化学大咖接力“挖”氮气

作者:魏德勇来源:蝌蚪五线谱发布时间:2016-03-18

氮气从被发现到命名,以及到被人们利用,经过了好几位科学家的付出和努力。

  稍有化学常识的人都知道,人类赖以生存的大气是由氮气、氧气、二氧化碳、水蒸汽和固体杂质微粒组成的混合物,其中氮气占了78%以上。氮气虽然不能供人类呼吸,也不助燃烧,却有着十分重要的用途。那么,看不见又摸不着的氮气是怎样被人们发现的呢?

  “未知气体到底是什么?”

  公元1755年的一天,英国化学家约瑟夫·布拉克(注一)在实验室里接连做了三组实验。他本是一个医生,业余对化学研究产生了浓厚的兴趣。当时不少科学家都在研究气体,布拉克也不例外。

  他通过第一组实验煅烧石灰石,发现了一种叫二氧化碳的新气体。惊喜之余,他敏锐地发现试剂瓶中还有另一种未知气体。接着,他做了一组分解碳酸镁的实验,发现也有一种类似的未知气体。为此,他做了第三组实验,即将木炭放在玻璃罩里燃烧。布拉克发现,燃烧后的气体有一部分与“未知气体”相似。

  进一步研究,当他把燃烧的蜡烛放在盛满“未知气体”的容器里时,蜡烛立刻熄灭了。当他把麻雀和小老鼠放进这个容器里时,麻雀和小老鼠先后都死了。

  “这未知气体到底是什么呢?”看到天色已晚,布拉克边沉思边向家里走去。回家后,他翻了许多资料,也没找出这种未知气体的相关记录。

英国化学家、物理学家约瑟夫·布拉克(网络图)

英国化学家、物理学家约瑟夫·布拉克(网络图)

 

  第二天,正当布拉克准备花时间全力研究这种未知气体时,学校给他晋升了职务加了薪,并希望他同事从事教学和管理工作。于是,他只得让得意门生丹尼尔·卢瑟福继续研究。

  “姑且叫它浊气吧!”

  丹尼尔·卢瑟福,英国人,1749年生,当时正在爱丁堡大学攻读医学。他与号称“原子核物理学之父”的新西兰物理学家欧内斯特·卢瑟福同姓不同名。

  卢瑟福直到公元1772年才重复做了老师当年的第三组实验。然后,他把燃烧后的气体用苛性碱吸收,并把吸收后的气体密封在器皿里。放进器皿的小老鼠一会儿就死了。“看来器皿里的空气是减少了。剩下的未知气体能不能助燃呢?”卢瑟福一边想,一边把燃烧的蜡烛放进刚才那个器皿里。结果,蜡烛光线很微弱,只燃了几秒钟。

  “看来很难把那些助燃烧、助呼吸的气体除净!”对化学颇有研究的卢瑟福立刻想到,“白磷比木炭更容易燃烧,为什么不用白磷代替呢?”于是,他用白磷做了上面的实验,结果发现小老鼠立刻就死了,燃烧的蜡烛也马上熄灭了。卢瑟福由此得出,这种未知气体不能维持生命,也不助燃烧,也不溶于苛性碱。“干脆叫它浊气吧!”他自言自语。很快,卢瑟福写成了一篇论文,名叫《固定空气和浊气导论》,并于当年9月公开发表。

  “这种劣质气体无益于生命”

  就在卢瑟福埋头做“浊气”实验的时候,另两名科学家也在研究燃烧与空气的作用。他们分别是普里斯特利和舍勒。

  普里斯特利本是一名英国传教士,传教的同时对科学产生了兴趣。公元1772年夏,他把潮湿的硫磺粉放在密封的容器里。过了一段时间,他发现容器里的空气少了五分之一。他把剩余的气体进行检测,发现其不助呼吸,不助燃烧,也不与石灰水进行反应,还比空气轻。普里斯特利当时是个十足的“燃素论”者(注二),便把这种气体命名为“燃素化的气体”。

普利斯特里的氮气实验(网络图)

普利斯特里的氮气实验(网络图)

 

  舍勒本是瑞典的药剂师,喜欢研究各种气体。同年,他做实验的时候,把一系列认为可以发出燃素的物质,如硫磺、松节油等分别放在密封的容器里点燃,再对燃烧后的气体进行测量。他发现剩下的气体虽然密度比空气小,但并不助燃。“原来,燃素没有在剩下的气体中!”舍勒得出这个结论后,便把这部分气体叫做“劣质空气”,燃烧耗掉的那部分叫“火空气”。

  与卢瑟福不同的是,普里斯特利和舍勒都只是作了记录,没有公开发表自己的结论。

  “终于有了正式的名字”

  转眼到了公元1774年。法国化学家拉瓦锡得知普里斯特利和舍勒的实验后,心有所动,便重复做了几次试验,并仔细研究了燃烧的过程。经过慎重的思考,他把舍勒笔下的“劣质空气”命名为Nitrogen(英文),意思是“无益于生命”。后来,我国清代化学家徐寿把“劣质空气”译成中文时写成“淡气”,意思是“冲淡”了空气中的氧气。再后来,科学家把“淡气”译成“氮气”。

拉瓦锡用来做空气试验的设备(网络图)

拉瓦锡用来做空气试验的设备(网络图)

 

  虽然氮气是由拉瓦锡命名的,但科学界公认它的真正发现者是丹尼尔·卢瑟福。从此,人们知道,空气主要由氧气和氮气组成,氮气占了绝大部分。

  自氮气被发现后,科学家们做了大量实验,得到了液态氮;同时,他们把氮气运用到工业、农业、国防以及日常生活中。比如农业上使用最多的便是氮肥;用氮气填充粮仓,可使粮食不霉烂,不发芽。再如,博物馆的贵重字画,可保存在充满氮气的密封容器中,以防蛀虫,避免氧化。再如,在医疗上,作为深度制冷剂的液氮,可以冻死病变的细胞。而在工业上,由氮气制成的硝酸,是炸药的重要组成部分;钢经氮化后,钢的硬度、耐磨性都大大增强。

氮气在当代用途广泛(网络图)

氮气在当代用途广泛(网络图)

 

 

  参考资料:《化学杂谈》(中国言实出版社,2004年)、《世界科学成果》(汉语大词典出版社,2005年)等。

  注释:

  注一:约瑟夫·布拉克,英国化学家和物理学家,发现二氧化碳、比热及解说潜热的概念。他是蒸汽机发明家詹姆斯·瓦特的导师。

  注二:燃素论,一种错误的理论。18世纪以前,许多科学家认为火是由无数细小而活泼的微粒构成的物质实体。这种火的微粒既能同其他元素结合而形成化合物,也能以游离方式存在。大量游离的火微粒聚集在一起就形成明显的火焰。由这种火微粒构成的火的元素就是“燃素”。化学家拉瓦锡从燃烧实验中推翻了这种理论。

 

 

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