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第5章 发现氧气竟是惊人之举

中学生学化学,第一个看到的大型实验,就是各种物质在氧气中的燃烧。他们在课堂上,从来还没见过如此精彩、光辉夺目的现象。老师实验时,那一瓶瓶的氧气是用什么方法得到的呢?世界上又是谁发现了氧气?如果我们同学自已,也能有一些氧气,并且亲手来做那些实验,这又该是多么引人入胜的事情啊!

大约从3亿年前开始,在地球表面的空气中,就已经含有和现在相当浓度相似的氧气了。虽然地球上众多动物呼吸,人为的和自发的燃烧都在一直不断的消耗氧气,可是又有更多的植物在进行光合作用,向空气中补充新鲜的氧气,所以空气中氧气的总量及其相对浓度,并没有减少。

氧气,无色、无臭、无味,在空气中含量估计约有1.15×1015吨,它又是取不尽,用不完的总在我们身边存在着,只要你随手拿起一个空瓶,其中就有占体积21%的氧气,但要做到老师实验时瓶中氧气的浓度,可就不是一件简单的事了,而且曾经是一件是很不容易的事。

空气不像水,火那样有形有力,不容易引起人们的注意,它又是那样的看不着、摸不到,很长时间人们都没去追究它的成分,更不知道其中有氧气这种东西了。虽然物理学家们早就用空气做了很多著名的实验,证明物体在空气中运动会受到一定的阻力,证明空气的体积会随压强增大而按一定的规律缩小,证明大气压强的存在,压在我们身上的力量就大得惊人,等等。能够正确的说出空气中都有哪些成分,并能把这些成分分开,这都是18世纪后半纪以后才相继做到的事。

氧气的化学性质在高温条件下很活动,氧气能够跟很多种物质发生化学反应,生成各种氧化物或含氧化合物。一些氧化物和含氧化合物在一定条件(如高温或有催化剂)下,会放出氧气等等,这些情况,都是学过化学的人所熟知的。为什么人们是那样迟迟的对氧气没有认识呢?原因有三:一是观察现象不全面;二是思考问题的路子不对;三是科学技术和实验手段的水平低。我们下面来说说发现氧气的具体故事吧。

在我国封建社会初期,最迟在公元前2世纪,就流行炼丹术,用一些天然的矿物,经过神秘的加工,制成丹丸,企图让人吃了会长生不老,但其中多含有对人体有毒的元素,如砷、汞、铅、硫等。他们对矿物加热,空气中的氧气必然参与反应,甚至还是反应的主角,但是炼丹时,他们只能看到固体的、液体的以及似气而非气的烟、雾、忽略了那无色、无臭又无形的空气和氧气。当然也就意识不到它们的存在和变化了。我国古代较重要的炼丹家葛洪(公元284—364年,江苏人)在他的著作《抱朴子》中记载有“丹砂烧之成水银,积变,又还成丹砂”的说法,“丹砂”就是硫化汞,加热它到变成水银,要经过两个反应,即:2HgS+3O2△2HgO+2SO22HgO△2Hg+O2实际这两个反应是在同一容器中一次完成的,又可简化为HgS+O2△Hg+SO2,但葛洪没有说必需气体参与,可见他是观察不细,也许他用了铁的容器来盛丹砂,是会有如下的反应:HgS+Fe△Hg+FeS,这时跟气体无关,但考虑当时的生产技术,不可能做出完全密封不透气的容器、也不能控制温度。当时的情况,他只用简单一句话来做结论,是不严密不科学的,要求他有重大的科学发现是不合适的。

传说(因为事实有待考证)在公元8世纪,我国有一个叫马华(译音)的人,著有一本叫“平龙认”的书,书中注意到了燃烧和空气有关,并把空气中的成分分为阴气和阳气,由于我国古代曾流行“阴、阳”之说,马华指出,属阳的金属、硫、木炭等燃烧,和大气中阴的成分结合。这就很难说他的发现氧气是个十分明确的事实,很大程度上只是和实际巧合。

在外国,早期也有很多人碰到过类似的情况,做过类似的解释,有的还的确制得并收集到了氧气,但由于思想受到“燃素说”的束缚,而把已经得到了的氧气叫做“火气”或叫做”脱燃素空气”,没有真正的认识它。瑞典的舍勒和英国的普利斯特里,就是这样的两个人。

发现氧气的重要意义,在于明确氧是一种元素,这一认识是由法国人拉瓦锡确定下来的。

舍勒、普利斯特里和拉瓦锡都是同时代的人,他们的共同成就,已被载入了化学史册,他们用化学方法(加热氧化汞、硝酸镁等物质)制出了氧气,拉瓦锡又用实验方法精确的测定了空气中,五分之一体积是氧气,并用氧气和别的物质了发生化合反应。最后在1777年确定,氧是一种元素。拉瓦锡给氧起名叫“Oxygene”。氧气的发现,氧被明确为一种元素,这是化学发展史上一个重要的里程碑。在理论上,由此彻底推翻了错误的燃素说,建立了包括燃烧在内的氧化学说,为后来的氧化、还原理论,奠定了实践基础。在科学上为人们深入研究大气的成分开辟了道路,当时化学界很多错误的看法,也得到了纠正。

氧气是一种极为普通的气体,且在地球上已存在了数百亿年,而它被科学家们的认定,却引起了如此巨大的振动,则不能不说是一个十分的惊人之举。