化学生带你科普Ohio聚氯乙烯泄露事件

本人本科阶段学习化学专业，同时也有材料学硕士学位，虽然已经转码工作多年，但至少还具备一些基础科学素养。当下Ohio train derailment已成热点事件，而大众对于此次泄漏事件普遍缺乏专业知识，众说纷纭。本人想科普一些相关内容以解疑惑，如有错漏，也欢迎各位斧正。废话不多说，让我们进入正题吧！

Q：氯乙烯(Vinyl Chloride)是什么？它和乙烯(Ethylene)、聚乙烯(Polyethylene, PE)以及聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride, PVC)有什么不同？
A：氯乙烯的化学式是CH2=CHCl, 是乙烯(Ethylene, CH2=CH2)的其中一个氢原子被氯原子取代后的产物。氯乙烯在标准大气压下的沸点是-13.4 °C，因此在常温常压下是气体。氯乙烯是制备聚氯乙烯的单体(monomer)，可以通过自由基聚合的方式成为聚氯乙烯。所谓聚合反应，可以比喻成许多小分子以“手拉手”的形式连接成为一个大分子。这个大分子有多大呢？单个氯乙烯的分子量是62.498 g/mol, 而我们一般加工为应用材料的聚氯乙烯分子量在5万～10万左右，也就是说一个大分子差不多平均有1000个单体结合在一起。结合之后的产物聚氯乙烯简称PVC，是一种常见的高分子材料，由于抗老化和抗腐蚀性能较好，经常被用来做各种塑料玩具、排水管、拖鞋和塑料袋。聚氯乙烯本身没有毒性，但是因为在聚合过程中会加入添加剂，以及可能有残留单体，所以不能用作食品容器。至于聚乙烯(PE)则是乙烯聚合的产物，可以用来做保鲜膜、食品袋等，安全无毒。在新闻里，大家听到的“致癌性”指的是氯乙烯单体，而非聚氯乙烯树脂。至于乙烯和聚乙烯，它们和此次事件无关，请注意区分。

Q：为什么要点燃氯乙烯？氯乙烯燃烧后的产物是什么？
A：如前所述，因为氯乙烯单体的沸点很低，所以在运输过程中它主要以液体的形式被储存在加压容器中。由于火车脱轨导致容器破损，氯乙烯会气化并泄漏，造成严重的污染，所以为了降低其影响，选择了就地点燃。氯乙烯燃烧之后的产物主要是氯化氢(HCl)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)以及碳酰氯(Phosgene, COCl2，俗称光气)。在这些物质中，需要注意的是氯化氢和光气。氯化氢是具有刺激性和腐蚀性的气体，溶于水后成为盐酸(人的胃液中就含有0.5%的HCl)，但它并不致癌。光气有剧毒，曾被用作化学武器，但是它遇水之后会很快发生水解，生成二氧化碳和氯化氢。虽然原地燃烧产生的产物也有害，但为了控制影响的范围以及危害的程度，只能两害相交取其轻。相比氯乙烯的直接泄漏，燃烧后的问题主要在于光气引起的中毒，以及氯化氢导致的酸雨和水质的改变，这也是为什么在燃烧过程中要疏散当地的居民。

Q：燃烧时生成的黑烟是什么成分？是二噁英(Dioxin)吗？
A：和大部分碳氢化合物一样，因为含碳量较高，氯乙烯并不能充分燃烧，会伴随产生大量黑烟。但是这个黑烟的成分并不是二噁英，而是碳的颗粒。这个黑烟的质量，占到了总质量的3%～6%。二噁英并不是某一种物质，而是具有相似结构的200多种氯代芳香族化合物的统称。这200多种物质许多并没有直接毒性，而有十几种则有剧毒，但他们的共同特征是难以被生物代谢和降解，并且通常无色无臭，所以你看得见闻得着的不是二噁英。
在燃烧时比较容易生成二噁英的是聚氯乙烯，而不是氯乙烯，因为聚氯乙烯是大分子，而氯乙烯是小分子。大分子由于结构复杂，容易不完全氧化并成环，而小分子则相对不容易。

Q：坊间传言说毒云生成了酸雨，把附近的玻璃全给腐蚀了，河里的鱼翻肚皮了，家里的宠物也死了，这是真的吗？
A：酸雨并不能腐蚀玻璃，因为玻璃的成分是二氧化硅。除了氢氟酸之外，二氧化硅不和酸发生反应。试问如果玻璃制品会被酸腐蚀，那么化学实验室里又怎么能用玻璃来当反应容器呢？河里的鱼翻肚皮，可能与水体的pH值改变有关，而宠物死亡则可能是因为吸入了光气等有毒气体。当地居民在疏散的时候，不可能带上动物一起。至于事故的具体严重程度，我认为还是应当理性关注环境监测的数值以及后续报道。

Reference:
https://apnews.com/article/rail- ... 37cc74a8ce9a50ef6c7
https://www.epa.gov/dioxin/learn-about-dioxin
https://www.tandfonline.com/doi/epdf/10.1080/0002889718506429

补充内容 (2023-02-17 07:14 +8:00):
感谢@yiyicode的补充，我查了一下，这张截图出处是EPA整理的火车上货物的清单:
https://response.epa.gov/sites/1 ... hern%20document.pdf
同时EPA的现场报告可以在这里找到：
https://response.epa.gov/site/site_profile.aspx?site_id=15933

我在写这篇文章的时候，还没有注意到这个manifest，所以我说“至于乙烯和聚乙烯，它们和此次事件无关，请注意区分”是基于我在新闻报道中所看到的内容。
在这个表格中的确提到了有装载聚乙烯的列车车厢发生了货物燃烧，所以严格来说我之前的说法并不准确，不过这不是什么主要问题，因为聚乙烯不是有害材料(hazardous material)，即使燃烧之后对于环境造成的影响也远远没有氯乙烯和聚氯乙烯来得大。

Vinyl是乙烯基的意思，但是Polyvinyl在工业界的确常常特指PVC，这是一种约定俗成。也就是说，的确有两节含有聚氯乙烯的车厢发生了燃烧。但我不知道为什么这两节车厢没有在表格中被highlight，可能是因为觉得PVC不会泄漏。如果说燃烧现场产生了二噁英，那更多可能是来自这两节含氯高分子材料的燃烧，而不是氯乙烯的燃烧。这可以在CMU教授Neil Donahue的说法中得到佐证：

"Neil Donahue, a professor chemistry at Carnegie Mellon University in nearby Pittsburgh, said he worries that the burning could have formed dioxins, which are created from burning chlorinated carbon materials."

chlorinated carbon materials指的是含氯的碳基材料，氯乙烯不是材料，它只是合成PVC的前驱体(precursor)。

我知道大家很关心二噁英，不过判断事发地区是否安全不能单单盯着某一类物质，因为车上还有其他挥发性有机物。同时这也不是一个定性问题，而是一个定量问题，我们需要知道这些物质具体有多少以及反应消耗了多少，用一句俗话来说就是不能“抛开剂量谈毒性”。我们同时也确切地知道森林火灾、火山爆发、焚烧生活垃圾、汽车尾气以及吸烟等种种自然和非自然过程都会产生二噁英，所以大家平时接触的本底环境里就普遍存在一定含量。

补充内容 (2023-02-17 16:15 +8:00):
突然发现标题打错了几个字，应该是《化学生带你科普氯乙烯泄漏事件》，不知道版主能不能帮忙改一下……

听你这么说好像也不是很糟糕啊。。。

总结一下，如果居住在附近地区，那这段时间能回避下还是比较好的。比较远的地区其实不要需要过于担心。

一件比较悲伤的事情其实是，基本所有的大型环境事件都会最终影响到所有人（可以参考“南极企鹅体内仍残留DDT”）。但好的方面是，平均下来最终影响还是非常有限。

至于说这个和切尔诺贝利相似的，那确实是不良媒体了。

可是这次事故是有两车节Polyvinyl的，且状态是burning/burned，
Polyvinyl是Polyvinyl chloride的非正规习惯性写法，有这种用法，不能排除就是指聚氯乙烯。

补充内容 (2023-02-17 00:34 +08:00):
其他的聚乙烯化合物比如pvp和pva都没有Polyvinyl这种简写方式，只有pvc有写成Polyvinyl的用法

补充内容 (2023-02-17 01:54 +08:00):
另外再补充一下，楼主说聚乙烯和本次事故无关是信息不完全的，表里可以看到是有两车节聚乙烯（Polyethylene）且在事故中被destroyed.

很好的科普

歪个楼，如果用PE的食品袋啥的需不需要担心microplastics跑到食物中？

谢谢楼主科普，最近吵架帖子太多了，终于看到一个认真科普的，太不容易了

亚马逊上买个ph计测测就行了…不过最好还是喝瓶装水能不去就不去吧

感谢科普

手动点赞

https://gonglue.us/157254
这篇科普文章写的很好。

感谢楼主科普