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輕輕的敘述

等你關(guān)注

一旦發(fā)現(xiàn)了固定空氣(二氧化碳)，“在我們面前似乎打開了一個新的，也許是無比寬廣的領(lǐng)域。我們不知道大氣中有多少種氣體，也不知道他們各自的特性”。

——蘇格蘭化學(xué)家布萊克

蘇格蘭化學(xué)家布萊克·J

現(xiàn)在我們當然知道覆蓋在地球表面，我們每天都呼吸著的“生命氣體”，是一種混合物，而且知道其中氮氣的體積分數(shù)約為78%，氧氣的體積分數(shù)約為21%，稀有氣體（氦、氖、氬、氪、氙、氡）的體積分數(shù)約為0.934%，二氧化碳的體積分數(shù)約為0.034%，其他物質(zhì)（如水蒸氣、雜質(zhì)等）的體積分數(shù)約為0.002%。但從一種“單一”的氣體到知道定量的組成，對人類來說，也是很晚的事情了。

空氣的成分比例

空氣，曾經(jīng)是人類最熟悉的陌生人。

一、歧途

在遠古時代，空氣曾被人們認為是簡單的物質(zhì)，甚至是當作一種基本的元素，17世紀中葉以前，人們對空氣和氣體的認識還是模糊的。最早對此有所懷疑的是梅猷，大于在1669年，他根據(jù)蠟燭燃燒的實驗，推斷空氣的組成是復(fù)雜的。到了18世紀，通過對燃燒現(xiàn)象和呼吸作用的深入研究，人們才開始認識到氣體的多樣性和空氣的復(fù)雜性。

燃素學(xué)說提出者德國化學(xué)家施塔爾

不過，對于空氣的認識是從歧途開始。德國化學(xué)家施塔爾在1703年提出了一個曾被普遍認同的化學(xué)理論，就是“燃素學(xué)說”。他認為有一種看不見的所謂的燃素，存在于可燃物質(zhì)內(nèi)。例如蠟燭燃燒，燃燒時燃素逸去，蠟燭縮小下塌而化為灰燼，他認為，燃燒失去燃素現(xiàn)象，即：蠟燭－燃素＝灰燼。然而燃素學(xué)說終究不能解釋自然界變化中的一些現(xiàn)象，它存在著嚴重的矛盾。第一是沒有人見過“燃素”的存在；第二金屬燃燒后質(zhì)量增加，那么“燃素”就必然有負的質(zhì)量，這是不可思議的。所有的缺陷起先都敵不過專家的名氣，燃氣說依舊在修修補補中流行于科學(xué)界。

二、黎明

跨界往往是革新的最大力量。英國人黑爾斯(S．Hales，1677～1761)，一位號稱“不愛好植物學(xué)的發(fā)明者不是好牧師”的跨界者，為空氣成分研究掃除了技術(shù)上的障礙——他在1727年發(fā)明了集氣槽，并改進了水上集氣法。由此，人們對于制取的氣體便能與原來的空氣進行分離，對于氣體成分的研究提供了大大的方便。氣體研究從此走向高速發(fā)展的道路。

最開始閃亮登場的是蘇格蘭化學(xué)家布萊克，在1756年的時候，他發(fā)現(xiàn)白鎂氧(堿式碳酸鎂)和石灰石加熱后會產(chǎn)生一種氣體，由于只知道是從固體中來的，也沒能很好的與空氣區(qū)分，所以他將這種氣體稱為“固定空氣”，實際上是二氧化碳，后面又還有許多人稱它為“碳酸氣”。

他的學(xué)生丹尼爾·盧瑟福——不是那個有事沒事對著金箔放α粒子轟擊的歐內(nèi)斯特·盧瑟?！又钟行碌陌l(fā)現(xiàn)。

丹尼爾·盧瑟福：我不是歐內(nèi)斯特·盧瑟福

1772年盧瑟福（D．Rutherford，英，1749～1819）在密閉容器中燃燒磷，除去尋?？諝庵锌芍己涂晒﹦游锖粑臍怏w，對剩下的氣體進行了研究，發(fā)現(xiàn)這種氣體不被堿液吸收，不能維持生命和具有可以滅火的性質(zhì)，因此他把這種氣體叫做“濁氣”或“毒氣”。這個實驗的做法，后來演變成實驗測定空氣中氧氣體積分數(shù)的做法。

英國化學(xué)家普里斯特利

同年，英國化學(xué)家普里斯特利（J．Priestley，1733～1804）也了解到木炭在密閉于水上的空氣中燃燒時，能使五分之一的空氣變?yōu)樘妓釟猓檬宜蘸?，剩下的氣體，不助燃也不助呼吸。當然，要做到使五分之一的空氣變成為碳酸氣也是不容易的事，我們現(xiàn)在一般的實驗條件還是很難達到，畢竟，當空氣中的氧氣減少到一定程度時，木炭是不容易燃燒的。普利斯特里在研究碳酸氣的過程中，于1772年發(fā)明了“蘇打水”。

普里斯特利不僅分析空氣的成分，而且他還利用一個直徑為一英尺的聚光鏡來加熱各種物質(zhì)，看看它們是否會分解放出氣體，并且用汞槽來收集產(chǎn)生的氣體，以便研究它們的性質(zhì)。不過，他覺得這些氣體都是“空氣”，是各種不同的“空氣”。1774年8月1日，他用這種方法加熱汞煅灰（即氧化汞），發(fā)現(xiàn)蠟燭在分解出的“空氣”中燃燒，放出更為光亮的火焰；他又將老鼠放在這種氣體中，發(fā)現(xiàn)老鼠比在同體積的尋常空氣中活的時間約長了4倍?？梢哉f，普利斯特利遇見了氧氣。遺憾的是，他和盧瑟福等都堅信當時的“燃素說”。從而錯誤地認為：這種氣體不含燃素，所以有特別強的吸收燃素的能力，因而能夠助燃，當時他把氧氣稱之為“脫燃素空氣”，把氮氣——即實驗中去除了氧氣的剩余氣體——稱之為“被燃素飽和了的空氣”。

瑞典化學(xué)家舍勒

空氣研究似乎都集中在1772年。這一年，瑞典化學(xué)家舍勒(C．W．Scheele，1742～1786)在盧瑟福和普利斯特里研究氮氣的同時，也正從事這一研究，他可算是第一個認為氮是空氣成分之一的人。他也曾制得氧氣，1773年，他用硝酸鹽(硝酸鉀和硝酸鎂)、氧化物(氧化汞)加熱，制得“火氣”（fireair），并用實驗證明空氣中也存在“火氣”。與其他兩人一樣，他也與氧氣的研究失之交臂。

綜上所述，可見舍勒和普利斯特里雖然都獨立地發(fā)現(xiàn)并制得氧氣，但正如恩格斯指出的：由于他們被傳統(tǒng)的燃素說所束縛，“從歪曲的、片面的、錯誤的前提出發(fā)，循著錯誤的、彎曲的、不可靠近的途徑行進，往往當真理碰到鼻尖上的時候還是沒有得到真理”（《自然辯證法》）。

三、突破

法國化學(xué)家拉瓦錫(A．L．Lavoisier，1743～1794)，當時也是一個包稅官?？赡苁桥c他收稅的職業(yè)有關(guān)，他研究化學(xué)，喜歡與收稅一樣進行定量進行研究。他是較早地運用天平作為研究化學(xué)的工具，在實驗過程中重視化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)質(zhì)量的變化。

《化學(xué)》教材中的拉瓦錫像

拉瓦錫和他的妻子，《紅與黑》的封面圖，也是被截取后的拉瓦錫的圖片來源

當他得知普里斯特利從氧化汞中制取氧氣(當時稱之為脫燃素空氣)的方法后，就做了一個著名的研究空氣成分的實驗。

拉瓦錫研究空氣成分的實驗裝置

他把少量汞放在密閉容器中加熱12天，發(fā)現(xiàn)部分汞變成紅色粉末，同時，空氣體積減少了五分之一左右。通過對剩余氣體的研究，他發(fā)現(xiàn)這部分氣體不能供給呼吸，也不助燃，他誤認為這全部是氮氣。

拉瓦錫又把加熱生成的紅色粉末收集起來，放在另一個較小的容器中再加熱，得到汞和另一種氣體，且這部分氣體體積恰好等于密閉容器中減少的空氣體積。他把得到的這種氣體導(dǎo)入前一個容器，所得氣體和空氣性質(zhì)完全相同。

通過實驗，拉瓦錫得出了空氣由兩種性質(zhì)不同的氣體組成，能助燃的氣體占其中的五分之一。在測定中，裝置中剩余的氣體約占空氣體積的五分之四，該實驗從另一方面說明該氣體具有的性質(zhì)是不能燃燒或不能支持燃燒。

他擺脫了傳統(tǒng)“燃素說”的束縛，尊重事實，對實驗作了科學(xué)的分析和判斷，揭示了燃燒是物質(zhì)跟空氣里的一種氣體發(fā)生了反應(yīng)，指出物質(zhì)里根本不存在一種所謂燃素的特殊東西。1777年，拉瓦錫在接受其他化學(xué)家見解的基礎(chǔ)上，認識到空氣是兩種氣體的混合物，一種是能助燃，有助于呼吸的氣體，并把它命名為“氧”(1779年)，意思是“成酸的元素”（拉瓦錫當時認為，非金屬燃燒后通常變?yōu)樗?，氧是酸的本質(zhì)，一切酸中都含有氧元素）；另一種不助燃、無助于生命的氣體，1790年，化學(xué)家夏普塔爾(1756～1832)將其改稱為“氮”，意思是“不能維持生命”，沿用至今。

在我國，“氧”這個漢字是清末著名化學(xué)家徐壽根據(jù)漢字特點造出來的。

清末著名化學(xué)家徐壽

用水等可見的物質(zhì)替代不可見的氣體來研究空氣的成分在早期的研究中頗有成效，我們科學(xué)教材中測定空氣中氣體的體積分數(shù)還是這個思路。但歷史上還有用這個方法走得更遠的。英國化學(xué)家卡文迪許(H．Cavendish1731～1810)——一位不愿意與人多交流的科學(xué)怪人——就是其中的一位。1785年，他用電火花使空氣中氮氣跟氧氣化合，并繼續(xù)加入氧氣，使氮氣變成氮的氧化物，然后用堿液吸收而除去，最后剩余的氧氣用紅熱的銅除去。但每次實驗都會殘余約1％的氣體不跟氧氣化合，他當時就認為可能是一種新的氣體，但這種見解卻沒有受到化學(xué)家們應(yīng)有的重視。他把這個實驗記錄到他的科學(xué)筆記中。

英國化學(xué)家卡文迪許

空氣的組成似乎就此成為定局。

四、新聲

氬氣發(fā)現(xiàn)者：英國物理學(xué)家雷利和英國化學(xué)家拉姆塞

百余年后，一位愛好用不同方法測定物質(zhì)密度的英國物理學(xué)家雷利(J．W．S．Rayteigh，1842～1919)，發(fā)現(xiàn)從含氮的化合物中制得的氮氣每升重1.2505g，而從空氣中分離出來的氮氣在相同情況下每升重1.2572g，雖然兩者之差只有6.4毫克，但已超出了實驗誤差范圍。所以他懷疑空氣中的氮氣中一定含有尚未被發(fā)現(xiàn)的較重的氣體。雷利查閱了卡文迪許的筆記，并用了相同的放電方法從空氣中除去氧和氮，得到了一些氣體；而另一位英國化學(xué)家拉姆塞(W．Ramsay，1852～1916)把已經(jīng)除掉CO₂、H₂O和O₂的空氣通過灼熱的鎂以吸收其中的氮氣，也得到一些殘余的氣體。他倆經(jīng)過多方面試驗斷定它是一種極不活潑的新元素，定名為氬，原文是不活動的意思。這一年是1892年。

由此之后，拉姆塞在發(fā)現(xiàn)稀有氣體的道路上一發(fā)而不可收拾，越走越遠。

1898年，拉姆塞又在液態(tài)空氣蒸發(fā)后的殘余物里，先后發(fā)現(xiàn)了氪（拉丁文原意是“隱藏的”）、氖（拉丁文原意是“新的”）和氙（拉丁文原意是“生疏的”）。

當然，拉姆塞也沒能包攬所有的稀有氣體的發(fā)現(xiàn)。

1868年8月18日在印度發(fā)生了日全蝕，法國天文學(xué)家嚴森(P．J．C．Janssen，1824～1907)從分光鏡中發(fā)現(xiàn)太陽光譜中有一條跟鈉D線不在同一位置上的黃線，這條光譜線是當時尚未知道的新元素所產(chǎn)生的。當時預(yù)定了這種元素的存在，并定名為氦（氦是拉丁文的譯音，原意是“太陽”）。地球上的氦是1895年從鈾酸鹽的礦物和其他鈾礦中被發(fā)現(xiàn)的。后來，人們在大氣里、水里，乃至隕石和宇宙射線里也發(fā)現(xiàn)了氦。

1900年德國物理學(xué)教授道恩(F．E．Dorn，1848～？)在含鐳的礦物中發(fā)現(xiàn)一種具有放射性的氣體，即鐳射氣，稱為氡—219(拉丁文原意是“射氣”)。1899年，英國物理學(xué)家歐文斯和盧瑟福發(fā)現(xiàn)了釷射氣，即氡—220。1908年，拉姆塞確定其為新元素。1923年國際化學(xué)會議上命名為氡。

氦、氖、氬、氪、氙、氡等氣體在發(fā)現(xiàn)之初都有一個共同的特點，就是不與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以，這些氣體有了一個共同的名稱：“惰性氣體”，但后來，人們也想方法讓它們和其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，甚至是在常溫條件下也能進行?！岸栊詺怏w”終是名不符實。由于這些氣體的含量在空氣中也算得上稀有，所以，“稀有氣體“成了它們共同的通用名稱。

五、尾聲

1785年荷蘭化學(xué)家馬魯姆(M．VanMartnn)在密閉的玻璃管中汞面上的氧氣通電后，發(fā)覺有一股非常強烈的臭味，好像是"電氣"的味道。他不知道這股臭味是什么。

德國化學(xué)家先貝因

后來，德國化學(xué)家先貝因(Schanbein)博士首次提出在水電解及火花放電中產(chǎn)生的臭味，同在自然界閃電后產(chǎn)生的氣味相同，先貝因博士認為其氣味類似于希臘文的ozonized（意為“難聞”），由此將其命名為臭氧。臭氧層顧名思義，帶有微臭，在閃電的時候，有可能會聞到一股怪味，這便是閃電帶下來的。

到1840年，德國化學(xué)家舍恩拜因在空氣中進行放電實驗時也嗅到這種“電氣”的味道，他繼續(xù)研究這種氣體，在1854年發(fā)表的論說中指出，氧氣除了普通的氧氣外，還有一種ozoniZed氧氣，即臭氧。雖然在高空中，臭氧有其不可替代的作用，但在低空中，臭氧的存在卻是一種污染。

空氣的成分，往往不把臭氧包括進去，因為我們所敘述的空氣，指的是我們生存周邊的氣體，在整個大氣層中，空氣的成分是有所變化的。