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本科生科研指南(65):气体定律之科学研究的连续性 精选

已有 4470 次阅读 2020-10-9 09:37 |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(65):气体定律之科学研究的连续性

 

张宇宁

华北电力大学(北京)

 

化学家们使燃素成为一种含糊的要素,它没有严格的定义,因此适应于一切可能引用它的解释。

---拉瓦锡(Antoine Lavoisier,1743-1794)

 

在我们所学的教科书中,充满了各种用科学家的名字命名的重要定理和定律,以纪念这些科学家在该领域的相应贡献。如果我们仔细地审视科学史上的各类文献和诸多学者围绕该科学问题的思考,我们便会发现很多领域实质性的突破实际上通常是由一大群科学家所组成的集体前仆后继、不断思考的结果。用数学上的概念作类比,诸多的科学发现可以看作是一个连续函数,是几代人一直不停努力的结果。本期,为了阐述上述现象,笔者借助人们对于氧气及其性质的认识做一个较为细致的介绍。

毋庸置疑的是,在个别研究领域,某个天才的贡献是绝对性的,整个人类的认识随着这个天才的贡献而跨越性地得到拓展(即数学上的阶跃函数)。

 

一、科学问题

 

早期,人们已经意识到了空气对于燃烧的重要作用。当空气匮乏之时,燃烧也便无法进行。但是,很多的科学问题依然是有待解决的:空气在燃烧过程中具体地扮演了怎么样的作用?

 

二、研究历程

 

关于空气的认识可以简单为三个阶段。

第一阶段,人们认识到空气是一种混合物。长期以来,人们对于空气的理解更多是从哲学家提出的各种理论中得到的。无论是在古代西方还是古代东方,空气都是作为一种组成世界的基本元素而存在。自16世纪以来,以实验为主导的研究方法逐步兴起,代替了单纯的哲学上的思考。在认识空气性质方面,有两个实验值得一提,一个是17世纪中叶胡克采用真空泵所做的实验,另一个是梅猷用小老鼠和蜡烛做的实验

在封闭的器皿中,胡克通过真空泵将其中的空气抽走,从而观察木炭在空气中和真空中燃烧现象的区别。当空气存在时,木炭一如既往地剧烈燃烧,最后变为灰烬。当空气被真空泵抽干时,同样是加热木炭,这时候木炭只是会变黑,并不会燃烧。这个实验证明了空气对于燃烧的重要性。

梅猷的实验是将一个罩子扣在一个在水中漂浮的木板上进行的。通过这样的一种设置,梅猷可以很方便地控制罩子内空气的总量。当在木板上放一支蜡烛并点燃,随着氧气的消耗,水面便会上升至一定高度,随后蜡烛便熄灭了。从已学习的知识中,我们马上便可以解释此现象:蜡烛燃烧过程中消耗了一定量氧气,氧气耗尽蜡烛熄灭,剩下的主要是氮气。类似地,梅猷还用小老鼠做了类似地实验,结论也类似。梅猷意识到动物的呼吸和蜡烛的燃烧都要消耗空气中的某一种物质。因此,梅猷认为空气中有两种成分,一种可以对蜡烛有助燃作用,对小老鼠的呼吸有帮助,而另一种则没有这些功能。

第二阶段,空气中的助燃成分是可以人工制备的。这个发现主要来自于胡克与波义耳共同进行的实验。如前所述,如果没有空气,加热木炭只是会使得木炭变黑,并不会燃烧。但是,如果把木炭和硝石(主要成分为硝酸钾)混合在一起进行加热,木炭又可以剧烈燃烧了。因此,胡克断定加热硝石一定可以得到空气中的助燃成分,并把这种成分命名为“亚硝空气”。实际上,硝酸钾受热分解后正是产生了氧气,从而使得木炭燃烧。遗憾的是,胡克对此并未进行进一步深入地进行系统性研究,与氧气的发现失之交臂。舍勒和普利斯特利对氧气进行了较为全面的研究,并被公认为氧气的共同发现者。普利斯特利还尝试呼吸了一下他所制备的氧气,感觉神清气爽,并据此预测了氧气在医学上的应用

第三阶段,氧化学说的创立标志着一个新的化学时代的到来。尽管舍勒和普利斯特利对氧气进行了较早的研究,遗憾的是二人均是燃素说的忠实信徒,从而影响了他们在化学反应方面的深入认识。基于大量实验,拉瓦锡对于燃素说持有怀疑的态度。拉瓦锡的两个实验颇具代表性。

在第一个实验中,拉瓦锡尝试从金属燃烧后的灰烬中通过还原反应得到空气,从而证明灰烬实际上是金属与空气中某种成分结合的结果。在这个方面,拉瓦锡使用了氧化铅与焦炭进行反应,结果发现的确大量生成了某种气体(即二氧化碳),但遗憾的是并没有得到预想的空气(实际上应为氧气)。后续,拉瓦锡尝试用铁锈进行类似的实验,也没有得到氧气。

第二个实验的灵感来自于普利斯特利的启发。在普利斯特利访问巴黎时,他向拉瓦锡介绍了自己用聚光镜加热红色氧化汞粉末分解得到了一种可以助燃的气体。因为受燃素说的影响,普利斯特利把氧气称之为“脱燃素空气”。这个实验给了拉瓦锡巨大的启发,因为该实验清晰地展示了汞通过氧化反应与氧气化合得到氧化汞,而氧化汞加热便可以得到金属汞和氧气。这个简明的实验直接地宣布了燃素说的终结,所谓的金属中的燃素是不存在的,氧化反应才是真谛

 

三、科学家精神

 

一代代科学家的不断启发是科学研究中的重要环节,确保了研究不断地得以深入。波义耳和胡克的很多实验被后续的很多科学家不断地重复和完善,对于气体领域研究中实验方面的深入起到了重要的作用。普利斯特利的很多的气体研究设备(比如集气槽等)又受到了黑尔斯等前辈的启发。同属于一个时代的学者,普利斯特利关于氧化汞的实验极大地启发了拉瓦锡并促进了其氧化学说的创立。氧化汞的上述特性非常直接地证明了氧化学说的正确性,从而使得该学说迅速地得到了广泛认可并掀起了一场化学革命。

 




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