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本科生科研指南(55):气体定律之黑尔斯的气体收集技术 精选

已有 4071 次阅读 2020-7-31 10:02 |个人分类:本科科研|系统分类:教学心得| 本科生, 科研, 创新思维

 

本科生科研指南(55):气体定律之黑尔斯的气体收集技术

 

张宇宁

华北电力大学(北京)

 

气体的产生自古有之,但如何将其有效地进行收集却一直是一个难题。同时,气体的收集也是进行后续研究的重要一步。实际上,正是气体收集技术的提出和改进为众多的科学家独立地开展关于气体的研究工作提供了可能,从而极大地提升了人们对于气体性质的认识。以空气为例,人们早期把它看做是一种物质(例如西方哲学中的“四元素说”,详见本科生科研指南(54):气体定律之赫尔蒙特的气体发现)。后续,通过定量地观察在空气中进行的燃烧等化学反应和分析残余气体的成分,人们才逐步地认识到原来空气竟然是一种混合物,里面含着有助于燃烧的氧气和不参与燃烧的氮气等等。在气体的研究过程中,黑尔斯发明的集气槽气体收集装置发挥了重要的作用。由此可见,气体收集技术对于气体性质认识的提升以及化学科学发展的重要性。

 

一、科学问题

 

通过各种各样的方法,人们可以获得很多种类的气体。人们自然很好奇地希望进一步地了解以下科学问题:通过不同的方法和渠道收集得到的气体具有怎么样的性质?它们是否是同一种气体?

在解决上述科学问题以前,首先需要突破的是气体收集装置方面的技术问题,即如何有效地将各种过程中产生的气体收集起来并进行存储?因为只有经过气体收集之后,科学家才可以进步地对其进行研究和比较。在18世纪,科学家将收集到的气体存放在用动物的膀胱等制作而成的、可充气的囊袋之中。

 

二、研究历程

 

在人们的日常生活中,气体的生成司空见惯。例如,啤酒在发酵过程中会产生二氧化碳等气体,动物粪便的发酵会产生可燃的甲烷(赫尔蒙特在早期对此进行了实验,详见本科生科研指南(54):气体定律之赫尔蒙特的气体发现)。基于实践,1772年,普里斯特利(Joseph Priestley,1733-1804)还基于二氧化碳溶解于水的原理发明了“苏打水”,并作为一种可口的饮料至今畅销不衰。

在生活实践中,人们很早便注意到加热是从物质中生成气体的一种有效的方法。早期,布莱克(Joseph Black,1728-1799)通过加热碳酸镁获得了二氧化碳,又进一步通过加热石灰石再一次获得了二氧化碳。舍勒(Carl Wilhelm Scheele,1742-1786)的很多气体相关的发现也是基于加热的方法获得并收集特定的气体,如通过加热二氧化锰和浓硫酸的混合物获得氧气,通过加热硝酸钾或者氧化汞再一次制备得到氧气等等。这些工作极大地改变了人们对气体的认识,蓦然发现很多物质里面竟然蕴含着多种的气体。在此之前,对于气体的研究更多的是从物理的视角进行,而气体的化学变化过程的发现大大地引起了人们的好奇,这对于化学学科的发展至关重要。

另外,燃烧也可以获得气体。早期,赫尔蒙特(Jan Baptist van Helmont,1580-1644)便发现木材燃烧后会发出某种气体(即二氧化碳)。舍勒也发现白磷等燃烧后也会产生很多种类的气体。

虽然气体的生成技术自古有之,但是如果希望较为系统地进行研究,科学家迫切需要一种简单、易操作的方法,实现实验过程中产生气体的收集。在这方面,黑尔斯所著的《植物静力学》(英文书名:Vegetable Staticks)一书对后世的影响甚大,因为该书详细地介绍了一种将物质加热并收集该过程中放出气体的详细方法,即集气槽(pneumatic trough)气体收集装置。一个典型的集气槽由四部分组成。

l  一个水槽:用来盛装一定量的液体,一般是水;

l  一个集气瓶:主要用于收集得到的气体,一般将其口朝下倒立放置;

l  一个支撑台:主要用来固定集气瓶,也可以将其悬吊起来;

l  管道:将集气瓶的瓶口与气体的发生装置相连。

 

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图一 史蒂芬·黑尔斯 (Stephen Hales,1677-1761)

 

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图二 黑尔斯发明的集气槽

 

采用黑尔斯发明的装置,可以通过在盛装液体的槽中加入不同种类的液体实现不同性质气体的补集。例如,对于不溶解于水的气体,槽中装水即可。对于溶解于水的气体,槽中可以用水银代替。针对溶解于水的集气槽的改进,上述的水银收集法在1766年由卡文迪许以及1772年由普里斯特利分别提出(例如,用于收集氯化氢等溶于水的气体)。值得注意的是,因为水银有毒,这种方法对于早期的化学家的健康产生了很大的危害,现在已经被摒弃。

 

三、科学家精神

 

在定量测量方面,黑尔斯的工作极为细致、堪称典范。在植物学方面,黑尔斯进行了很多细致的实验测量,并在植物对气体的吸收方面提出了很多新的观点。对于植物的生长,黑尔斯较早地提出了植物很有可能通过他们的叶子从空气中汲取了“养分”。对于植物的生长,通过长达五年的“柳树实验”定量测量后,赫尔蒙特认为水变成了柳树的枝干等等。与赫尔蒙特的“柳树实验”不同的是,黑尔斯的实验更为系统化和定量化。通过定量地测量植物叶子的表面积以及植物根系的长度和表面积,黑尔斯较为定量地研究了植物的蒸腾作用。依据这些定量化实验,黑尔斯指出空气可以通过植物的叶子等等“参与到植物的成长之中,并非只有根部是植物营养的唯一来源。甚至,他还猜测有可能是植物生长的重要能量来源之一。在其所处的时代,黑尔斯的这些思想是非常超前的,影响了后续包括拉瓦锡在内的很多学者。

 

四、深远影响

 

从今天的知识水平来看,黑尔斯的集气槽气体收集方法估计顶多是中学化学实验的水平。但是,在历史上,黑尔斯提出的集气槽气体收集方法是世界上第一个在实验室中便可以简便地进行气体收集的有效装置。因其原理简单、操作容易,集气槽气体收集方法被后续诸多知名的科学家采用。例如,布朗明哥(William Brownrigg,1712-1800)后续将集气槽用于矿井中的可燃气体(如甲烷)以及氧气耗尽后的空气的研究。卡文迪许(Henry Cavendish,1731-1810,英国剑桥大学著名的卡文迪许实验室以他的名字命名)用集气槽收集了二氧化碳和氢气并研究了它们的性质。普里斯特利(Joseph Priestley,1733-1804)也使用集气槽研究了氧气和二氧化碳等多种气体的性质。例如,1772年,普里斯特利在《对各种气体的观察》论文中详细给出了他采用黑尔斯发明的集气槽收集到的气体,包括氧化氮、氮气、二氧化氮、氧化亚氮、氯化氢等等。上述气体大部分不溶于水,也有的溶于水,从而促使了他对集气槽法进行了改进,采用水银代替水。

 

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图三普里斯特利使用的集气槽

 

五、后世纪念

 

在植物学领域,银钟花属的树木(Halesia)于1759年以黑尔斯的名字命名。美国植物生物学家协会(The American Society of Plant Biologists)每年一度会颁发“史蒂芬·黑尔斯奖”以示纪念。

黑尔斯在医学领域也有着极大地贡献,于1727年第一次测量了动脉的血压,还发明了一种用于去除胆结石的医用镊子。

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图四 黑尔斯的纪念碑碑文

该碑位于英国特丁顿的圣玛丽教堂

 




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