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本科生科研指南(56):气体定律之氧气的发现 精选

已有 2918 次阅读 2020-8-7 08:32 |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(56):气体定律之氧气的发现

 

张宇宁

华北电力大学(北京)

 

世间最大的快乐,莫过于发现世人从未见过的新物质

            ----舍勒(Carl Wilhelm Scheele,1742-1786)


氧气是人类赖以生存的基础。起初,人们所知道的气体只有空气,并认为空气是“一种”物质。另外,人们已经认识到空气在燃烧过程中的重要助燃作用。例如,拉瓦锡通过实验发现很多物质在没有空气之时便不会燃烧。通过对在空气中进行的各种燃烧反应后气体的实验观察,科学家才进一步发现并不是所有的空气都会参与燃烧反应。具体而言,只有一小部分(大概五分之一)左右的空气会参与反应,而其他剩余部分则不会参与反应。在18世纪70年代,这些实验现象最终导致了氧气的发现以及后续关于其性质的诸多探索

 

一、科学问题

 

最初,人们对于空气是一种物质从未怀疑过,这种思想深刻地渗透在早期的各种哲学流派之中。但是,随着认识的不断深入,关于燃烧的一些实验结果让人们意识到空气可能是一种混合物。围绕空气的这些新发现,相应的科学问题可以归纳为:空气是由哪些气体组成的?这些气体在空气中占多少比例?组成空气的气体各自具有什么样的性质?

在氧气的研究过程中,黑尔斯的集气槽(详见:本科生科研指南(55):气体定律之黑尔斯的气体收集技术为科学家在实验室中开展气体研究提供了极大的便利,相关领域蓬勃发展。

 

二、研究历程

 

气体领域的探索和重大发现大多是由同时代的一大批科学家围绕其对于气体研究的兴趣各自独立地进行的。其中,氧气的发现便是一个典型的例子,分别被舍勒、普里斯特利、拉瓦锡在18世纪70年代先后独立地发现

1772年,舍勒通过观察部分化学物质在空气中因吸收氧气而发生的变化以及白磷等的燃烧,发现了空气中约有五分之一的气体是可以参与上述化学反应的,并将其命名为“火气”,意即有助于燃烧之意。这便是对氧气性质的早期发现和理解。遗憾的是,舍勒的上述重要工作因为出版商的耽搁,直至1777年他的专著《论空气和火的化学》才正式出版。舍勒一生中做了大量的实验,但发表的论文与他做过的工作相比,只占很少的一部分。他基本上都是凭着个人对于化学的强烈兴趣而废寝忘食地开展研究工作

 

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图一 舍勒1777年出版的《论空气和火的化学》一书的封面

瑞典语名称:Chemische Abhandlung von der Luft und dem Feuer

 

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图二 舍勒实验室的概貌

图片来源:维基百科

 

1774年,普里斯特利加热氧化汞得到了一种新气体。经过测试,普里斯特利发现这种气体不仅可以使得蜡烛更为猛烈地燃烧,并且他本人吸入之后感觉极为舒服。他还让小老鼠也吸入了这种气体,发现其寿命可以比在空气中有所延长。这些探索让普里斯特利猜测这种气体对后续的医学也可能有很大的帮助。另外,普里斯特利还发现空气燃烧后剩余的气体也是一种当时人们尚不知道的新气体,他把这种新气体称之为“脱燃素空气”(即氮气)。后来,拉瓦锡称其为“硝”,再后来被学者们称为“氮”,沿用至今。

1774年,在密闭的容器中加热锡和铅两种金属时,拉瓦锡发现在此过程中空气失去了一定的重量。据此,拉瓦锡断定空气中的一部分(即氧气)参与了化学反应。后续,拉瓦锡依据这些实验结果将空气分为“最易于呼吸的空气”(即氧气)和其余剩下的部分(即普里斯特利提出的“脱燃素空气”,即氮气)两个部分。1779年,拉瓦锡正式提出了“氧”这个词语。这些都为拉瓦锡氧化理论等新化学学说的提出提供了实验基础。

由此可见,三位学者均是独立地从不同的侧面和方法在研究氧的诸多性质,最终极大地促进了对于氧及空气的理解,从而推动了科学的进步

 

三、科学家精神

 

协同是科学家的重要品质之一。具有重要价值的科学研究则更需要多个甚至大量科学家进行协同攻关。在氧气的发现过程中,舍勒、普里斯特利、拉瓦锡三位科学家虽然均独立地做出了自己的发现,但他们之间的通信却是科学史上的一段佳话

最早发现了氧气的是舍勒(1772年)。他的贡献之所以后续被史学界得到认可,其核心证据来自于舍勒与拉瓦锡的通信。虽然在1777年出版的专著中,舍勒已经对氧气进行了描述,但这个时间显然在普里斯特利之后(1774年),当然不能算作是首创性的证据。舍勒曾经提到过他给拉瓦锡写过一封信,详细阐述了氧气的性质。1993年,这封信终于被找到,方才确定了舍勒在1772年发现的氧气,从而确立了其优先权。试想,如果没有这次舍勒与拉瓦锡之间的通信交流及学术成果的分享,舍勒必然失去了氧气发现的优先权。从某种意义上讲,恰当的学术交流还是非常必要的。

通过学术交流,普里斯特利关于氮气的发现加深了拉瓦锡对空气的认识。1774年,拉瓦锡通过金属氧化的实验已经证明了部分空气的确参与了氧化过程,但那时候拉瓦锡甚至还不知道空气是混合物。这个认知水平与普里斯特利和舍勒相比并不算先进,因为此时普里斯特利已经发现了空气是由氮气和氧气组成的,并发表了相关论文,而舍勒甚至已经通过测量得出了氧气占空气大约五分之一的结论。但是,在访问巴黎期间,普里斯特利将他的一些重要的发现,包括氮气等等,告知了拉瓦锡。这些新概念极大地促进了拉瓦锡对于化学反应的认识和研究,并为后续他提出氧化理论以及新的化学命名体系提供了重要的线索和证据。

 

四、深远影响

 

氧气的发现首先从观念上极大地冲击了当时人们对于物质世界的认识。以前,人们一直都认为空气本身便是一种“物质”。而一系列科学实验明确无误地显示空气主要是由氧气和空气按照一定比例组成的混合物。这个事实对于当时人们关于物质概念的冲击是非常大的,促使人们不禁要更进一步地思索诸如物质的本质是什么等一大堆哲学和科学问题

另外,上述实验也冲击了已有的关于燃烧的理论(即“燃素说”),进一步指出燃烧本质上是燃料与氧进行化合的过程,为拉瓦锡后续提出氧化理论提供了充足的实验证据。一场化学领域的革命蓄势待发。

 

五、后世纪念

 

舍勒为化学的发展做出了巨大的贡献,也做出了极大的个人牺牲。据猜测,舍勒的英年早逝极有可能与他长期接触、嗅闻化学药品等等有关。关于舍勒的详细介绍,读者可以参考《站在巨人肩上:从舍勒谈有机化学》一书。1942年,在舍勒诞辰200周年之际,瑞典发行了面值为5欧尔(ore)的邮票以示纪念。

 

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图三 瑞典斯德哥尔摩的舍勒雕像

 

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图四 舍勒诞辰200周年纪念邮票

 

 




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