氯气:半个世纪的证明

作者:魏德勇来源:蝌蚪五线谱发布时间:2016-12-20

氯元素最突出的特性是有毒。而这种毒性居然是被科学家“尝”出来的。

  氯是地壳中大量存在的元素,它在地壳中含量为0.028%。氯也是与人类关系极为密切的元素之一,直接参加人体的新陈代谢,在人体内的含量占人体质量的1/400。为了维持正常活动,每人每天要摄入几克氯的化合物。

装有液氯的钢瓶

装有液氯的钢瓶(网络图)

  氯元素的发现之旅颇为曲折,数位科学家经过半个世纪的努力,才得出氯这个名字。氯元素最突出的特性是有毒。而这种毒性居然是被科学家“尝”出来的。

品尝毒气  开个好头

  18世纪后期,为了促进冶金工业的发展,世界各国科学家前赴后继地研究各种矿石。瑞典人舍勒(注一)也是其中一位。他对黑苦土非常着迷,连续研究了三年,得知黑苦土里面有一种新金属,他把这种新金属定名为锰。进一步研究,他确定黑苦土的主要成分是氧化后的锰。按当时参照的拉瓦锡理论,他把氧化后的锰叫做“脱燃素的锰”。

QQ截图20161220151707

舍勒(网络图)

  “这是什么玩意,闻起来怎么如此难受?”公元1774年的一天,舍勒把盐酸与“脱燃素的锰”进行化学反应实验时,产生了一种刺激性很强的黄绿色气体。他根据燃素学说推论,黑苦土与盐酸作用时,将盐酸里的燃素脱去,因而这种气体自然脱去燃素的盐酸。舍勒给这种“脱去燃素的盐酸”取了个名字,叫盐精。经过多次试验,他发现盐精与普通的空气不同,它微溶于水,能浸蚀金属,还能漂白有色的花朵和绿叶。为了彻底弄清这种元素的特性,舍勒作出一个大胆的决定:“品尝”一下。于是,他将微量盐精溶于水中,然后舀起一小勺放进嘴里。10秒钟后,他的肺部开始难受,伴随剧烈咳嗽。根据多年经验,他知道去除一般毒,就是毒吐出来。于是他马上冲进厕所,一边喝水,一边抠喉咙,吐了一地。经过这次事件,舍勒确定盐精是有毒的。

  然而,虔信燃素学说的舍勒坚信,盐精只是由“脱燃素的锰”从盐酸中夺去燃素时产生的气体而已,也没有认为它是一种元素。

  其实,舍勒“品尝”有毒物质并非第一次。据报道,他一生中完成近千个试验,亲自吸入或“品尝”七八种有毒物质,并因此伤害了身体,直至身故。这种科学精神让人叹服。

迷信权威  错失机遇

  舍勒之后,科学家们并没止步。10年后的公元1785年,法国化学家贝托雷在研究“盐精”时发现,这种气体的水溶液被太阳照射后,会分解出氧气,变成盐酸。按照拉瓦锡的酸性理论(注二),酸里必定含有氧。他认为这种气体是氧和盐酸的松弛化合物。作为拉瓦锡的忠实信徒,贝托雷把这种气体叫做“氧化盐酸”。他认为,只要有光的作用,氧气就可以解离出来,因为光对氧气的亲合力比盐酸对氧的亲合力大。

134705809_14446332071441n

拉瓦锡燃烧实验所用的装置(网络图)

  公元1809年,拉瓦锡的坚实支持者,法国著名化学家吕萨克和泰纳为了证明拉瓦锡理论的正确,便进行实验,希望从盐酸和“氧化盐酸”里把氧分离出来。他们将干燥的木炭装在玻璃管里,再把玻璃管烧到红热,然后再将盐酸气和“氧化盐酸”气通过这根烧红的盛有木炭的玻璃管。如果盐酸和“氧化盐酸”里含有氧,那么在玻璃管的出口可以得到碳酸气,还可以得到按拉瓦锡理论所推导的“盐酸素”。可是,他们在玻璃管的出口处,并没有得到碳酸气,也没有什么“盐酸素”。进去的气体和出来的气体完全没有变化。

  接着,为了用氢气去夺取“氧化盐酸”里的氧,他们将氢气与“氧化盐酸”气混合在一起,进行日光曝晒。最后结果出乎他们的预料,只生成了盐酸气,没有生成水。很明显,“氧化盐酸”里没有氧,盐酸里没有氧!虽然实验结果与拉瓦锡的理论相悖,但他们不能接受“盐酸里没有氧”的结论,此事不了了之。这不能不说是一种遗憾。

大胆想象  小心求证

  同一时间里,英国化学家戴维也对盐酸和“氧化盐酸”进行仔细的研究。他用类似的方法做了盖·吕萨克所做的内容相同实验:用强大的伏打电堆的电流将木炭烧到白热,再分别通人盐酸气和“氧化盐酸”气体。实验结果也与盖·吕萨克、泰纳关于“氧化盐酸”和氢气混合的实验,反应生成物也是盐酸气,没有得到水。

  “这完全不符合拉瓦锡的理论!”戴维心想,“难道氧化盐酸是一种音质,或者根本就是一种新元素?”想到这里,他惊了一下。毕竟此前大家都坚信拉瓦锡的理论,自己这种设想太过大胆。然而,平生喜欢创新的戴维思忖良久后,还是下定决心,要揭开“氧化盐酸”的神秘面纱。

  经过冷静、客观地分析,并经过数次小心谨慎的实验,戴维终于得出结论:“氧化盐酸”是一种单质。18111115日,他在英国皇家学会宣读了论文。论文包括两个观点:一是盐酸是由氯和氢化合而成,里面没有氧;二是把黄绿色的“氧化盐酸”气体取名为“Chlorine”,元素符号为“CI”(Chlorine是希腊文,原意为“绿色”,后来译成中文名为“氯气”)。

实验室制氯气装置图

实验室制氯气装置图(网络图)

  尽管戴维的这一结论很合乎实际,也容易理解,但当时的化学家如法国的盖·吕萨克、贝托雷,瑞典的贝齐利乌斯等并不愿意接受,也不承认氯是一种元素,更不相信氯气的存在。直到碘和溴两个元素被相继发现后,戴维的论点才得到法兰西学派化学家的承认。这时,距舍勒第一次制得气态的“盐精”已经50年,整整半个世纪。

亦过亦功  合理利用

  经过半个世纪,氯终于被科学家们发现。又经过很长一段时间,人们终于摸清了氯的“脾气”,对它的利用也越来越多。

  氯的产量已经成为工业发展的重要标志之一,它的身影在现代生活中随处可见:我们每天饮用的自来水,就是通过氯气进行消毒聚氯乙稀(简称PVC)为原材的管材、板材、薄膜、人造革等,给人们带来了许多便利根据舍勒发现的氯的漂白作用,人们还用氯制成工业用漂白粉或漂粉精。值得一提的是,虽然氯气可直接利用,但为了制取纯净的氯气,并考虑贮运的方便,把一部分氯气进行液化制成液氯,用钢瓶或槽车运往用户。

氯气的用途

氯气的用途(网络图)

  当然,利用不当,氯和氯的化合物会给人们带来伤害单质氯可以用作毒气,它生产出来的毒气光气,曾给许多士兵和平民带来巨大灾难许多杀虫的含氯农药(如DDT666等),在使用过程中都会对环境造成污染。

  如何趋其利避其害,更合理地利用,应该是科学家们继发现氯元素后,有一个重要课题。

--------------------------------------------------

     注释:

  注一:卡尔·威尔海姆·舍勒(17421786),瑞典著名化学家,对氯化氢、一氧化碳、二氧化碳、二氧化氮等多种气体都有深入的研究。一生尽瘁于化学事业,给人类带来巨大的利益。他150200周年诞辰时,瑞典人民举行隆重的纪念会,这种会议也成了各国化学家们进行学术交流的场所。

  注二:酸性理论,化学家拉瓦锡在《燃烧概论》和《酸性概论》两文中,正式阐释了氧化说。他认为燃烧是物质和空气中约占五分之一的氧气反应的结果,同时基于很多燃烧产物的水溶液具有酸性,他得出任何酸中都含有氧的结论。这种结论影响世界科学界几十年。

 

扫码加蝌蚪五线谱微信