化学家与难闻的气味(以及硫磺):富有成效的结合

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,仅反映作者的观点,不一定代表《大众科学》的观点


在我们所有的感官中,嗅觉仍然是最神秘的,化学家与这种感官的关系通常在他们接受培训的早期就开始了,远早于他们学会欣赏气味的奇妙复杂性。而且它确实很复杂;虽然其他感官屈服得更早,但直到2004年,才有一个诺贝尔奖被授予给阐明嗅觉本质以及人类鼻子感知气味的非凡组合机制的研究工作。

使我们能够闻到化学化合物的主要特性是挥发性;分子应具有相对较低的沸点(或技术上,蒸气压),使其能够从容器中逸出并与我们体内的生化机制相互作用。许多有机化合物都具有这种特性,因此大多数年轻的化学家在他们大学一年级或二年级的化学实验室中都会遇到某种气味。

嗅觉对人类来说是一种强大的感官,我们从古代生物那里继承了它,对他们来说,嗅觉是外部世界更重要的指南。在我们的大部分进化史中,嗅觉在探测配偶和捕食者以及避开和寻找营养和有毒食物方面至关重要。因此,在实验室的最初几天,发现学生本能地嗅化合物并不奇怪。实验室导师必须不断提醒他们不要这样做,因为许多有机化合物是有毒的或至少是刺激性的,并且在适当的时候,这种习惯会在大多数未来的化学家进入研究生院时被消除。但学生们实际上是在延续化学研究的伟大传统。在化学的早期,当没有技术来确定分子的结构和特性时,颜色和气味是化学家可以用来识别特定化合物的两个主要品质。


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这不仅仅是学术研究的工具;法医调查人员通常可以通过气味识别毒物的存在。例如,砷具有大蒜般的气味,氰化氢略带苦杏仁味。在经济大萧条时期,纽约市警察招募了“气味凯利”,这位地铁嗅探器像寻血猎犬一样的鼻子可以定位化学品和气体泄漏以及死老鼠。难闻的气味在战时也可能有所帮助。在第一次世界大战期间,毒气的特征气味提醒士兵们即将发生的险恶事件。致命芥子气的辣根般的气味通常被一种名为溴化二甲苯的化合物所掩盖,这种化合物闻起来像丁香;正如历史学家理查德·罗兹所说“因此,在战时春天,人们惊恐地逃离了丁香灌木丛散发出的芬芳微风”。不幸的是,并非所有毒物都具有引人注目的气味。一氧化碳是一个臭名昭著的例子,许多因该气体造成的死亡事件发生是因为人们在气体在他们周围积聚时无法闻到它。沙林毒气是另一个例子;如果沙林闻起来像芥末,那么像1995年东京地铁事件这样的袭击将更难实施。有时,就像天然气的情况一样,一种潜在的危险无味剂可以掺入极少量的高度气味添加剂,以便可以检测到泄漏。在天然气的情况下,该添加剂是甲硫醇。

这就引出了硫醇和难闻的气味。在关于难闻气味的帖子中写几句话,你通常会看到化学家涌入评论区,为他们自己最喜欢的难闻气味提供建议。气味通常是主观的(并且具有文化特异性,例如奶酪的情况),但是如果你要求化学家普遍同意元素周期表中的一种元素,该元素成功地获得了难闻气味之王的称号,他们可能会选择硫,特别是以硫醇的形式。硫醇 - 也称为硫醇 - 是硫与氢键合的化合物,原子组合表示为SH。硫醇因引起难闻气味而臭名昭著有点不公平,因为它们也促成了葡萄柚和咖啡的气味,但毫无疑问,硫醇是气味世界中一些令人讨厌的居民的一部分,包括臭鼬喷雾和肠胃胀气。此外,正如天然气示例所示,人鼻对低至十亿分之几的硫醇浓度非常敏感。

几乎所有拥有化学高级学位的人都闻到过硫醇的味道。我个人与硫醇的经历可以追溯到我的本科时期,当时我在一个设备严重不足且安全意识淡薄的实验室里度过,这个实验室会让OSHA调查员穿着消毒靴子发抖。整个实验室只有一个通风橱,这是为了放置一个名为Kipp's apparatus的古怪装置,该装置用于生成最简单的硫醇,硫化氢,表示为H2S。H2S有助于形成经典的臭鸡蛋气味。

该装置包含一些硫化铁屑在盐酸中。两种化学物质之间的反应产生了气体,我们会将气体鼓入试管中进行各种实验。我们从不厌倦在实验室里互相追逐,试图将装有令人厌恶气味的试管塞到彼此的鼻子下。我们的导师从未告诉我们,硫化氢不仅有气味,而且剧毒。当我十几岁的时候,我在自己的私人“实验室”里也有过类似的经历,这个实验室设置在通风不良的备用浴室里。我过去常常高兴地将安全别针和回形针溶解在硝酸中,并观看棕绿色的二氧化氮气体从试管中升起。二氧化氮也有一种非常难闻的气味,整个房子有时都弥漫着这种气味。后来当我开始读研究生时,我非常惊讶地发现这种气体可能是一种沉默的杀手;引起肺水肿,直到它突然杀死你。

回到硫化氢和硫醇,它们通常会给硫带来坏名声。考虑这篇文章,该文章询问丁基硫醇的气味是否比巨大的山羊奶酪火灾的气味更糟糕。这有点像问溺水而死比烧死更糟还是更好。关键是,无论硫的其他优点或危害如何,含有硫且气味难闻的化合物肯定会将人们变成社会弃儿。这就是当英国埃索研究站的工人们试图用三硫代丙酮制备硫代丙酮时发生的事情。即使你对这些化学物质一无所知,你也应该已经看到了它们名称中的“硫代”,并猜到麻烦即将来临。或者在这种情况下,在下风四分之一英里处

“最近,我们发现自己遇到了超出我们最坏预期的气味问题。在早期实验中,一个塞子从一个残留物瓶子中跳了出来,尽管立即更换了,但还是立即引起了在200码外的一栋建筑物中工作的同事的恶心和不适。我们有两位化学家,他们所做的只是调查少量三硫代丙酮的裂解,却发现自己在一家餐厅里受到了敌视的目光,并遭受了服务员用除臭剂喷洒他们周围区域的羞辱。

气味无视稀释的预期效果,因为实验室的工作人员并不觉得这些气味难以忍受……并且真诚地否认责任,因为他们是在封闭系统中工作。为了让他们相信并非如此,他们与其他观察员一起分散在实验室周围,距离最远可达四分之一英里,并将一滴丙酮-宝石-二硫醇或粗三硫代丙酮结晶的母液放在通风橱中的一块手表玻璃上。气味在几秒钟内就在下风处被检测到。”

我已经看到了很少有比这更好的例子来展示你如何通过化学的奇迹立即获得恶名。但是,如果你认为硫醇是最糟糕的,那就再想想。我将给你留下两位二十世纪伟大的科学家之间的对话,它说明了据称与硫醇相似的化合物可能有多糟糕。在元素周期表中,硫后面是硒和碲。硫化氢闻起来很糟糕,我们知道元素周期表中同一列的元素表现相似。硒化氢和碲化氢会是什么气味?莱纳斯·鲍林(LP)被广泛认为是本世纪最伟大的化学家,他为马特·梅塞尔森(MP)(生物学中最美丽的实验的发明者)提供了一些有益的见解。

LP:嗯,马特,你知道碲,元素周期表中硒下面的第VI族元素吗?

MM:嗯,是的。硫,硒,碲...

LP:我知道你知道硫化氢的气味有多难闻。你闻过硒化氢吗?

MM:不,我从来没有。

LP:嗯,它闻起来比硫化氢难闻得多。

MM:我明白了。

LP:现在,马特,碲化氢闻起来比硒化氢更难闻,就像硒化氢与硫化氢相比一样。

MM:啊...

LP:事实上,马特,一些化学家在处理碲化合物时不够小心,他们患上了一种被称为“碲气”的疾病。结果,他们与社会隔绝了。有些人甚至自杀了。

MM:哦。

LM:但是马特,我相信你会小心的。你为什么不考虑一下,如果你想研究一些碲化合物的结构,请告诉我?

我怀疑大多数研究生都不会开始这个项目,即使这意味着他们可以为莱纳斯·鲍林工作。

补充:碳基奇物对其他一些令人难闻的实体进行了阐述。

Ashutosh Jogalekar is a chemist interested in the history, philosophy and sociology of science. He is fascinated by the logic of scientific discovery and by the interaction of science with public sentiments and policy. He blogs at The Curious Wavefunction and can be reached at curiouswavefunction@gmail.com.

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