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第11章 气体的发现(2)

卡文迪许把铜丝和盐精一起加热,直到所有空气从容器中排出,他发现,“突然,热量并没有什么改变,水猛烈地冲入……瓶中,几乎把瓶充满”。他说,由酸生成的蒸气“一接触水,马上就失去弹性”。这点提示了普里斯特利,使他在水银面上收集“酸性空气”。

1781年,卡文迪许发现测量空气“好坏”的办法。试把空气与氧化氮在水面上混合,普里斯特利得到各式各样的结果,他却做得能得出可靠的结果(如果加以标准化)。他报告,“1781年下半年,我大约花了60天试验空气……虽然这些天里,风和天气是多种多样、千变万化的,有些天晴朗,有些天下雨,有些天有浓雾,但是我可以肯定,没有发现空气有什么差别”。又一次在伦敦和肯兴敦(当时是“乡下”)试验空气,他得到同样结果。虽然卡文迪许不容许自己把空气看成是脱燃素空气(氧)和燃素化空气(氮)的混合物,“如舍勒先生和拉瓦锡先生设想那样”,他得出的结果是20.83%体积的氧和79.17%体积的氮,却非常接近现代数值。卡文迪许也是第一个(1784年)分析上层大气的人,他用气球取样,发现上层大气和地球表面的大气实际上是一样的。

卡文迪许在1764年发现砷酸(这比舍勒要早),他是用砒霜(三氧化二砷)与硝酸共煮制取的,但没有发表自己的结果。他也发现酒石(酒石酸氢钾)的本性及它和可溶性酒石(正酒石酸钾)的关系,后者是酒石与钾碱制成的。他关于当量、关于水和硝酸的组成的研究,将在以后谈到。可见,早在拉瓦锡之前,卡文迪许就继范·海尔孟、波意耳和布莱克之后进行精密的定量实验了。

(第七节)舍勒

舍勒,1742年出生于当时瑞典波奠瑞尼亚的首府施特腊尔宋特。1757年在哥德堡做药剂师学徒,并开始研究化学。他曾在马尔默、斯德哥尔摩、乌普萨拉(在此处结识柏格曼)及彻平等地药店工作。

1786年在彻平过早地死去。舍勒为人非常谦虚,他的一生经常处于穷困之中。他利用极短的余暇,用极简陋的仪器,在寒冷的、不舒服的实验室中工作,但他做出了大量第一流的化学上的发现。

燃烧方面的发现发表在他的《论空气与火的化学》上面,其中一些实验早在1770年秋天以前就已经做了,几乎所有实验都是在1773年以前做的。但是这本书虽然在1775年就已送到印刷所去,但直到1777年才出版,此时,舍勒的许多发现已为英国的普里斯特利独立做出并且发表了。只有在1892年,根据他的原来的实验记录本才证明舍勒是占先的。

(第八节)舍勒关于空气的实验

在“论空气和火”的第一组实验中,舍勒注意到:界定体积的空气长久地接触某些物质后,体积会发生减缩。例如他用硫酐溶液(即硫的石灰水溶液)、亚麻子油、用水湿润的铁屑,图36 K.W.舍勒(1742-1786年)(取自法兰德绘制的舍勒死后肖像)他认为所有这些物质均富有燃素,或如他常说的富于可燃物质。所有这些情形,空气都损失一部分。经过几天以后,大约1/4的空气被吸收,剩下的气体可使小蜡烛熄灭。

剩下的空气与普通的空气不同,它不含有可燃物质。因为,如果这种气体是空气和燃素结合而成,并且体积减缩,那么它一定比普通空气稠密,但“把这种气体充满在极薄的烧瓶中,精密地称重,发现它不仅不能和同体积重的空气平衡,甚至还轻一些”。所以,空气由两种性质不同的流体组成,其中一种丝毫也不表现吸引燃素的性质,而另一种流体占空气总质量的1/3到1/4,特别倾向于这种吸引”。舍勒把普通空气的这两种组分,称为浊空气和火空气,后来分别被命名为氮和氧。

其次,舍勒把一小块磷放在薄烧瓶中,塞住,一直加热到磷着火为止。产生一股白烟,附着在烧瓶壁上成“干磷酸”的白花。在水下打开烧瓶,水就冲进去,占据比烧瓶的略少的体积。在同样的烧瓶的空气中,把磷静置六个星期,直到不再产生辉光,也有一些空气失掉了。

图37氢在空气中的燃烧:舍勒的实验

然后,舍勒在倒立于水面的玻璃球中燃烧氢焰(图37)。水立刻开始上升,一直到充满烧瓶的1/4为止,这时火焰熄灭。舍勒假定,可燃物质(氢)同火空气化合,因为他找不到化合产物(他忽略了沉积在烧瓶上的露珠,因为他用的是热水),于是他假定化合产物是热,穿过玻璃逸走:热=火空气+。

因此他想了许多办法试图把热分解放出火空气,他在这方面大有进展,因为他能制取纯粹的火空气,他发现它是一种无色气体,在其中点着的小蜡烛特别明亮。

(第九节)舍勒发现氧气

为了把热分解成设想的组分——火空气及燃素,舍勒认为必须给热提供一些物质,这种物质对燃素的吸引力比火空气表现出来的对燃素的吸引力要大。他选择硝酸,它能马上同金属作用,取去金属中的燃素,产生红烟(硝酸+),为了使硝酸受制于热,先让它同钾碱化合使之固定,把所得的硝石放在曲颈甑中同矾油(硫酸)一起用高温蒸馏,又可放出硝酸。

把盛石灰乳的膀胱缚在曲颈甑口处,吸收放出来的红烟(图38)。膀胱中逐渐充满一种无色的气体,其中点着的小蜡烛发出耀眼的光芒。这就是火空气,这样,氧气终于被发现了。胡克与梅猷的实验已证明它可能存在,但是氧气作为周密的计划的实验所预期的结果,还是舍勒首次得到的。

图38舍勒离析出火空气。

舍勒还用许多其他方法制备火空气。他把水银烧渣加热,认为它可以从热中吸收燃素,从而放出火空气:

水银烧渣+(+火热空气)=(水银烧渣+水银)+火空气

他制取火空气的方法还有:把“黑锰”(二氧化锰)同硫酸或砷酸一起加热;把硝石单独地强热;加热硝酸亚汞和硝酸汞;加热碳酸银或碳酸亚汞,同时产生的气酸(二氧化碳),使之与碱接触而被吸收:

碳酸银=银+火空气+气酸

舍勒发现火空气可以完全地被湿硫酐所吸收。如在充满火空气的薄烧瓶中燃烧磷,烧瓶冷却时即爆裂,用一个厚一些的烧瓶,木塞在水下不能被拔掉,而是被推进去,水就冲进来充满了烧瓶。氢焰能在这种气体中继续燃烧,一直到7/8气体被吸收掉为止。

在空气中燃烧氢气以后,把火空气加入到剩下的浊空气中,使之恢复为原来的体积,这种混合物有一般空气的全部性质,例如停置于硫酐溶液上剩下同样的残余气体。舍勒也注意到已经煮沸的水上的普通空气中,火空气部分离解。蜡烛在从水沸腾所排出的空气中点燃比在一般空气中更亮。

舍勒发现老鼠和苍蝇在界定的空气中死掉,用石灰水把空气中的气酸(CO2)吸收掉以后,空气减缩,且剩余物使火焰熄灭。用出芽的豌豆也得到类似结果。

他把一只大蜜蜂关在盛火空气的瓶中,瓶里面有一些蜜,瓶同石灰水相连,蜜蜂过一星期后死去,石灰水成为乳状,几乎充满全瓶。他呼吸膀胱中的空气,再除去气酸,发现减缩后的气体使火焰熄灭。

(第十节)含勒的其他发现

除了导致他发现氧气的燃烧方面的实验以外,舍勒做出许多其他重要的发现:

I.研究“黑镁氧矿”(天然二氧化锰),发现氯、锰和氧化钡(1774年)。

Ⅱ.从萤石中制取氟化硅及氢氟酸(1771年,1780年,1786年)。

Ⅲ.从骨灰中制取磷,由硝酸和磷作用制取磷酸(1774年,1777年;1770—1771年在骨灰中发现磷酸)。

Ⅳ.砷酸(1775年)、钼酸(1778年)、钨酸(1781年)。区分开辉钼矿(MoS2)和石墨(1779年)。砷化三氢(1775年),亚砷酸铜(“舍勒绿”)(1778年)。

V.许多有机酸:酒石酸(1770年)、黏酸(1780年)、乳酸(1780年)、尿酸(1780年)、氢氰酸(1782—1783年)、草酸(1776年,1784—1785年)、柠檬酸(1784年)、苹果酸(1785年)、桔酸和焦桔酸(1786年);还有甘油(1783—1784年)、骨螺紫(1780年),一些酯(1782年)、乙醛(1782年)和酪朊(1780年)。

Ⅵ.光对银盐的作用。

Ⅶ.硫化氢(“臭硫素空气”)和粗的多硫化氢(1777年)。

Ⅷ.识别亚硝酸和硝酸(1767年);氧化氮、亚硝酸(N2O3)、二氧化氮、硝酸所含燃素的量渐次减少(含氧量渐增)(1777年;《全集》,931,103)。

Ⅸ.用氨和木炭或石墨和碳酸钾作用生成氰化物(1782年)。

(第十一节)普里斯特利

约瑟夫·普里斯特利1733年出生于利兹附近的菲尔德海德,他是布商之子,1804年死在美国。他幼时体弱多病,曾荒废一段学业。后进入达文垂的非国教学校学习,准备当非国教牧师。他在这里学会了希伯来文、希腊文和拉丁文,加上他广博的神学知识,他常同那些信奉更正统的同宗不断地辩论,并比他们占优势。他成为沃林顿的学校教师,后来在许多地方当牧师。

1758年,普里斯特利在楠特威治开始进行科学实验。1766年,他同普莱斯博士、约翰·康东与本杰明·富兰克林(米拉波说他是“既能约束雷电,又能约束暴君”的人)相识,使他的注意力转向电学研究。1766年他成为皇家学会会员,1767年他出版他的《电学史》。他在这本书中,在卡文迪许之先,用富兰克林建议的方法,根据带电的中空导体内没有力,证明了平方反比定律。

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