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第36章 重要气体的发现

17~18世纪,化学家们发现并区分了碳酸气、氢气、氮气、氧气、氯气以及氧化氮、硫化氢、笑气、氨、氯化氢、氧化硫、氟化氢等等气体。虽然许多人并未能正确地解释它们,但认识了空气的复杂性和气体的多样性,积累了一些化学知识。英国化学家梅奥、布莱克、卡文迪什、普里斯特利,瑞典化学家合勒等为此做出了卓越的贡献。

◆布莱克对二氧化碳的研究

布莱克(1728~1799)是英国化学家和物理学家。布莱克的主要贡献是阐明了一些气体的化学性质,尤其是对“固定空气”(即二氧化碳)的研究。他最早应用定量的方法来研究二氧化碳。他在石灰石煅烧前后分别称其重量,发现石灰石煅烧后减轻了44%,他断定这是因为有气体从中放出的缘故。由于这种气体是固定在石灰石中的,他就将它命名为“固定空气”。布莱克还对“固定空气”做了多方面的研究,发现它能被苛性碱吸收,使苛性碱变为苏打;蜡烛在里面不能继续燃烧,麻雀在里面会窒息而死。

布莱克对二氧化碳的研究所做出的另一重要贡献,是初步揭示了碱的苛性本质。当时燃素说认为:石灰石燃烧后变为苛性石灰是由于从煤炭中吸收燃素的结果。布莱克根据定量试验断言:石灰石煅烧失重转变为苛性石灰,苏打转变为苛性碱,都是由于失去了酸性的“固定空气”所引起的,与吸收不吸收燃素没有丝毫关系。这是对燃素说有力的否定。

◆气体研究的大师——卡文迪什

卡文迪什(1731~1810)是英国物理家、化学家。卡文迪什在化学领域的成就非常突出。他的第一篇论文详细地叙述了“可燃空气”(氢气)的特性。他用铁或锌作用于盐酸或稀硫酸制备氢气,并最先用排水集气法把氢气收集起来,仔细研究它的性质。他还发现氢气与空气混合后,经点燃就会爆炸,所以他称氢气为“可燃空气”。

1781年,卡文迪什把各种不同比例的干燥氢气与空气的混合物放在一个玻璃球内,通上电流,反应后发现瓶的内壁上有露珠,经过检验,露珠是纯水,从而证明了水是氢和氧的化合物。1785年他把电火花通过氧气与空气的混合气体,使空气中的氮被氧化后,再用氢氧化钠溶液吸收氮的氧化物,以便把氮气除掉。但是,他发现有一部分“浊气”(即氮气)始终未能被氧化并被氢氧化钠吸收。当时,他指出这个残余部分不超过反应管中“浊气”总量的1/120.因此,他曾经预言,大气中有一种不知名的气体存在,其含量不超过“浊气”的1/120.这个预言一直到1894年,拉姆齐和瑞利发现氩气之后,才得到了证实。

◆水分子式的发现

水的分子式是由卡文迪什于1781年发现的。卡文迪什最初是研究空气的,经过研究他指出,除了平常的空气外,还有其他不同种类的气体,如比一般空气重的固定空气(即二氧化碳)等等。

后来,他又研究了氢,并且实验证明氢这种气体不仅能够燃烧,而且拿2倍体积的空气和它混合,放在火的近旁,立刻就会产生爆炸。一次,卡文迪什又用电火花来爆发氢与空气的混合体时,偶然发现器具中凝集着许多小水点,严谨认真的卡文迪什并没有放过实验中的这一微小现象。他反复地进行研究和实验,结果发现这些小水点是氢氧化合物,即氢二氧一(H2O)。卡文迪什在1781年发现了水的分子式后非常慎重,没有匆忙发表,直到他死后才有人替他发表出来。水组成元素的发现,为化学史开辟了新纪元。

在他先前有个科学家叫柏利斯力,也做过同卡文迪什一样的化学试验,也曾偶然发现器具中凝集着许多小水珠。但他自以为是器具没有擦干所致,把这种现象忽略过去了,因此而失去了一次重大发现的机会。

◆氧气的发现者——普里斯特利

普里斯特利(1733~1804)是英国化学家。普里斯特利的重大贡献是发现氧和其他气体。1772年发现了二氧化氮;1773年发现氨;1774年发现二氧化硫。1774年他利用一个大凸透镜,把阳光聚焦起来,加热氧化汞,用排水集气法收集产生的气体,并研究了这种气体的性质。他发现蜡烛在这种气体中以极强的火焰燃烧;老鼠在瓶中存活时间为相同容积的普通空气的两倍。他并用玻璃吸管从放满这种气体的大瓶里吸取它,感到十分轻松舒畅。普里斯特利是第一位详细叙述了氧气的各种性质的科学家。

由于普里斯特利是燃素说的信徒,遂推断出新气体必然含有极少的燃素或不含燃素,称它为“脱燃素空气”。同年,普里斯特利将氧气的制法和性质告诉拉瓦锡。后者重复了这些实验,指出普里斯特利制出的气体不是“脱燃素空气”,而是能够助燃的氧气。拉瓦锡还提出了燃烧反应的氧化学说。但是普里斯特利却一直不接受拉瓦锡的理论,坚持错误的燃素说。

◆氧和氯的发现者——舍勒

合勒(1742~1786)是瑞典无机化学家。合勒发现的有机和无机物不下30种。其中最著名的是氧和氯的发现。

他在1773年以前,研究了燃烧现象,分离出了氧气、(当时他称为“火空气”)。其实,他发现氧气的时间比英国的普里斯特利(1774)还早一年。他还证明“火空气”存在于空气中。1772年舍勒曾研究氮气,他用硫黄与铁粉的混合物来吸收空气中的氧气而取得氮气,当时他称为“浊气”或“乏空气”。他是第一个认为氮气是空气成分之一的人。

1774年他对软锰矿做了多种试验,并确定它是一种新金属的氧化物,将这种金属定名为锰。合勒在研究软锰矿中,将盐酸加到这种矿石粉末中时,观察到有氯气析出,从而发现了这种气体元素。但因合勒相信燃素说,而称此气体为“脱燃素盐酸”,而没有认为它是一种元素。

舍勒在其他方面还有许多重要的发现,无机酸类:磷酸、砷酸、钼酸、钨酸;其他无机化合物:氟化氢、砷化氢、亚砷酸铜、氰化氢和氰化物;有机酸类酒石酸、草酸、乳酸和尿酸、柠檬酸、苹果酸、没食子酸和焦性没食子酸;其他有机化合物:酪朊和骨螺紫、乙醛和酯类、甘油等。