初中化學(xué)化學(xué)家發(fā)現(xiàn)氫氣的偉大學(xué)者-卡文迪許

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發(fā)覺(jué)氫氣的偉高校者——卡文迪許歷史上很多聞名的科學(xué)家都有自己的顯明形象。在他們當(dāng)中，英國(guó)化學(xué)家卡文迪許的形象或許有點(diǎn)奇妙，但是他那獻(xiàn)身科學(xué)的一生給后人留下的印象卻是完備而深刻的。怪異的性格17一18世紀(jì)，在歐洲的科學(xué)家中，出身于中產(chǎn)階級(jí)的為數(shù)不少。當(dāng)時(shí)沒(méi)有特地的科研機(jī)構(gòu)，科學(xué)家很多是業(yè)余的。，他們依據(jù)自己的愛(ài)好作一些科學(xué)探討，器材、藥品都得花自己的錢。這就要求科學(xué)家不僅具備有肯定的經(jīng)濟(jì)條件，更須要一顆奉獻(xiàn)給科學(xué)的心?？ㄎ牡显S恰好具備了這一切。很多人都說(shuō)，卡文迪許是18世紀(jì)英國(guó)有學(xué)問(wèn)人中最富者，有錢人中最有學(xué)問(wèn)者。這樣說(shuō)的確毫不夸張。1731年10月10日，卡文迪許誕生在英國(guó)一個(gè)貴族家庭。父親是德文郡公爵二世的第五個(gè)兒子，母親是肯特郡公爵的第四個(gè)女兒。早年卡文迪許從叔伯那里承接了大宗遺贈(zèng)，

1783年他父親逝世，又給他留下大筆遺產(chǎn)。這樣他的資產(chǎn)超過(guò)了130萬(wàn)英鎊，成為英國(guó)的巨富之一。盡管家資萬(wàn)貫，他的生活卻特別儉樸。他身上穿的，恒久是幾套過(guò)時(shí)陳舊的紳士服。他吃的也很簡(jiǎn)潔，就是在家待客，照樣是羊腿一只。這些錢該怎么用，卡文迪許從不考慮，有一次，經(jīng)摯友介紹，一老翁前來(lái)幫助他整理圖書(shū)。此老翁窮困可憐，摯友本希望卡文迫許給他較厚的酬金。哪知工作完后，酬金一事卡文迪許一字未提。事后那摯友告知卡文迪許，這老翁已窮極潦到，請(qǐng)他幫助?？ㄎ牡显S驚異地問(wèn)：“我能幫助他什么？”摯友說(shuō)：“給他一點(diǎn)生活費(fèi)用。”卡文迪許連忙從口袋掏出支票，邊寫邊問(wèn)：“2萬(wàn)鎊夠嗎？”摯友驚訝地叫起來(lái)：“大多，大多了！”可是支票已寫好。由此可見(jiàn)，錢的概念在卡文迪許的頭腦中是很淡薄的。在當(dāng)時(shí)，貴族的社交生活醉生夢(mèng)死。卡文迪許卻從不涉足。他只參與一種聚會(huì)，那就是皇家學(xué)會(huì)的科學(xué)家聚會(huì)。目的很明確：為了增進(jìn)學(xué)問(wèn)，了解科學(xué)動(dòng)態(tài)。當(dāng)時(shí)的目擊者是這樣描述的，卡文迪許來(lái)參與聚會(huì)，總是低著頭，屈著身，雙手搭在背后，、靜靜地進(jìn)入室內(nèi)。然后脫下帽子，一聲不響地找個(gè)地方坐下，對(duì)別人都不理睬。若有人向他打招呼，他會(huì)馬上面紅耳赤，羞怯不堪。有一次聚會(huì)是一位會(huì)員作試驗(yàn)示范。這位會(huì)員在講解中發(fā)覺(jué)，一個(gè)穿著舊衣服、面容枯槁的老頭，緊挨在身邊仔細(xì)聽(tīng)講。當(dāng)他看了他一眼，老頭連忙逃開(kāi)，躲在他人身后。過(guò)一會(huì)兒，這老頭又靜靜地?cái)D進(jìn)前面留意地聽(tīng)講。這驚異的老頭正是卡文迪許。很多熟人都知道卡文迪許性情孤僻，不喜愛(ài)與人談話。在他的摯友中，能與卡文迪許交談的沒(méi)有幾個(gè)人?；瘜W(xué)家武拉斯頓算是其中一個(gè)。他總結(jié)了一條閱歷：“與卡文迪許交談，千萬(wàn)不要看他，而要把頭仰起，兩眼望著天，就象對(duì)空談話一樣，這樣才能聽(tīng)到他的一些見(jiàn)解。”就是這樣，卡文迪許的話也不多，他緘默寡言得稀奇，在同齡人中，可能是話說(shuō)得最少的人了。這種怪僻性格的形成與他從小生長(zhǎng)的環(huán)境有肯定關(guān)系。他兩歲時(shí)，母親因生育他弟弟而病逝，從今他失去了母愛(ài)。他父親忙于社交活動(dòng)，撇下他交由保姆看管，與外界極少往來(lái)。直到11歲才被送入一所專收貴族子弟的學(xué)校，在學(xué)校里他仍舊很少與別人交往，這就使他顯得特殊孤獨(dú)、羞怯。二氧化碳的探討和氫氣的發(fā)覺(jué)

由于這種怪異的性格，卡文迪許長(zhǎng)期深居獨(dú)處，成天埋頭在他科學(xué)探討的小于地。他把他家的部分房子進(jìn)行了改造。一所公館改為試驗(yàn)室，一處住宅改為公用圖書(shū)館，把自家豐富的藏書(shū)供大家運(yùn)用，1733年他父親死后，他又將他的試驗(yàn)基地搬到鄉(xiāng)下的別墅。將別墅富麗堂煌的裝飾全部拆去，大客廳變成試驗(yàn)室，樓上臥房變成觀象臺(tái)。甚至在宅前的草地上豎起一個(gè)架子，以便攀上大樹(shù)去觀測(cè)星象。至于踐踏了那些珍貴的花草，他毫不在乎。這些都表明，對(duì)于科學(xué)探討池簡(jiǎn)直象著了魔一樣。

在社交生活中，他緘默寡言，顯得很孤僻，然而在科學(xué)探討中，他思路開(kāi)闊，愛(ài)好廣泛，顯得異樣活躍。上至天文氣象，下至地質(zhì)采礦，抽象的數(shù)學(xué)，詳細(xì)的冶金工藝，他都進(jìn)行過(guò)探討。特殊在化學(xué)和物理學(xué)的探討中，他有極高的造詣，取得很多重要的成果。

“1766年，卡文迪許發(fā)表了他的第一篇論文“論人工空氣的試驗(yàn)”。這篇論文主要介紹了他對(duì)固定空氣（即二氧化碳，在化學(xué)命名法提出之前，人們是這樣稱呼二氧化碳的）、易燃空氣（即氫氣）的試驗(yàn)探討。

早在1754年英國(guó)化學(xué)家布萊克就發(fā)覺(jué)了固定空氣，但是當(dāng)時(shí)只知道加熱石灰石可以獲得它，人呼出的空氣中含有它，木炭燃燒也產(chǎn)生它。至于怎樣收集它，它的物理化學(xué)性質(zhì)如何都不了解。在這些方面卡文迪許做了建設(shè)性的工作?？ㄎ牡显S考察了收集反應(yīng)氣體的排水集氣法，他發(fā)覺(jué)固定空氣能溶解于水，室溫下的水可汲取固定空氣的體積比水本身的體積還要大一點(diǎn)，水冷時(shí)可以汲取得更多。若將水煮沸，溶解于水中的固定空氣則會(huì)逸出。酒精汲取固定空氣的本事更大，約是其本身體積的2．25倍。某些堿溶液也能溶解固定空氣，因此收集固定空氣不能采納排水集氣法，而應(yīng)在不汲取固定空氣的水銀面上進(jìn)行。他的這一介紹對(duì)于當(dāng)時(shí)科學(xué)家探討氣體是很有啟發(fā)的。

卡文迪許側(cè)得國(guó)定空氣比一般空氣重1．57倍，測(cè)出了酸從石灰石、大理石、珍寶灰等物質(zhì)中排出固定空氣的重量，計(jì)算出這些物質(zhì)中固定空氣的含量。他還發(fā)覺(jué)在一般空氣中，若固定空氣的含量占到總體積的1/9，燃燒的蠟燭在其中就會(huì)媳滅。這些試驗(yàn)探討使人們對(duì)二氧化碳的性質(zhì)有了更多的了解。

在卡文迪許之前，很多人曾制取過(guò)氫氣，但是并沒(méi)有仔細(xì)探討它?？ㄎ牡显S用稀硫酸或稀鹽酸與金屬鋅或鐵作用獲得氫氣，發(fā)覺(jué)它點(diǎn)火即燃，不溶于水和堿，比一般空氣輕11倍，與已知的其它氣體都不一樣，從而斷定它是一種新的氣體。他還發(fā)覺(jué)，肯定量的金屬與稀酸作用所放出的氫氣的多少，與酸的種類、濃度無(wú)關(guān)，而隨金屬不同而相異。

卡文迪許當(dāng)時(shí)信奉燃素說(shuō)，曾認(rèn)為氫氣就是燃素。恰好，當(dāng)時(shí)的很多燃素說(shuō)信徒都揣測(cè)燃素具有負(fù)重量。充溢氫氣的氣球緩緩升空，曾使燃素論信徒受到鼓舞，他們的揣測(cè)好像有了證明。然而細(xì)心的卡文迪許在弄清了空氣的浮力原理后，以精確的試驗(yàn)測(cè)出氫氣確有重量，從而否定了燃素具有負(fù)重量的觀點(diǎn)。盡管他是信奉燃素說(shuō)的，但是他更敬重科學(xué)試驗(yàn)的事實(shí)。確認(rèn)水的組成和意外的發(fā)覺(jué)

從1771年起，卡文迪許聚精會(huì)神在電學(xué)的試驗(yàn)探討上，這是他的一個(gè)系統(tǒng)、長(zhǎng)久的探討課題。直到1781年普利斯特列在一項(xiàng)卡文迪許曾探究過(guò)的探討題目上有了新的發(fā)覺(jué)，才把卡文迪許重新技回到氣體的探討中。

1781年，普利斯特列宣稱他做了一個(gè)“毫無(wú)頭緒”的試驗(yàn)：他將卡文迪許發(fā)覺(jué)的氫氣和自己發(fā)覺(jué)的脫燃素空氣（即氧氣）混和在一閉口瓶中，然后用電火花燃爆，發(fā)覺(jué)瓶中有露珠生成。他懷疑自己的試驗(yàn)結(jié)果，也無(wú)法說(shuō)明自己的試驗(yàn)。當(dāng)普利斯特列將這一狀況告知卡文迪許后，引起了后者的愛(ài)好。在征得普利斯特列的許可后，卡文迪許接著這一試驗(yàn)。由于他設(shè)計(jì)的試驗(yàn)較精確，很快得到結(jié)論。在他1784年發(fā)表的論文“關(guān)于空氣的試驗(yàn)，中指出：氫氣和一般空氣混和進(jìn)行燃爆，幾乎全部氫氣和1/5的一般空氣凝給成露珠，這露珠就是水。他又采納氧氣代替一般空氣進(jìn)行多次試驗(yàn)，同樣獲得了水。他還證明氫氣和氧氣相互化合的體積此為2．02：1。由此他確認(rèn)了水是由氫氣和氧氣化合而成的。

在上述試驗(yàn)中，卡文迪許遇到兩個(gè)意外的問(wèn)題。他發(fā)覺(jué)燃爆氫氣與氧氣的混和氣體時(shí)，有時(shí)所產(chǎn)生的水有點(diǎn)酸味，用堿中和，再將水蒸發(fā)能得到少量的硝石。若氧氣愈多，生成的酸也就多些；若氫氣過(guò)量，則沒(méi)有酸生成。這是為什么？為此他接著作了一系列試驗(yàn)，最終解決了疑難。

在1785年發(fā)表的論文中，他指出水的酸味是因?yàn)樗泻邢跛峄騺喯跛?，它們的生成則由于氧氣中混有氮?dú)?，在電火花燃爆的高溫中，氧氣和氮?dú)鈺?huì)化合。而氫氣與一般空氣混和燃爆時(shí)，由于大量氮?dú)獾拇嬖?，反?yīng)溫度不夠高，從而無(wú)法生成硝酸。這一精細(xì)的試驗(yàn)為人們供應(yīng)了一種由空氣制取硝酸的方法。

卡文迪許還發(fā)覺(jué)，燃爆反應(yīng)后的硝酸或亞硝酸用鉀堿溶液中和，過(guò)量的氧氣用硫化押溶液汲取掉后，試管里仍剩下一個(gè)很小的氣泡，這氣泡的體積約是氮?dú)饪傮w積的1/120。這部分氣體的性質(zhì)與氮?dú)獠灰粯?。根本不參與化學(xué)反應(yīng)。它原委是什么呢？卡文迪許沒(méi)法講清。但是他為后人提出了一個(gè)探討課題，直到100年以后，英國(guó)化學(xué)家瑞利和拉姆塞才證明，這部分氣體是惰性氣體。不圖名不圖利

卡文迪許1767年發(fā)表的論文也引人矚目。這篇文章介紹了他、關(guān)于水和固定空氣的試驗(yàn)。將一個(gè)深水井的井水進(jìn)行煮沸，發(fā)覺(jué)有固定空氣逸出，同時(shí)產(chǎn)生白色沉淀。他認(rèn)為白色沉淀和固定空氣原先都是溶于水的，它們可能是溶于水中的石灰質(zhì)土。為了證明這一看法，他在澄澈的石灰水中通入圃定空氣，起先時(shí)產(chǎn)生乳白色沉淀，接著通入固定空氣后，沉淀復(fù)又溶解，溶液再次澄清透亮。這時(shí)他將這溶液煮沸，馬上就象井水那樣釋放出固定空氣并產(chǎn)生白色沉淀。

卡文迪許的這一試驗(yàn)和他的說(shuō)明使人們認(rèn)清了一個(gè)常見(jiàn)的自然現(xiàn)象。在石灰?guī)r遍布的地區(qū)，含有二氧化碳的雨水或泉水流經(jīng)石灰?guī)r地層、漸漸地溶解部分石灰石形成重碳酸鹽溶液。這些溶液在石巖中緩慢下滴時(shí)，可能因溫度改變或水汽蒸發(fā)，二氧化碳乘機(jī)逸去，碳酸鈣結(jié)晶析出，日積月累，漸漸形成了石鐘、石乳、右筍等奇妙的景象?？λ固氐匦螛?gòu)造有了科學(xué)的說(shuō)明。

卡文迪許自1766年發(fā)表第一篇論文，起先引起社會(huì)的重視，以后他又接連發(fā)表了一些關(guān)于化學(xué)、物理學(xué)的富有成果的報(bào)告，漸漸引起英國(guó)乃至歐洲科學(xué)界的震驚，當(dāng)時(shí)有人表示懷疑，為此英國(guó)皇家學(xué)會(huì)曾組織了一個(gè)委員會(huì)，重復(fù)卡文迪許的試驗(yàn)，結(jié)果完全證明了卡文迪許的卓越試驗(yàn)技巧和他對(duì)科學(xué)的誠(chéng)懇看法?？ㄎ牡显S是個(gè)了不得的科學(xué)家，贏得了科學(xué)界的敬重。

卡文迪許對(duì)牛頓是特別仰慕的，他從牛頓身上不僅吸取了獻(xiàn)身科學(xué)的力氣，還接下了牛頓的很多探討項(xiàng)目。他依據(jù)萬(wàn)有引力定律，探討過(guò)動(dòng)力學(xué)；依據(jù)牛頓提出的熱是微粒振動(dòng)的觀點(diǎn)，做了有關(guān)熱的很多試驗(yàn)、發(fā)覺(jué)了比熱的測(cè)定法。他還運(yùn)用萬(wàn)有引力定律，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定出地球的密度為水的密度的5．5倍，由此可以計(jì)算地球的相對(duì)重量。這些聞名的試驗(yàn)不僅驗(yàn)證了萬(wàn)有引力定律的科學(xué)性，同時(shí)也表明卡文迪許具有扎實(shí)的數(shù)理基礎(chǔ)和超群的試驗(yàn)技巧。

卡文迪許從事科研不圖名、不圖利。當(dāng)很多人推崇他發(fā)覺(jué)氫氣時(shí)，他謙遜他說(shuō)：“這事早有別人留意到了。”他的