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是完全不同的几类化合物

2018-10-10 15:29

  最近发生在天津的爆炸事故成为了举国关注的焦点新闻,而在事故发生后的诸多报道中,发生事故的仓库存有700吨氰化钠无疑是让许多人感到极度恐慌和震惊的新闻。

  事实上,氰化物泄露或疑似泄露的事故并不是第一次发生,而几乎每一次这样的消息见诸报端都会让人极度不安。

  所谓氰化物,通常指的是含有氰基的化合物。氰基是一种非常简单的结构,只含有碳和氮两种原子,但它自身不能稳定存在,必须通过其中的碳原子与钠、钾等金属元素或者氢元素的原子结合,这就得到了氰化钾、氰化钠和氰化氢等我们听上去比较熟悉的化合物。在这些化合物中,氰基实际上带有负电荷,变成了氰离子。

  氰基与也可以与有机物相连得到有机氰化物,许多有机氰化物俗称为“腈”,但我们在谈及氰化物时往往仅专指无机氰化物,因为在有机氰化物中,氰基并不能变成带电的氰离子并游离出来,这一点导致了有机氰化物的化学性质与无机氰化物迥异。

  氰化物之所以让人感到恐惧,主要是由于它们的高毒性,300毫克左右的氰化钾或者氰化钠就可以置人于死地。

  如果你对这个数字没有概念,不妨想一下,我们通常服用的药片每片的重量也不过几百毫克,也就是说这药片大小的氰化物就可以轻易把人杀死。如果把此次天津爆炸现场储存的700吨氰化钠都做成这样的药片,可以毒死20多亿人,这确实是相当恐怖。

  其实,氰化物并不是毒性最强的物质。衡量毒物毒性的一个常用指标是半致死量,也就是能够杀死一半以上实验动物的毒物剂量。这个剂量越低,对应的化学物质毒性就更高。

  氰化钾的口服半致死量在每千克体重5~10毫克这个范围,毒性并不算低,但半致死量更低的毒物不胜枚举。黄曲霉素的口服半致死量是每千克体重0.5毫克左右,肉毒杆菌毒素的口服半致死量估计只有每千克体重1纳克,连让烟民成瘾的尼古丁的口服半致死量都只有每千克体重1毫克。

  也就是说,如果按照毒性高低排座次,氰化物不仅不能称王,想跻身前列都很困难。那么为什么唯独氰化物常常令人恐慌?

  主要原因在于,氰化物不仅毒性很强,而且如果进入人体的剂量足够,能够在很短时间内置人于死地。例如空气中的氰化氢浓度只要达到100~300ppm,就可以使人在一小时之内死亡;如果浓度增大到2,000ppm,人吸入后一分钟就可能死亡。

  应该说这才是氰化物最令人感到恐怖的地方,因为只要救治稍不及时就回天乏术了,而许多有毒物质虽然毒性不亚于氰化物,但毒性发作需要更长时间。

  虽然对这些物质同样不可掉以轻心,但毕竟可以有更多的时间对中毒者进行救治。正因为如此,氰化钾、氰化钠等无机氰化物常常是自杀者和谋杀者的首选。

  例如纳粹德国在二战时不仅利用氰化物在集中营进行大屠杀,还用于自己人的自杀。二战时德军著名将领隆美尔就因卷入推翻希特勒的行动而被勒令服用氰化物“体面地”死亡,希特勒长期的女友爱娃在柏林陷落前也是选择服用氰化钾自杀。被誉为“计算机科学之父”的英国著名科学家图灵也是因吃下被氰化物浸泡的苹果而离世。一些间谍或者特种部队人员往往也随身携带氰化物胶囊,以便在有可能落入敌人手中时迅速自杀。

  齐克隆B是一种氰化氢制剂,最初作为杀虫剂开发,但二战时被纳粹德国用在集中营进行大屠杀。这是二战结束后盟军发现的齐克隆B空罐

  氰化物之所以让人担忧,还有一个原因是氰化钾和氰化钠都是重要的化工原料,生产起来也不算太难;尽管管控严格,想弄到也并不是太困难的事情。而且,它们在外观上都是白色粉末,和食盐、糖等常见物质比较相似,又非常容易溶于水,很适合投毒。因此,一旦由于生产、运输或者使用环节出现漏洞,导致氰化物进入环境或者落入不法分子手中,后果往往不堪设想。

  当然,如果泄露到环境中或者被不法分子获得的只是氰化钾或者氰化钠,问题还不算非常严重,因为它们都是固体,既不会挥发也难以通过皮肤渗透进身体。即便是水溶液,也必须经过口服或者注射才能产生毒性,相对而言防范并不太难。

  但是令人头疼的地方在于,氰化钾和氰化钠非常容易释放出氰化氢。氰化氢的沸点只有26摄氏度,因此相当容易挥发进入空气,这就大大增加了中毒的风险。

  那么,为什么氰化氢容易被释放出来?氰化氢是一种弱酸,也就是说它在水中会解离成氢离子和氰离子,但解离的程度很弱。

  大家可能还记得初中化学课上做过这样一个实验:将碳酸钙投入盐酸中,碳酸钙很快溶解,同时放出大量气泡。这是因为弱酸的盐遇到强酸会发生反应,释放出对应的弱酸,反之则不行。碳酸钙是碳酸的盐,而碳酸酸性弱于盐酸,因此二者相遇会释放出碳酸;由于后者不稳定,随即分解成二氧化碳和水:

  氰化钾和氰化钠是氰化氢这种酸形成的盐,而氰化氢的酸性比碳酸还要弱好几个数量级。这就意味着,氰化钾和氰化钠遇到酸性物质,甚至是空气中的二氧化碳,都非常容易释放出氰化氢,这是极其危险的。即便没有酸性物质存在,当氰化钾或者氰化钠溶于水或者受潮时,也会生成氰化氢。这是因为弱酸的盐在水中很容易发生水解,变成对应的酸:

  正因为如此,在使用氰化钾和氰化钠时务必格外小心,万万不可让它们与酸接触;特别是配制水溶液时一定要确保溶液处在碱性条件下以抑制它们的水解,否则很容易酿成大祸。

  储存氰化钾和氰化钠的固体时,要保证容器密闭,与各种酸分开存放,而且存放地点要通风良好。这样,万一储存过程中生成氰化氢,可以及时逃逸到空气中,不会蓄积起来造成更大的危害。

  为什么氰化物有着如此强且作用迅速的毒性?因为氰离子非常容易和金属发生一种被称为配位键的相互作用。

  我们都知道,两个原子要想形成化学键,通常是双方各出一个电子放到一起。很多时候,金属的原子或者离子拿不出这样的电子,但是氰离子说,不要紧,我自己有两个电子,其中一个算在你名下,你只要给我找个地方就好。这样一来,氰离子就和金属就形成了特殊的化学键——配位键。

  氰化物进入人体后,遇到细胞线粒体中的细胞色素c氧化酶,酶中含有铁离子,于是二话不说冲上去就和对方抱在一起,形成了配位键,而且怎么拉也不松手。这一“抱”不要紧,酶的正常活性被破坏了,而这种酶是有氧呼吸过程中一种关键的酶。呼吸作用受到抑制,正常的生命功能自然难以维持下去。

  氰化物的这种独特本领让它轻而易举地致人死地,却也让它在一个特殊的场合大显身手,那就是金矿的开采和冶炼。我们都知道,金在自然界通常以单质形式存在,其化学性质稳定,难以发生化学反应,因此很难把它和矿石中的其他物质分离开。但如果用氰化钾或者氰化钠的溶液去处理含金的矿石,氰离子能够与黄金形成配位键,从而将它转变成能溶解在水中的盐,从矿石中提取出来:

  这之后,我们可以再把含有金的盐还原成黄金单质。例如在隔绝氧气的条件下向溶液中加入锌粉,锌粉就会把金置换出来,这样我们就从矿石中提炼出了纯金:

  由于氰化物的高毒性,人们一直想使用其他化学物质来替代它提取黄金,但很不幸的是,这些替代物的效果都逊于氰化物,因此黄金开采行业目前还不得不继续使用氰化物。另外,氰化物能参与许多重要的反应,因此还经常作为原料用于生产其他重要的化工产品。因此,虽然氰化物令人生畏,我们的生活还真离不开它。

  不过,虽然氰化物是非常危险的毒物,却并非不可降伏的恶魔。人们已经找到许多可以有效治疗氰化物中毒的化学试剂,例如亚硝酸异戊酯、亚硝酸钠、硫代硫酸钠和羟钴胺等等。对于氰化物中毒者,只要救治及时,并非没有生还的可能。

  对于进入环境特别是水体中的氰化物,可以用次氯酸钠、过氧化氢、臭氧等强氧化剂将其转化为低毒的氰酸盐,还可以用二价铁离子与其生成稳定且低毒的亚铁氰化物。因此,只要严格遵循操作规范,我们完全可以利用氰化物为生活服务而避免安全事故的发生。

  说到这里,我们再简单说一下有机氰化物。虽然有少数例外,但一般来说,有机氰化物并没有无机氰化物那么强烈和作用迅速的毒性。这是因为有机氰化物中氰基以共价键的形式与其他原子相连,无法以氰离子的形式游离出来。氰基并不能像氰离子那样与金属形成配位键,自然谈不上毒性。

  许多含有氰基的有机物其实离我们的生活相当近,例如聚丙烯腈(腈纶)、丁腈橡胶和ABS树脂都含有氰基,是非常重要且常见的高分子材料;氰基丙烯酸乙酯则是万能胶的主要成分。

  不过关于有机氰化物,有一点需要提醒:那就是一些植物的细胞中含有一类被称为含氰糖苷或者生氰糖苷(cyanogenic glycoside)的有机氰化物。

  所谓糖苷, 指的是糖与其他化学结构相连得到的化合物,如果这些化学结构中有氰基,这样的糖苷就被称为含氰糖苷。这些植物的细胞的另外的部位又含有能够从含氰糖苷中分解出氰化氢的酶。当人或动物食用这些植物时,植物细胞受到破坏,二者有机会相遇,就会发生反应生成氰化氢,从而导致中毒。

  氰基糖苷在许多水果的种子,例如桃和杏的果核中的含量都比较高,因此不要食用这些果核,以免中毒。另外,木薯中也含有大量的含氰糖苷,因此需要彻底煮熟才能食用。

  另外,许多含氮的材料特别是某些塑料,燃烧时会释放出氰化氢,哪怕这些材料中的氮原子并不以氰基形式存在,这是导致火灾中人员伤亡的一个重要原因。烟草燃烧时也会释放出少量的氰化氢,通常不会造成急性的中毒死亡,但对健康仍然有一定的危害。

  最后需要说明的是,还有许多化学物质,例如氰酸盐、异氰酸酯和硫氰酸盐,以及由于毒奶粉事件而臭名昭著的三聚氰胺,尽管名字中带有“氰”字,但它们与氰化物结构不同,化学和毒理性质也相差甚远,是完全不同的几类化合物。虽然这些化合物中有的也具有比较强的毒性,但是总的来说没有氰化物那么危险。

  由于名称相近,经常有人把它们与氰化物混为一谈。例如中文维基百科的“博帕尔事件”条目称,发生在1984年的印度的这起骇人听闻的工业灾难是由于“氰化物”泄露,这种说法是错误的。博帕尔事件的罪魁祸首是异氰酸甲酯,虽然同样剧毒,却并不属于氰化物。

  又如最近有新闻称“西安一快件流出不明液体 快递员闻后氰化物中毒”,标题也很吓人;但根据新闻正文,惹祸的是异氰基乙酸酯。这种化合物不是氰化物,毒性也远没有氰化物那么高,遇水也不会释放出氰化氢。因此,在遇到这些名称相近的化学物质时一定要仔细分辨,不要轻易“谈氰色变”。

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