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第4章 燃素学说与氧化理论(3)

1766年,卡文迪许向英国皇家学会递交了一份报告《人造空气实验》,他使用铁、锌等金属与盐酸作用制得了一种非常轻的气体,并使用排水集气法收集了这种气体,当时使用的是猪的膀胱贮存气体,当这种气体充满猪的膀胱时,这个膀胱竟然徐徐地向上升起,成为当时的一大实验奇观。卡文迪许还发现氢气与空气混合会发生爆炸,便称其为“可燃空气”,他测得了这种气体的比重为空气的9%。

卡文迪许是氢气的重要发现人之一,但是他却误入歧途,误认为氢气是燃素与水的化合物,他使用一定量的金属锌、铁、锡与各种酸作用,产生的可燃空气量总是固定的,他兴高采烈地认为,氢气不是来自酸,而是来自金属,“可燃空气”就是金属中的燃素。错误的思想导致卡文迪许失去了氢气的发现权,而把氢气发现者的桂冠戴在了拉瓦锡的头上。

1776年,法国化学家马柯将氢气点燃,并在火焰上放一个小瓷盘,他得到了小水珠;1781年,普里斯特里使用氢气与空气鸣爆也确认有水生成。

氢气的发现在化学发展史上具有重要的地位。它在元素周期表上是首席元素,它的原子核外只有一个电子,所有元素中它是最轻的气体,一升氢气只有0.08988克,与最重的金属元素锇相比,两者相差达25万倍。

氢气早期用于高空飞行,用它充起的气球与汽艇,带着人类进入了一个新的世界。但是氢气易燃易爆,也造成了许多事故,后来就利用氦气来代替它,尽管比氢气重一些,但它的惰性却是令人满意的。

氢气与氧气结伴可产生2500℃的高温,这可使绝大多数金属熔化,工业上常用氢氧焰来切割与焊接金属。

氢气最重要的用途是合成氨,在高温、高压下与氮气化合,再经过一系列的化学反应,最终制成化肥,造福于农业。

英国化学家克拉克在发现二氧化碳之后,又把木炭放在水上的玻璃罩内燃烧,用苛性钾吸收生成的“固体空气”,吸收完成后,仍然有剩余的气体不能被苛性钾吸收,克拉克因为忙于其他的实验,就让他的学生罗瑟福研究这剩余的气体是什么。

罗瑟福生于1749年,此时正投在克拉克的门下研究医学,导师让他研究这未知的气体,他自然偏重这种气体对动物生理反应的研究。

通过一系列的实验,罗瑟福证明这种气体不能被石灰水吸收,也不能被其他的碱所吸收;实验用的小白鼠在这种气体中也无法生存,他把这种气体称之为“浊气”。但是他不承认“浊气”是一种空气的组成部分,更没有意识到它是一种元素。他写了一篇论文《固定空气及浊气导论》,认为“浊气”只不过是被燃素完全饱和了的空气。

《固定空气及浊气导论》问世的1772年,另一位化学家普里特里也做了相关的实验,得出木炭在封闭空气中燃烧时,只使1/5的空气变成了碳酸气,剩下的4/5空气都是“被燃素饱和了的空气”,无法与碳进行化学反应。

普里斯特里1733年3月生于英国一个农民的家庭,在他7岁的时候就失去了母亲,由姑母把他培养长大,并希望他成为一名神职人员。

1755年,普里斯特里在神学院毕业后,已经掌握了德语、希腊语、拉丁语与广博的神学知识,成为一家教会学校的教师,作为一名神职人员,他写过许多宗教与传教方面的书,有近100篇科学论文,1764年,获得了法学博士学位,1767年因为发表了一篇电学论文而进入英国皇家学会,34岁时开始学习化学知识。

普里斯特里的第一个化学成就是制成了苏打水(二氧化碳水溶液),并因此而获得了科普莱奖章,苏达水成为历史上第一个气体化学商品。

有一天,普里斯特里去一家啤酒厂参观,当他好奇地把头伸到发酵啤酒桶内时,却感到一阵窒息,他感到非常奇怪,难道啤酒桶内的空气与人们呼吸的空气不是一样的气体吗?他点燃了一根火柴,小心翼翼地伸到啤酒桶内,结果火柴马上熄灭了。

当时“燃素说”还统治着化学界,空气被认为是一种单一的气体。普里斯特里心存疑虑,他认为肯定是有两种空气存在。他开始设计实验,要证明确实有两种空气存在,终于发现了有别于空气的“被燃素饱和了的空气(氮气)”。

恰在此时,他接到了来自卡文迪许的一封信。卡文迪许把空气通入赤热的木炭,然后用苛性钾溶液洗涤,得到一种比空气轻的气体,这种气体不能维持木炭的燃烧过程,他命名这种气体为“燃素化的空气”。

卡文迪许、罗瑟福、普里斯特里几乎同时发现了氮气,但是他们都无法摆脱“燃素说”的影响,没有认识到这种气体是一种元素。

也是在1772年,瑞典药剂师舍勒也取得了对这种气体的研究成果,他用硫酐吸收空气中的氧气后,得到了一种气体,这种气体比空气轻,能灭火。舍勒称它为“劣质空气”。他还分析了这种气体的性质,第一个证明了“劣质空气”是空气的组成成分之一。

舍勒1742年11月19日生于瑞典的一座海滨城市,父亲是一位商人,他小的时候经常在海滩上玩耍,并把各种海藻收集回来充作药品,他还采集草药,在家里研究这些药物的作用,立志当一名药剂师。

父亲不干涉舍勒的这种爱好,因为当时药剂师的收入也不比经商差。1757年秋天,他离开了家乡到哥德堡的包赫药房当学徒,这是当一名药剂师的必由之路。

包赫的药房规模很大,大楼的第一层是实验室和库房,图书室在库房的旁边,这里几乎收藏了所有当时能找到的药学与化学书籍,挨着图书室就是化学实验室,还有药房门市部与制药室。

在这里,舍勒整天泡在药房、制药室、化学实验室里面,他最喜欢读的一本书是孔克尔著的《实验室指南》,在这本书中,他学会了许多东西,并按照书中提供的配方,反复进行各种实验。

有一天夜深人静时,他在《实验室指南》中读到一段论述,并对这段论述产生了怀疑,舍勒翻过来掉过去,无论如何也不能入睡。一些想法接连不断地在脑海中出现,他按捺不住起身偷偷地来到实验室,找到了盐精(盐酸)及两瓶贴着“黑苦土”的固体开始实验,结果证明这两瓶药品并非都是黑苦土,一种物质是灰色略有光泽,不能同盐精反应,而另一种物质是黑色的。

随着时间的推移,舍勒的实验经验日益丰富,整整6年的学徒生涯,使他成为一名实验高手,通过考试合格后,他终于得到了梦寐以求的药剂师证书。包赫先生挽留舍勒做他的助手,舍勒高兴地答应了。

在包赫药房又过了4年,舍勒转到另一家大药房工作,引起他关注的第一种物质就是酒石,这是一种残留在葡萄酒桶上的残渣。他把酒石与硫酸放在一起加热,酒石逐渐溶解在硫酸中,当这种溶液冷却后,他得到一种酒石酸结晶。

还有一种透明的晶体萤石,与硫酸作用时放出令人窒息的气体,这种气体对玻璃有强烈的腐蚀性,舍勒对这种气体没有印象,就与在皇家图书馆结识的化学家贝格曼进行深入探讨,贝格曼认为这是氟氰酸。

贝格曼非常推崇舍勒的才华与敬业精神,认为舍勒继续留在药房工作会影响他的前途,阻碍他在化学上的发展,就推荐舍勒转到乌普萨拉大学工作。1774年,普鲁士亲王访问瑞典,来到了这所大学,并亲自观看了舍勒的表演,舍勒一一解答了亲王提出的问题,赢得了社会各界的关注。

舍勒继续探讨那两种“黑苦土”的问题,其一是氧化镁无疑,可是那种黑颜色的物质,肯定不会是“苦土”,把盐酸加入这种“黑苦土”中,会产生一种令人窒息的气体。当把硫酸加入时,则产生了一种无色的气体,这种气体具有助燃作用。舍勒认为它是一种燃素化的金属,与硝酸、碳酸钾共熔后,制成的水溶液是紫色的。

紧接着,舍勒试着从各种植物的根中提取溶液,他得到了各种各样的晶体,这些晶体都含有酸味,一共发现了9种有机酸,并创造了有机酸的分离方法,即用无机酸酸化有机酸钙盐沉淀物,得到较为纯净的有机酸。

舍勒从蔗糖中得到草酸(1776年);从柠檬中得到柠檬酸(1784年);从苹果中得到苹果酸(1785年);从五倍子中得到没食子酸(1786年)。

既然可以从植物中得到酸,那么动物体中一定也含有酸,经过艰苦的实验与研究,他从尿中提取出尿素(1776年);从牛奶中提取出乳酸(1780年)。

舍勒在1763年开始研究普鲁士蓝,用将近8年时间发现了普鲁士酸(氢氰酸),这种酸有特殊的甜味,同时使人咳嗽。1783年,舍勒以二氧化碳、煤与氨为原料制成了氢氰酸,这是世界上第一个有机合成反应。舍勒还合成了“普鲁士蓝”颜料,查明了骨头中含有磷酸盐,并提出从骨头中制取磷酸盐的方法。

舍勒还制备过许多无机酸,其中在1771年制得了氟硅酸;1775年,他把亚砷酐氧化制得了亚砷酸,这种亚砷酸与胆矾(硫酸铜)混合,得到一种美丽的绿色沉淀,这种沉淀可以制成染料,人们称“舍勒绿”。亚砷酸并用锌作用,舍勒制得了无色气体砷化氢;1777年还发现了硫化氢;1781年他用酸处理矿石,得到了钨酸与三氧化钨,他还制得了铂酸。他在研究一种黑色的矿物时,使用硝酸浸泡,得到一种白色沉淀,舍勒称它为“钼土”。

舍勒有一次把脂肪与密陀僧(氧化铅)一起加热,冷却静置后,竟然得到一种甜味的浅黄色液体,因为它甘甜可口,甚至可以代替食糖来调节饮料与酒类的甜度,外表给人的印象是油乎乎的,就称之为甘油。

纯正的甘油在17℃以下时就会变成白色的结晶,而在17℃以上时溶化为液体。但是我们平常见到的甘油却都是液体的,纯净的甘油暴露在空气中时,它会在空气中吸收水分,自然就成为液体了。