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氧氣無(wú)處不在,發(fā)現(xiàn)它的過(guò)程卻不簡(jiǎn)單
發(fā)布時(shí)間:2021-09-13 16:45:01
氧氣,作為地球上含量最多、分布最廣的氣體之一,是生物生存不可缺少的元素。一個(gè)人一天大約就要消耗550升的純氧,其體積約為0.5立方米。盡管氧氣無(wú)處不在,但發(fā)現(xiàn)它的過(guò)程卻沒(méi)有想象中那么簡(jiǎn)單。
歷史上有許多科學(xué)家都想對(duì)其一探究竟,但有的人與它失之交臂,有的人在錯(cuò)誤的道路上越走越遠(yuǎn)。
火,究竟因何燃燒?
要想說(shuō)清楚這個(gè)問(wèn)題,我們就先得回到過(guò)去,看看前人們是因何接觸到了氧氣。自古以來(lái),人們就對(duì)燃燒現(xiàn)象十分好奇。
無(wú)論是古希臘的四元素說(shuō)(水、氣、火、土),還是中國(guó)古代的五行說(shuō)(金、木、水、火、土),都體現(xiàn)出人們對(duì)世界的無(wú)盡探索。
1673年,英國(guó)科學(xué)家羅伯特·波義爾對(duì)幾種金屬進(jìn)行煅燒實(shí)驗(yàn)。他發(fā)現(xiàn)這些金屬在燒過(guò)之后,重量都有所增加。
據(jù)此,他認(rèn)為,火是一種真真正正存在的,并是由一種叫“火微粒”的元素構(gòu)成的物質(zhì)?!盎鹞⒘!痹谌紵^(guò)程中可以進(jìn)入金屬內(nèi)部,從而增加金屬的重量。而這,就是解釋燃燒現(xiàn)象的“火微粒說(shuō)”。
到了18世紀(jì),人們對(duì)燃燒又有了新的認(rèn)識(shí)。1702年,德國(guó)科學(xué)家?jiàn)W爾格·恩斯特·斯塔爾提出,凡是可以燃燒的物質(zhì),其內(nèi)部都含有一種叫“燃素”的物質(zhì),“燃素”即“燃燒的元素”。
他還認(rèn)為,金屬在煅燒過(guò)程中,燃素便會(huì)從中逃逸出來(lái),而剩下的就是金屬灰。如果將木炭與金屬灰混合加熱,金屬灰就又能與燃素結(jié)合,重新變成金屬。施塔爾在解釋金屬燃燒過(guò)程中還提出一個(gè)公式:金屬—燃素=煅灰。
燃素說(shuō)在當(dāng)時(shí)可以解釋大部分的的化學(xué)現(xiàn)象,因此十分流行。燃素說(shuō)統(tǒng)治了化學(xué)界長(zhǎng)達(dá)百年之久,直到真正發(fā)現(xiàn)氧氣后才被推翻。
大膽的質(zhì)疑者——拉瓦錫
盡管燃素說(shuō)風(fēng)靡一時(shí),但在它的理論背景下,仍有一個(gè)問(wèn)題沒(méi)有得到解決:既然金屬在煅燒中逃逸出了燃素,按理說(shuō)質(zhì)量應(yīng)該減輕才對(duì),為什么反而還增加了呢?難道說(shuō)燃素?fù)碛小柏?fù)能量”,負(fù)負(fù)得正了?
顯然,燃素說(shuō)暴露出了它的缺陷。到了十八世紀(jì)下半葉,定量分析引入到化學(xué)研究中,天平被普遍使用在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中。人們想方設(shè)法想從金屬中提取燃素,但終究沒(méi)有成功。
燃素真的存在嗎?在經(jīng)歷了無(wú)數(shù)次失敗后,有的人開(kāi)始對(duì)“燃素說(shuō)”進(jìn)行了反思。法國(guó)化學(xué)家安東尼·拉瓦錫就是其中的一位。他對(duì)此進(jìn)行了許多有關(guān)燃燒的實(shí)驗(yàn)。
首先,他對(duì)易燃物,如硫磺、磷的燃燒進(jìn)行觀察和測(cè)定。他發(fā)現(xiàn),硫磺和磷在燃燒增重的原因是吸收了空氣。從而他想到,金屬燃燒是否也是同樣的道理呢?
1774年,拉瓦錫重新做了波義爾煅燒金屬的實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)他發(fā)現(xiàn),金屬灰的增重,就是空氣中的一部分與金屬結(jié)合的結(jié)果。這個(gè)結(jié)論既不同于火微粒說(shuō),也不同于燃素說(shuō)。為了再次證明結(jié)論的科學(xué)性,拉瓦錫又繼續(xù)做了一個(gè)煅燒金屬汞的實(shí)驗(yàn),這就是著名的鐘罩實(shí)驗(yàn)。
在實(shí)驗(yàn)中,他把4盎司的純汞放在曲頸甑里,甑頸再通到另一個(gè)覆在汞中的玻璃鐘罩里。然后將曲頸甑加熱,加熱到第二天的時(shí)候,拉瓦錫看到汞面上出現(xiàn)了紅色的汞灰。加熱到第十二天的時(shí)候,汞灰不再增多。拉瓦錫繼續(xù)加熱,直到第二十天才將熱源熄滅。待曲頸甑冷卻后,他發(fā)現(xiàn),鐘罩里的汞面比罩外的汞面高,這說(shuō)明鐘罩里的空氣減少了。
而后,他將紅色的汞灰收集起來(lái),放到另一個(gè)曲頸甑中繼續(xù)加熱,以收集它所放出的氣體。曲頸甑中的汞灰又變成了汞,經(jīng)測(cè)量,汞灰所增加的重量恰好等于它放出氣體的重量。
這進(jìn)一步說(shuō)明了金屬變成金屬灰質(zhì)量之所以增加,完全是因?yàn)槲樟丝諝庵械哪撤N成分。這個(gè)實(shí)驗(yàn)判定了波義爾的火微粒說(shuō)是錯(cuò)誤的,同樣也是對(duì)燃素說(shuō)的沉重打擊。
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