混沌的气体：元素简史，8年发现5种气体，改变了空气的认知

窒息和溺水等现象，让最原始的人类也能认识到空气的宝贵。空气虽无形，但树木摇动让我们间接看到了风，烟气氤氲也彰显了气体的存在。矿工们更是闻“毒气”色变，有些甚至由此丧命。然而其中道理，古人们始终百思不得其解。气体由运动的颗粒组成，只要人们不了解这个事实，你就没办法跟他们解释清楚。而一旦人类洞悉了这个秘密，就可以通过气体所参与的各类反应来研究它们。

虽然科学家们意外“邂逅”了二氧化碳和氢气，但直到18世纪中叶，人类才有能力对它们做出有价值的观察和测量，才敢说正式“发现”了这两种气体。自1766年起，科学家们开始紧锣密鼓地行动，不但解开了构成大气的几种主要气体的面纱，还发现了其他几种气体。短短8年间，人们发现的气体就包括氮气、氧气、二氧化碳、氢气和氯气。

从1911年到1986年，英国的煤矿一直使用金丝雀“打前哨”，以提醒矿工注意一氧化碳的浓度。金丝雀会在矿工的健康受到严重影响之前死亡，使矿工能够提前得到警示，安全离开危险区域

渊博的意大利人达·芬奇可能最先注意到，空气中既有助燃的东西，也有动物吸入呼出的物质。他记录了自己的想法，并推测空气中包含了不止一种气体。可惜他没有发表自己的这些笔记，所以其观点没能进入主流科学界。

1604年，波兰炼金术士森迪沃久斯（M. Sendivogius）记录道，空气中包含一种生命不可或缺的物质，这种物质可通过分解硝酸钾取得。确实如此，硝酸钾分解后，会生成亚硝酸钾和氧。森迪沃久斯以空气中的这种“生命食粮”为核心，建立起一套宇宙的哲学阐释框架。他曾服务于波兰、波西米亚和摩拉维亚多地的宫廷，那些对炼金术感兴趣的统治者很乐于聘用他，而他的主要兴趣原本也不在实用气体化学研究上。

比起自己发现的后来被验证为氧气的气体，波兰炼金术士森迪沃久斯对各种物质的提纯更感兴趣

接下来登场的是一位至关重要的人物——尼德兰化学家范·海尔蒙特。1604年，他证明了蜡烛的燃烧会耗尽空气中的某种东西。他的实验表明，不仅空气的成分发生了变化，而且残留的气体也减少了。他将一根燃烧的蜡烛置于玻璃容器中，并将这个容器扣在一只盛水的盘子上，向人们展示：蜡烛燃烧一会儿就会熄灭，同时容器中的水位会上升，这表明部分空气被用掉了，因此水取代了空气原本占据的空间。

万物皆源于水？

范·海尔蒙特最著名的事迹就是，他为了证明“万物皆由水造”，花了5年时间种柳树来做实验。他首先称出树苗的重量和一定量的干土，再把干土放入盆中。他把花盆遮住以防灰尘落入，并给小树苗浇水，但只用蒸馏水。5年后他把树苗从盆里取出，称了一下重量，又把剩下的土晒干，也称了重量。他的结论是：由于土壤的重量变化很小，而树的重量变化很大，所以构成树的所有物质一定来自他浇的水。如今我们已经清楚他的推理错在了哪里：他没有考虑树能获得气体。为满足呼吸作用和生长的需要，树不仅吸收水分，还利用了空气中的氧气和二氧化碳。

在空气成分现身之前，范·海尔蒙特的实验被重复了150多年。1674年，英国医生马约（J. Mayow）设计了一种量化演示方式，使用了两只扣在水面上的玻璃烧瓶。他在一只烧瓶中放入一只老鼠，另一只则放入一根点燃的蜡烛，然后测量老鼠死亡以及蜡烛熄灭时水位各自升高了多少。结果在两只烧瓶中，被消耗掉的空气都占大约1/14。于是就引出了两个重要结论：一、老鼠呼吸和蜡烛燃烧，都需要空气中相同的成分；二、空气中含有多种成分，而上述成分约占空气体积的1/14。然而他的第二个结论终究错了。氧气（实验中的主角）约占正常空气成分的1/5，可是不等氧气耗尽，老鼠和蜡烛就因含氧量太低而双双呜呼哀哉了。

马约的燃烧和呼吸实验表明，老鼠和蜡烛都需要消耗空气中的某种成分。和往常一样，实验中的老鼠结局都很不幸

窒息湿气、黑湿气、白湿气和臭湿气(www.xing528.com)

某些情况下的空气足以致命，不宜呼吸——早期的矿工们对此自然很熟悉。“窒息湿气”“黑湿气”这类称呼，就被用来形容在煤矿中无法呼吸、缺乏氧气的空气，这是裸露的煤与氧气发生反应后产生的氮气、二氧化碳和水蒸气的混合气体。“白湿气”现在我们已经知道其实是一氧化碳，“臭湿气”则是硫化氢（气味像臭鸡蛋）。英文中“damp”（湿气）这个词来自德文词“dampf”，意思是“蒸气”。

范·海尔蒙特创造了“气体”这个词。在他之前，人们会说起各种类型的“空气”，却没有关于不同气体的明确概念。自然，人们也完全想不到，在构成大气的气体之外还有其他种类的气体。范·海尔蒙特化用古希腊文中“chaos”这个词，创造了“gas”（气体）一词。前者最初是指万物未萌之前的原初的虚无，而不是今天所理解的彻底的无序。

同样是范·海尔蒙特最早描述了一种“空气”之外的气体，还给它取了名字。这源于他的一个发现：木炭燃烧过后所残留的炭灰的重量，远远小于最初木炭的重量。比如燃烧28千克木炭，剩下的灰只有0.5千克。范·海尔蒙特推测：那些消失的炭是被烧成了某种不可见的物质，一种“气体”或者“游灵”（spiritus sylvestris）。

如此看来，范·海尔蒙特似乎算得上二氧化碳的发现者。可惜，这顶桂冠通常被戴在苏格兰医学教授约瑟夫·布莱克的头上，他在18世纪50年代进行了相关实验，发现这种气体可由呼吸产生，而且无法满足生命体的需求。当然，这些也不是什么新发现。他管这种气体叫“固定空气”。

约瑟夫·布莱克在苏格兰的格拉斯哥大学讲授化学课程

布莱克的发现之所以不同于范·海尔蒙特，最关键之处在于他揭示了“固定空气”能够以化学途径获取。他可以通过燃烧碳酸钙制取这种气体，这就涉及了化学反应——打破白垩的枷锁，冲出固体的牢笼。

原来居然存在多种气体，而且它们也可以参与一般化学反应，还能跟其他物质结合成为固体。这个了不起的发现加速了其他四种气体的发现进程，其中三种同时也是独立的元素。

从固定空气到气泡水

1772年，英国化学家普利斯特里发表了一篇论文，描述了如何通过将浓硫酸滴在白垩上来制造“固定空气”。他曾在1770年解释了如何通过溶解这种气体来制造气泡水。利用他所描述的方法，来自瑞士的德国籍钟表匠史威普（J. Schweppe）开始制造怡泉牌碳酸水。1795年，他在伦敦的生意失败了，但伊拉斯谟·达尔文（查尔斯·达尔文的祖父）将这种饮料推广开来。据说英王威廉四世很喜欢喝这种饮料，因此它很快就大获成功。直到今天，怡泉公司仍在生产气泡饮料。

200多年来，怡泉汽水一直在用二氧化碳赚钱