素材121空氣的成分

1、 2.1 空氣的成分 1空氣成分的發(fā)現(xiàn)史 17世紀中葉以前，人們對空氣和氣體的認識還是模糊的，到了18世紀，通過對燃燒現(xiàn)象和呼吸作用的深入研究，人們才開始認識到氣體的多樣性和空氣的復雜性。 18世紀初，一位愛好植物學的英國牧師黑爾斯(SHales，16771761)發(fā)明了集氣槽，改進了排水集氣法。 1772年英國化學家盧瑟福(DRutherford,17491819)在密閉容器中燃燒磷，除去尋常空氣中可助燃和可供動物呼吸的氣體，對剩下的氣體進行了研究，發(fā)現(xiàn)這種氣體不被堿液吸收，不能維持生命，具有可以滅火的性質(zhì)，因此他把這種氣體叫做“濁氣”或“毒氣”。同年英國化學家普利斯特里(JPriestle

2、y，17331804)也了解到木炭在密閉于水上的空氣中燃燒時，能使15的空氣變?yōu)樘妓釟?，用石灰水吸收后，剩下的氣體不助燃也不助呼吸。 1774年普利斯特里利用一個直徑為一英尺的聚光鏡來加熱各種物質(zhì)，看看它們是否會分解放出氣體，他還用汞槽來收集產(chǎn)生的氣體，以便研究它們的性質(zhì)。那年8月1日他如法加熱汞煅灰(即氧化汞)，發(fā)現(xiàn)蠟燭在分解出的“空氣”中燃燒，放出更為光亮的火焰；他又將老鼠放在這種氣體中，發(fā)現(xiàn)老鼠比在同體積的尋?？諝庵谢畹臅r間約長了4倍?？梢哉f，普利斯特里發(fā)現(xiàn)了氧。遺憾的是他和盧瑟福等都堅信當時的“燃素說”。從而錯誤地認為：這種氣體不含燃素，所以有特別強的吸收燃素的能力，因而能夠助燃，當時

3、他把氧氣稱之為“脫燃素空氣”，把氮氣稱之為“被燃素飽和了的空氣”。 · 事實上，瑞典化學家舍勒(CWScheele，17421786)在盧瑟福和普利斯特里研究氮氣的同時，于1772年也從事這一研究，他可算是第一個認為氮是空氣成分之一的人。他曾于1773年用硝酸鹽(硝酸鉀和硝酸鎂)、氧化物(氧化汞)加熱，制得“火氣”(fire air)，并用實驗證明空氣中也存在“火氣”。 綜上所述，可見舍勒和普利斯特里雖然都獨立地發(fā)現(xiàn)并制得氧氣，但正如恩格斯指出的：由于他們被傳統(tǒng)的燃素說所束縛，“從歪曲的、片面的、錯誤的前提出發(fā)，循著錯誤的、彎曲的、不可靠近的途徑行進，往往當真理碰到鼻尖上的時候還是沒

4、有得到真理”(自然辯證法)。 法國化學家拉瓦錫(AL. Lavoisier，17431794)較早地運用天平作為研究化學的工具，在實驗過程中重視化學反應中物質(zhì)質(zhì)量的變化。當他知道了普利斯特里從氧化汞中制取氧氣(當時稱之為脫燃素空氣)的方法后，就做了一個著名的研究空氣成分的實驗。他擺脫了傳統(tǒng)的錯誤理論(燃素說)的束縛，尊重事實，對實驗作了科學的分析和判斷，揭示了燃燒是物質(zhì)跟空氣里的氧氣發(fā)生了反應，指出物質(zhì)里根本不存在一種所謂燃素的特殊東西。1777年，拉瓦錫在接受其他化學家見解的基礎(chǔ)上，認識到空氣是兩種氣體的混合物，一種是能助燃，有助于呼吸的氣體，并把它命名為“氧”，意思是“成酸的元素”(拉瓦錫

5、當時認為，非金屬燃燒后通常變?yōu)樗幔跏撬岬谋举|(zhì)，一切酸中都含有氧元素)；另一種不助燃、無助于生命的氣體，命名為氮，意思是“不能維持生命”。 1785年英國化學家卡文迪許(HCavendish，17311810)用電火花使空氣中的氮氣跟氧氣化合，并繼續(xù)加入氧氣，使氮氣變成氮的氧化物，然后用堿液吸收而除去，剩余的氧氣用紅熱的銅除去。但最終仍殘余有1的氣體不跟氧氣化合，當時就認為這可能是一種新的氣體，但這種見解卻沒有受到化學家們應有的重視。 經(jīng)過百余年后，英國物理學家雷利(JWSRayteigh，18421919)于1892年發(fā)現(xiàn)從含氮的化合物中制得的氮氣每升重1250 5g，而從空氣中分離出來的氮

6、氣在相同情況下每升重1257 2g，雖然兩者之差只有幾毫克，但已超出了實驗誤差范圍。所以他懷疑空氣中的氮氣中一定含有尚未被發(fā)現(xiàn)的較重的氣體。雷利沿用卡文迪許的放電方法從空氣中除去氧和氮；英國化學家拉姆塞(WRamsay，18521916)把已經(jīng)除掉CO2、H2O和O2的空氣通過灼熱的鎂以吸收其中的氮氣，他們二人的實驗都得到一些殘余的氣體，經(jīng)過多方面試驗斷定它是一種極不活潑的新元素，定名為氬，原文是不活動的意思。 1868年8月18日在印度發(fā)生了日全食，法國天文學家嚴森(PJC. Janssen，18241907)從分光鏡中發(fā)現(xiàn)太陽光譜中有一條跟鈉D線不在同一位置上的黃線，這條光譜線是當時尚未知

7、道的新元素所產(chǎn)生的。當時預定了這種元素的存在，并定名為氦(氦是拉丁文的譯音，原意是“太陽”)。地球上的氦是1895年從鈾酸鹽的礦物和其他鈾礦中被發(fā)現(xiàn)的。后來，人們在大氣里、水里，以至隕石和宇宙射線里也發(fā)現(xiàn)了氦。 1898年拉姆塞又在液態(tài)空氣蒸發(fā)后的殘余物里，先后發(fā)現(xiàn)了氪(拉丁文原意是“隱藏的”)、氖(拉丁文原意是“新的”)和氙(拉丁文原意是“生疏的”)。 1900年德國物理學教授道恩(PEDorn，18481916)在含鐳的礦物中發(fā)現(xiàn)一種具有放射性的氣體，稱為氡(拉丁文原意是“射氣”)。 2拉瓦錫發(fā)現(xiàn)氧氣的實驗 拉瓦錫受到普利斯特里和舍勒的啟發(fā)，做了很精細的實驗。由于這個實驗一連進行了二十天，

8、所以被人們稱為“二十天實驗”。拉瓦錫夫人是拉瓦錫在化學研究工作中的好助手。她不僅幫助拉瓦錫做實驗，而且精確地描繪了實驗時的情景，使后人能夠一目了然。拉瓦錫所有化學著作的插圖，幾乎都是拉瓦錫夫人親手繪制的。 從下面這張拉瓦錫夫人繪制的插圖，可以看出“二十天實驗”是怎么回事。那個瓶頸彎曲的瓶子，叫做“曲頸甑”。瓶中裝有水銀。瓶頸通過水銀槽，與一個鐘形的玻璃罩相通。玻璃罩內(nèi)是空氣。拉瓦錫用爐子晝夜不停地加熱曲頸甑中的水銀。在水銀那發(fā)亮的表面，很快出現(xiàn)了紅色的渣滓。拉瓦錫明白，那是水銀與空氣中的“脫燃素空氣”化合所生成的。隨著實驗的進行，紅色的渣滓越來越多。拉瓦錫和夫人本來是很喜歡社交的，各種宴會、舞

9、會總少不了他們夫婦。可是，在實驗進行的那些日子里，他們成天守在爐子旁，觀察著變化。他們發(fā)現(xiàn)，到了第十二天，紅色渣滓不再增多了。 他們繼續(xù)加熱，一直到第二十晝夜，紅色渣滓仍不增多，才結(jié)束了實驗。于是這個“馬拉松”式漫長的實驗，成為化學史上著名的實驗。 · 拉瓦錫發(fā)現(xiàn)，實驗結(jié)束時，鐘罩里的空氣的體積，大約減少了五分之一。 他收集了紅色的渣滓，用高溫加熱。渣滓分解了，重新釋放出氣體。拉瓦錫總共得到7-8立方英寸(1立方英寸等于16.377cm3)的氣體，正好與原先鐘罩中失去的氣體體積相等。 至于剩下來的氣體，既不能幫助燃燒，也不能供呼吸用。 拉瓦錫把那占空氣總體積五分之一的氣體，稱為“氧氣

10、”(也就是普利斯特里所謂的“脫燃素空氣”、舍勒所謂的“火空氣”)。 至于剩下的占空氣總體積五分之四的氣體，拉瓦錫稱它為“氮氣”。 在空氣中，還有“固定空氣”，即二氧化碳，不過，含量很少。 就這樣，千百年來被人們當作“元素”的空氣，終于被拉瓦錫揭開了真面目原來，空氣是由氧氣、氮氣、二氧化碳等氣體混合組成的。 隨著空氣之謎被揭開，燃燒的本質(zhì)也被拉瓦錫查清楚了。 1789年，拉瓦錫在他的名著化學概論里，清楚地闡明了燃燒的本質(zhì)： (1)燃燒時發(fā)出光和熱。 (2)物質(zhì)只能在氧氣中燃燒(也有例外，如氫氣能在氯氣中燃燒，氯氣也能在氫氣中燃燒)。(3)氧氣在燃燒時被消耗。(4)燃燒物在燃燒后所增加的重量，等于

11、所消耗的氧氣的重量。拉瓦錫堅決擯棄了“燃素學說”。他指出，世界上根本不存在什么“燃素”! 拉瓦錫的理論有大量實驗作為依據(jù)，很有說服力。他的理論，得到絕大多數(shù)化學家的支持。像普利斯特里那樣至死堅持“燃素學說”的人極少，難怪連他自己也不得不承認“幾乎是孤立的”。 3稀有氣體的發(fā)現(xiàn)與用途. 氦，Helium，源自helios，意為“太陽”，1868年發(fā)現(xiàn)。由于氦比空氣輕，因此被廣泛地應用于填充飛艇和氣象氣球，以取代有高度可燃性的氫氣。由于氦的沸點低，還被用于超低溫技術(shù)。 氖，Neon，源自neos，“新”的意思，1899年發(fā)現(xiàn)。氖現(xiàn)在大量地使用于廣告招牌、霓虹燈?！澳藓鐭簟本褪且环N只包含微量氖氣的真

12、空玻璃管：電流通過時，玻璃管放出一種明亮的橘紅色光，加入一些汞蒸氣后又發(fā)射出藍光，這些光線在霧中有很強的穿透力，引人注目。 氬，Argon，源自argon，意為“不活潑”，1894年發(fā)現(xiàn)。是稀有氣體中最豐富的，占據(jù)了空氣中0934的體積。它在工業(yè)上最大的用途是焊接，能形成一種抑制化學變化的環(huán)境，使被焊接的金屬無法燃燒，不致發(fā)生氧化。它也是用來充人普通燈泡的氣體。 氪，Krypton，源自krypots，“隱藏”的意思，1898年發(fā)現(xiàn)。氪是一種沒有氣味，沒有味道，沒有顏色的氣。Kr85是十七種放射性氪同位素中的一種，也是核裂變的一種產(chǎn)物，可以當示蹤物使用，用來檢查密封金屬容器中的小毛病，包括小到只有兩個氪原子寬的毛病。 氙(音仙)，Xenon，源自xenos，意為“陌生人”，1898年發(fā)現(xiàn)。氙在電場的激發(fā)下能放出強烈的白光，高壓長弧氙燈