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趣味化学:空气成分发现史

时间:2014-10-14    来源:    

  17世纪中叶以前,人们对空气和气体的认识还是模糊的,到了18世纪,通过对燃烧现象和呼吸作用的深入研究,人们才开始认识到气体的多样性和空气的复杂性。

  18世纪初,一位爱好植物学的英国牧师黑尔斯(S.Hales,1677—1761)发明了集气槽,改进了水上集气法。

  1772年卢瑟福(D.Rutherford,英,1749—1819)在密闭容器中燃烧磷,除去寻常空气中可助燃和可供动物呼吸的气体,对剩下的气体进行了研究,发现这种气体不被碱液吸收,不能维持生命和具有可以灭火的性质,因此他把这种气体叫做“浊气”或“毒气”。同年英国化学家普利斯特里(J.Priestley,1733—1804)也了解到木炭在密闭于水上的空气中燃烧时,能使1/5的空气变为碳酸气,用石灰水吸收后,剩下的气体,不助燃也不助呼吸。

  1774年普利斯特里利用一个直径为一英尺的聚光镜来加热各种物质,看看它们是否会分解放出气体,他还用汞槽来收集产生的气体,以便研究它们的性质。那年8月1日他如法加热汞煅灰(即氧化汞),发现蜡烛在分解出的“空气”中燃烧,放出更为光亮的火焰;他又将老鼠放在这种气体中,发现老鼠比在同体积的寻常空气中活的时间约长了4倍。可以说,普利斯特利发现了氧。遗憾的是他和卢瑟福等都坚信当时的“燃素说”。从而错误地认为:这种气体不含燃素,所以有特别强的吸收燃素的能力,因而能够助燃,当时他把氧气称之为“脱燃素空气”,把氮气称之为“被燃素饱和了的空气”。

  事实上,瑞典化学家舍勒(C.W.Scheele,1742—1786)在卢瑟福和普利斯特里研究氮气的同时,于1772年也从事这一研究,他可算是第一个认为氮是空气成分之一的人。他曾于1773年用硝酸盐(硝酸钾和硝酸镁)、氧化物(氧化汞)加热,制得“火气”(fire air),并用实验证明空气中也存在“火气”。

  综上所述,可见舍勒和普利斯特里虽然都独立地发现并制得氧气,但正如恩格斯指出的:由于他们被传统的燃素说所束缚,“从歪曲的、片面的、错误的前提出发,循着错误的、弯曲的、不可靠近的途径行进,往往当真理碰到鼻尖上的时候还是没有得到真理”(《自然辩证法》)。

  法国化学家拉瓦锡(A.L.Lavoisier,1743—1794)较早地运用天平作为研究化学的工具,在实验过程中重视化学反应中物质质量的变化。当他知道了普利斯特里从氧化汞中制取氧气(当时称之为脱燃素空气)的方法后,就做了一个著名的研究空气成分的实验(见《九年义务教育三年制初级中学.化学.全一册》第一章阅读材料)。他摆脱了传统的错误理论(燃素说)的束缚,尊重事实,对实验作了科学的分析和判断,揭示了燃烧是物质跟空气里的氧气发生了反应,指出物质里根本不存在一种所谓燃素的特殊东西。1777年,拉瓦锡在接受其他化学家见解的基础上,认识到空气是两种气体的混合物,一种是能助燃,有助于呼吸的气体,并把它命名为“氧”,意思是“成酸的元素”(拉瓦锡当时认为,非金属燃烧后通常变为酸,氧是酸的本质,一切酸中都含有氧元素);另一种不助燃、无助于生命的气体,命名为氮,意思是“不能维持生命”。

  1785年英国化学家卡文迪许(H.Cavendish 1731—1810)用电火花使空气中氮气跟氧气化合,并继续加入氧气,使氮气变成氮的氧化物,然后用碱液吸收而除去,剩余的氧气用红热的铜除去。但至终残余有1%的气体不跟氧气化合,当时就认为可能是一种新的气体,但这种见解却没有受到化学家们应有的重视。

  经过百余年后,英国物理学家雷利(J.W.S.Rayteigh,1842—1919)于1892年发现从含氮的化合物中制得的氮气每升重1.250 5 g,而从空气中分离出来的氮气在相同情况下每升重1.257 2 g,虽然两者之差只有几毫克,但已超出了实验误差范围。所以他怀疑空气中的氮气中一定含有尚未被发现的较重的气体。雷利沿用卡文迪许的放电方法从空气中除去氧和氮;英国化学家拉姆塞(W.Ramsay,1852—1916)把已经除掉CO2、H2O和O2的空气通过灼热的镁以吸收其中的氮气,他们二人的实验都得到一些残余的气体,经过多方面试验断定它是一种极不活泼的新元素,定名为氩,原文是不活动的意思。

  1868年8月18日在印度发生了日全蚀,法国天文学家严森(P.J.C.Janssen,1824一1907)从分光镜中发现太阳光谱中有一条跟钠D线不在同一位置上的黄线,这条光谱线是当时尚未知道的新元素所产生的。当时预定了这种元素的存在,并定名为氦(氦是拉丁文的译音,原意是“太阳”)。地球上的氦是1895年从铀酸盐的矿物和其他铀处矿中被发现的。后来,人们在大气里、水里,以至陨石和宇宙射线里也发现了氦。

  1898年拉姆塞又在液态空气蒸发后的残余物里,先后发现了氪(拉丁文原意是“隐藏的”)、氖(拉丁文原意是“新的”)和氙(拉丁文原意是“生疏的”)。

  1900年德国物理学教授道恩(F.E.Dorn,1848一?)在含镭的矿物中发现一种具有放射性的气体,称为氡(拉丁文原意是“射气”)。

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