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揪出氧气,推旧创新

  猪尿泡里的神秘“火气”

  公元1771年秋季的一天,瑞典化学家舍勒在实验室用猪尿泡做了一个研究燃烧现象的实验。他把硝石(硝酸纳)和矾油(浓硫酸)放入曲颈甑里进行高温蒸馏,并用盛石灰水的猪尿泡吸引放出来的棕色气体。他无意中把点燃的小蜡烛伸进猪尿泡里,可是烛火不但没有熄灭,反而发出耀眼的光芒。

  “这种气体也能燃烧?”他苦苦思索,反复试验,结果都一样。于是他得出一个结论:猪尿泡里还有一种未知气体。

  舍勒继续用其他药品进行实验,如加热硝石、硝酸汞或把二氧化锰与浓硫酸混合加热,都可以制出使点燃的蜡烛发出更亮光芒的神秘气体。经验丰富的他把这种气体取名“火空气”。接着,他通过无数次实验发现,空气中的“火空气”体积占了五分之一。

  舍勒用加热硝石的方法得到“火焰空气”的现代还原图

  舍勒隐隐感觉“火空气”的产生与流行的燃素学说是完全不同的两个概念,弄清“火空气”或许可以解决燃烧的本质问题。弄清燃烧的本质,将对蓬勃发展的冶金工业和化学工业起到巨大的推动作用。舍勒虽然对燃素学说有一丝怀疑,但由于没有明显的证据,便仍按旧学说把燃烧解释为空气中的“火气”与可燃物中的燃素结合的过程。

  那么,燃素学说到底是怎么回事呢?什么又是燃素呢?这要回到半个多世纪前。

  燃素学说的兴起

  公元1703年,德国的两位医生贝歇尔(注一)和斯塔尔(注二)由于工作需要,对燃烧现象进行反复观察和研究后,提出一种新的燃烧理论——燃素学说。

  他们认为,一切可燃物如木材、磷、硫等含有燃素,不可燃物如石块、黄金皆不含燃素;可燃物燃烧时发出光和热,燃素也从中逸出。他们依此得到一个数学公式:

  可燃物-燃素==灰烬

  用这个公式可以轻而易举地解释许多关于燃烧的化学现象,比如纸张、木材、油类之所以易燃,是因为它们都含有大量燃素。物质含的燃素越多,燃烧就越旺,油类的燃素多,所以比纸张、木材烧得更剧烈。石头、黄金等固体不含燃素,所以不能燃烧。

  燃素理论的创立者:贝歇尔(左)和斯塔尔(右)

  当时,燃素唯一不能解释的问题就是,金属灼烧后质量会增加。尽管如此,后续的许多科学家还是相信这种看似合理的燃素学说。

  创立燃烧新理论

  舍勒虽然“当真理碰到鼻尖上的时候还是没有得到真理”(恩格斯语),但他的实验引起另一位科学家的注意。这位科学家就是法国的拉瓦锡。拉瓦锡多次研究舍勒“猪尿泡里有火气”的实验后,结合自己曾经做过的锡和铅在空气中加热质量增加的实验,发现“火气”可能就是一种纯燃素。为此,经过多天的周密思考,他设计了一个具有划时代意义的新实验。

  拉瓦锡在一个曲颈甑里放入已称量好的少量水银,曲颈甑口用一个玻璃罩罩上,并与盛水银的槽相通,玻璃罩的体积已知。接着他加热曲颈甑使水银沸腾,加热到第二天,银白色的水银面上浮起了红色鳞斑似的渣滓;继续加热至十二天时,红色渣滓不再增多时,玻璃罩子里的空气体积差不多减少五分之一。经测量,红色渣滓的质量比原来的水银增加了。

  随后,他将点燃的小蜡烛放入玻璃罩,烛火立即熄灭;小白鼠放进罩里也很快窒息而死。

  还原拉瓦锡发现氧气的试验

  做完这一切,拉瓦锡将红色渣滓收集起来,放在另一个小容器里,并用凹透镜聚焦太阳光加热,重新得到水银和无色气体。经测定,此时得到的气体与加热水银时玻璃罩中减少的气体相等。最后,他把这种气体加到原来的玻璃罩里,与剩余的气体混合,得到的气体与空气的性质完全一样。

  “我终于弄清了!”拉瓦锡兴奋地叫出声来。经过冷静的思考,他得出两个结论:

  一、这是一种可供动物呼吸,助燃烧的无色未知气体;

  二、燃烧决不是燃素的逸出,而是物质与无色未知气体的作用,并放出光和热;

  他把这种未知的无色气体叫做“酸气”。若干年后,清朝科学家徐寿在翻译外国化学著作的时候,认为人的生存既离不开“酸气”,何不把它叫做“养气”呢?再后来,科学界为了统一,便用“氧”代替“养”字,这才有了现在众所周知的“氧气”。

  拉瓦锡再接再厉,通过进一步分析,提出两个对后世影响很大的结论:

  一、空气是由两种气体组成的,一种是助燃的“酸气”(即氧气),也即舍勒所指的“火空气”,约占空气体积的五分之一;另一种不能助燃的氮气,约点空气体积的五分之四。

  二、在空气中加热某金属时,金属于氧气化合会生成氧化物。由于氧的加入,氧化物的质量自然比原金属重了;当木材、纸张燃烧时,由于生成的二氧化碳逸到空气中,仅剩下灰烬,自然质量减轻了。

  空气的主要成分

  自此,拉瓦锡创立的新理论完全揭开了燃烧的“真面目”,统治化学界近70年的“燃素学说”彻底退出历史舞台。这种新理论使化学研究大大地前进了一步:后世科学家运用燃烧的新理论,不但弄清了空气成分的真正组成,还发现了许多新的元素、化学反应和化学规律。

  自然,这一切还要感谢氧气这位“功臣”!


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