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空气成分揭秘:从实验到科学发展

时间:2023-10-15 理论教育 版权反馈
【摘要】:1772年,卢瑟福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外,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。当时,他把氧气称为“脱燃素空气”,把氮气称之为“被燃素饱和了的空气”。他是第一个认为氮是空气成分之一的人。根据这些实验事实,拉瓦锡得出了“空气是由氧气和氮气所组成”的结论。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。

空气成分揭秘:从实验到科学发展

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。

1772年,卢瑟福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外,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,他把这种气体叫作“浊气”或“毒气”。同年,英国化学家普利斯特里也了解到木炭在密闭于水上的空气中燃烧时,能使1/5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1ft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。同年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,普利斯特里发现了氧。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。他是第一个认为氮是空气成分之一的人。1773年,他用硝酸盐(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,当真理碰到鼻尖上的时候还是没有得到真理”。

法国化学家控瓦锡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:拉瓦锡把少量银白色的水银放在一个密闭容器里,连续加热12天。结果发现有一部分液态汞变成了红色固体粉末,容器里空气的体积减小了约1/5,剩余的那部分空气既不能支持燃烧,又不能供给动物呼吸。他把实验中所生成的红色粉末(后来证明是氧化汞)收集起来,放在另一容器里,加热,发现红色粉末又变成了银白色的汞和既能支持燃烧又能供给动物呼吸的氧气。若把所得到的氧气加到第一个实验中密闭容器里剩下的约4/5体积的气体里,所混合成的气体的性质跟空气的性质完全一样。根据这些实验事实,拉瓦锡得出了“空气是由氧气和氮气所组成”的结论。

他摆脱了传统的错误理论(燃素说)的束缚,尊重事实,对实验做了科学的分析和判断,揭示出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用电火花使空气中的氮气跟氧气化合,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。(www.xing528.com)

经过百余年后,英国物理学家雷利于1892年发现从含氮的化合物中制得的氮气每升重1.2505g,而从空气中分离出来的氮气在相同情况下每升重1.2572g。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;英国化学家拉姆塞把已经除掉CO2、H2 O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,即“不活泼”的意思。

1868年8月18日在印度发生了日全食德国天文学家严森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矿中被发现的。后来,人们在大气、水里以至陨石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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