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第6章 卡文迪许

卡文迪许,1731—1810年,英国著名化学家、物理学家。

生平

亨利·卡文迪许,英国杰出的物理学家和化学家,1731年10月10日生于法国尼斯。卡文迪许在11岁那年进入了纽科姆博士在哈克尼办的一所贵族中学学习了8年;1749年,他进入剑桥的圣彼得学院学习;1753年离开剑桥开始漫游欧洲大陆。

卡文迪许所在的当时的欧洲还没有专门的科研机构,科学家很多是业余的,他们根据自己的爱好作一些科学研究,器材、药品也需要自己花钱购买。卡文迪许因为出身于一个富裕的贵族家庭,他的父亲查尔斯是一位杰出的实验科学家,也是英国皇家学会的重要人物,并且查尔斯鼓励儿子热爱科学,因此卡文迪许当时拥有一间自己的实验室和工作室。刚开始时,卡文迪许只是父亲的助手,逐渐的查尔斯开始把卡文迪许引进伦敦的科学界。1760年,卡文迪许成了皇家学会会员。

卡文迪许学识广博,推理清晰,才智罕见,在皇家学会会员中倍受崇敬。尽管如此,卡文迪许的性格却是极其孤僻的。他不善言谈,不喜欢慕名而来的客人打扰他的研究工作。在他的朋友中,能与卡文迪许交谈的也没有几个人,化学家乌拉斯顿曾总结了一条经验:“与卡文迪许交谈,千万不要看着他,而要把头仰起,望着天花板,就像对空气谈话一样,这样才能听到他的一些见解。”卡文迪许虽然喜欢孤独的生活,但对于别人所作的研究工作却不是不感兴趣的。例如,他曾将一些铂送给青年科学家戴维作实验之用,有时还亲自跑到皇家学会去参观戴维的分解碱类的出色实验。

卡文迪许在四十岁时,先后继承了父亲和姑妈的两大笔遗产,于是他成为了一名百万富翁。正如法国科学家比奥所说的:“卡文迪许在一切学者中最富有,在一切富翁中最有学问。”但巨额的财富并没有使卡文迪许的生活方式发生丝毫的变化。他仍然过着俭朴的生活,不讲吃穿,每天都穿一件褪了色的上衣。他的钱大部分都花在了购置科学仪器和图书上。他利用自己继承来的财富购买了一大批很有用的图书,除自己用外,还慷慨地供其他学者使用。

1810年2月24日,这位七十九岁的老人在伦敦孤独离世。卡文迪许一生性情孤僻。他在科学界没有形成一个学派;在民众心中也缺少声望,但他所具备的数学和实验才能可媲美牛顿,他在英国科学界的地位是牛顿以后最高的。可以说十八世纪的英国科学界任何人的智力都无法与他相匹敌。

二氧化碳的研究和氢气的发现

1766年,卡文迪许发表了他的第一篇论文“论人工空气的实验”。这篇论文主要介绍了他对固定空气(即二氧化碳,在化学命名法提出之前,人们是这样称呼二氧化碳的)、易燃空气(即氢气)的实验研究。

早在1754年英国化学家布莱克就发现了固定空气,但是当时只知道加热石灰石可以获得它,人呼出的空气中含有它,木炭燃烧也产生它,至于怎样收集它,它的物理化学性质如何都不了解。在这些方面卡文迪许做了建设性的工作,卡文迪许考察了收集反应气体的排水集气法,他发现固定空气能溶解于水,室温下的水可吸收固定空气的体积比水本身的体积还要大一点,水冷时可以吸收得更多。若将水煮沸,溶解于水中的固定空气则会逸出。酒精吸收固定空气的本领更大,约是其本身体积的2.25倍。某些碱溶液也能溶解固定空气,因此收集固定空气不能采用排水集气法,而应在不吸收固定空气的水银面上进行。他的这一介绍对于当时科学家研究气体是很有启发的。

卡文迪许测得固定空气比普通空气重1.57倍,测出了酸从石灰石、大理石、珍珠灰等物质中排出固定空气的重量,计算出这些物质中固定空气的含量。他还发现在普通空气中,若固定空气的含量占到总体积的1/9,燃烧的蜡烛就会熄灭。这些实验研究使人们对二氧化碳的性质有了更多的了解。

在卡文迪许之前,许多人曾制取过氢气,但是并没有认真研究它。卡文迪许用稀硫酸或稀盐酸与金属锌或铁作用获得氢气,发现它点火即燃,不溶于水和碱,比普通空气轻11倍,与已知的其他气体都不一样,从而断定它是一种新的气体。他还发现,一定量的金属与稀酸作用所放出的氢气的多少,与酸的种类、浓度无关,而随金属不同而相异。

卡文迪许当时信奉燃素说,曾认为氢气就是燃素。恰好,当时的许多燃素说信徒都猜测燃素具有负重量。充满氢气的气球徐徐升空,曾使燃素论信徒受到鼓舞,他们的猜测似乎有了证明。然而细心的卡文迪许在弄清了空气的浮力原理后,以精确的实验测出氢气确有重量,从而否定了燃素具有负重量的观点。尽管他是信奉燃素说的,但是他更尊重科学实验的事实。

确认水的组成和意外的发现

从1771年起,卡文迪许全神贯注在电学的实验研究上,这是他的一个系统、持久的研究课题。直到1781年普利斯特列在一项卡文迪许曾探索过的研究题目上有了新的发现,才把卡文迪许重新带回到气体的研究中。

1781年,普利斯特列宣称他做了一个“毫无头绪”的实验:他将卡文迪许发现的氢气和自己发现的脱燃素空气(即氧气)混和在一闭口瓶中,然后用电火花燃爆,发现瓶中有露珠生成。他怀疑自己的实验结果,也无法解释自己的实验。当普利斯特列将这一情况告诉卡文迪许后,引起了后者的兴趣。在得到普利斯特列的许可后,卡文迪许继续这一实验。由于他设计的实验较精确,很快得到结论。在他1784年发表的论文“关于空气的实验”中指出:氢气和普通空气混和进行燃爆,几乎全部氢气和1/5的普通空气凝结成露珠,这露珠就是水。他又采用氧气代替普通空气进行多次实验,同样获得了水。他还证明氢气和氧气相互化合的体积此为2.02∶1,由此他确认了水是由氢气和氧气化合而成的。

在上述实验中,卡文迪许遇到两个意外的问题。他发现燃爆氢气与氧气的混和气体时,有时所产生的水有点酸味,用碱中和,再将水蒸发能得到少量的硝石。若氧气愈多,生成的酸也就多些,若氢气过量,则没有酸生成。这是为什么?为此他继续作了一系列实验,终于解决了疑难。

在1785年发表的论文中,他指出水的酸味是因为水中含有硝酸或亚硝酸,它们的生成则由于氧气中混有氮气,在电火花燃爆的高温中,氧气和氮气会化合。而氢气与普通空气混和燃爆时,由于大量氮气的存在,反应温度不够高,从而无法生成硝酸。这一精细的实验为人们提供了一种由空气制取硝酸的方法。

卡文迪许还发现,燃爆反应后的硝酸或亚硝酸用钾碱溶液中和,过量的氧气用硫化钾溶液吸收掉后,试管里仍剩下一个很小的气泡,这气泡的体积约是氮气总体积的1/120。这部分气体的性质与氮气不一样。根本不参加化学反应。它究竟是什么呢?卡文迪许没法讲清。但是他为后人提出了一个研究课题,直到100年以后,英国化学家瑞利和拉姆塞才证实,这部分气体是惰性气体。