934）

• 诺奖疑云

1906年的诺贝尔化学奖，竞争颇为激烈，共有包括莫瓦桑和门捷列夫在内的6位知名化学家被提名。

在当年9月的辩论会上，虽然多数诺贝尔奖化学委员会的成员建议将1906年诺贝尔化学奖授予门捷列夫，以表彰他对元素周期律的发现。然而出人意料的是，科学院主席彼得·克拉森(Peter Klason)却持不同意见，他结合诺贝尔遗嘱中对奖项的说明，并依据一些前诺奖获得者的来信证言，坚持认为莫瓦桑的研究成果胜过门捷列夫。瑞典化学家斯万特·阿伦尼乌斯（Svante Arrhenius）是1903年的诺奖获得者，他虽然不是诺贝尔奖化学委员会成员却在当时的学术界颇具影响力。他极力反对门捷列夫的入选。表面上，是说元素周期律已发现多年不再适合作为1906年的奖项。但背后的原因，很可能是阿伦尼乌斯是出于对门捷列夫批判其电离理论的怨恨。

最终，瑞典诺贝尔基金会在1906年11月宣布，将当年的诺贝尔化学奖授给莫瓦桑。

诺贝尔奖官网对1906年莫瓦桑获奖的陈述。图源：nobelprize.org

有个别报道认为，莫瓦桑人造金刚石的虚假成果在诺奖评审时发挥了重要作用。虽然我们不能完全排除人造金刚石的媒体宣传所产生的误导，但从克拉森的颁奖致辞中可以看出，诺奖委员会主要认可的还是莫瓦桑在氟的研究和高温电炉方面做出的杰出贡献。这些评价是公允的，且经受住了历史的考验。

1907年2月2日 ，72岁的门捷列夫在圣彼得堡因流感去世，永远失去获得诺贝尔奖的机会。而就在18天后，莫瓦桑也积劳成疾因病逝世于巴黎，年仅55 岁。可以说，无论1906年的诺贝尔化学奖颁给谁，都会留下相当的遗憾。

莫瓦桑逝世的消息被刊登在法国报纸的头版。参考文献：12

在并不长的科研生涯中，莫瓦桑展现出了非凡的勇气和智慧，在多个研究领域做出了影响深远的重大成果。他一生共撰写了300多篇论文和3本科学专著，为后人留下了丰富的学术遗产。也正是有莫瓦桑这样一批勇敢者的探索和尝试，才使得化学呈现出今日的璀璨光芒。