一、18世紀(jì)的英國化學(xué)家卡文迪許
卡文迪許是一位百萬富翁，但他生活十分樸素，用自己的錢在家里建立了一座規(guī)模相當(dāng)大的實驗室，一生從事于科學(xué)研究。曾有科學(xué)史家說：卡文迪許“是具有學(xué)問的人中最富的，也是富人當(dāng)中最有學(xué)問的�！彼^察事物敏銳，精于實驗設(shè)計，所做實驗的結(jié)果都相當(dāng)準(zhǔn)確，而且研究范圍很廣泛，對于許多化學(xué)、力學(xué)和電學(xué)問題以及地球平均密度等問題的研究，都作出了重要發(fā)現(xiàn)。但他篤信燃素說，這使他在化學(xué)研究工作中走過一些彎路。他在五十年中只發(fā)表過18篇論文，除了一篇是理論性的外，其余全是實驗性和觀察性的。在他逝世以后，人們才發(fā)現(xiàn)他寫了大量很有價值的論文稿，沒有公開發(fā)表。他的這些文稿是科學(xué)研究的寶貴文獻(xiàn)，后來分別由物理學(xué)家麥克斯韋和化學(xué)家索普整理出版。在化學(xué)史上，有一個與這些論文稿有關(guān)的有趣的故事�？ㄎ牡显S1785年做過一個實驗，他將電火花通過尋�？諝夂脱鯕獾幕旌象w，想把其中的氮全部氧化掉，產(chǎn)生的二氧化氮用苛性鉀吸收。實驗做了三個星期，最后殘留下一小氣泡不能被氧化。他的實驗記錄保存在留下的文稿中，后面寫道：“空氣中的濁氣不是單一的物質(zhì)（氮氣），還有一種不與脫燃素空氣（氧）化合的濁氣，總量不超過全部空氣的1/12。一百多年后，1892年，英國劍橋大學(xué)的物理學(xué)家瑞利（Ragleigh,L.1842-1919）測定氮的密度時，發(fā)現(xiàn)從空氣得來的氮比從氨氧化分解產(chǎn)生的氮每升重0.0064克，百思不得其解�；瘜W(xué)家萊姆塞（Ramsay,W.1852-1916）認(rèn)為來自空氣的氮氣里面能含有一種較重的未知氣體。這時，化學(xué)教授杜瓦（Dewar,J.1842-1923）向他們提到劍橋大學(xué)的老前輩卡文迪許的上述實驗和小氣泡之迷。他們立即把卡文迪許的科學(xué)資料借來閱讀，瑞利重復(fù)了卡文迪許當(dāng)年的實驗，很快得到了小氣泡。萊姆塞設(shè)計了一個新的實驗，除去空氣中的水汽、碳酸氣、氧和氮后，也得到了這種氣體，密度比氮氣大，用分光鏡檢查后，肯定這是一種新的元素，取名氬。這樣，卡文迪許當(dāng)年的工作在1894年元素氬的發(fā)現(xiàn)中起了重要作用。從這個故事可看出卡文迪許嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲凶黠L(fēng)和他對化學(xué)的重大貢獻(xiàn)。1871年，劍橋大學(xué)建立了一座物理實驗室，以卡文迪許的名字命名，這就是著名的卡文迪許實驗室，它在幾十年內(nèi)，一直是世界現(xiàn)代物理學(xué)的一個重要研究中心。
二、氫的發(fā)現(xiàn)和氫的性質(zhì)的研究
在１８世紀(jì)末以前，曾經(jīng)有不少人做過制取氫氣的實驗，所以實際上很難說是誰發(fā)現(xiàn)了氫，即使公認(rèn)對氫的發(fā)現(xiàn)和研究有過很大貢獻(xiàn)的卡文迪許本人也認(rèn)為氫的發(fā)現(xiàn)不只是他的功勞。早在16世紀(jì)，瑞士著名醫(yī)生帕拉塞斯就描述過鐵屑與酸接觸時有一種氣體產(chǎn)生；17世紀(jì)時，比利時著名的醫(yī)療化學(xué)派學(xué)者海爾蒙特（van Helmont,J.B.1579-1644）曾偶然接觸過這種氣體，但沒有把它離析、收集起來。
波義耳雖偶然收集過這種氣體，但并未進(jìn)行研究。他們只知道它可燃，此外就很少了解。1700年，法國藥劑師勒梅里（Lemery,N.1645-1715）在巴黎科學(xué)院的《報告》上也提到過它。最早把氫氣收集起來，并對它的性質(zhì)仔細(xì)加以研究的是卡文迪許。
1766年卡文迪許向英國皇家學(xué)會提交了一篇研究報告《人造空氣實驗》，講了他用鐵、鋅等與稀硫酸、稀鹽酸作用制得“易燃空氣”（即氫氣），并用普利斯特里發(fā)明的排水集氣法把它收集起來，進(jìn)行研究。他發(fā)現(xiàn)一定量的某種金屬分別與足量的各種酸作用，所產(chǎn)生的這種氣體的量是固定的，與酸的種類、濃度都無關(guān)。他還發(fā)現(xiàn)氫氣與空氣混合后點燃會發(fā)生爆炸；又發(fā)現(xiàn)氫氣與氧氣化合生成水，從而認(rèn)識到這種氣體和其它已知的各種氣體都不同。但是，由于他是燃素說的虔誠信徒，按照他的理解：這種氣體燃燒起來這么猛烈，一定富含燃素；硫磺燃燒后成為硫酸，那么硫酸中是沒有燃素的；而按照燃素說金屬也是含燃素的。所以他認(rèn)為這種氣體是從金屬中分解出來的，而不是來自酸中。他設(shè)想金屬在酸中溶解時，“它們所含的燃素便釋放出來，形成了這種可燃空氣”。他甚至曾一度設(shè)想氫氣就是燃素，這種推測很快就得以當(dāng)時的一些杰出化學(xué)家舍勒、基爾萬（Kirwan,R.1735-1812）等的贊同。由于把氫氣充到膀胱氣球中，氣球便會徐徐上升，這種現(xiàn)象當(dāng)時曾被一些燃素學(xué)說的信奉者們用來作為他們“論證”燃素具有負(fù)重量的根據(jù)。但卡文迪許究竟是一位非凡的科學(xué)家，后來他弄清楚了氣球在空氣中所受浮力問題，通過精確研究，證明氫氣是有重量的，只是比空氣輕很多。他是這樣做實驗的：先把金屬和裝有酸的燒瓶稱重，然后將金屬投入酸中，用排水集氣法收集氫氣并測體積，再稱量反應(yīng)后燒瓶及內(nèi)裝物的總量。這樣他確定了氫氣的比重只是空氣的9%。但這些化學(xué)家仍不肯輕易放棄舊說，鑒于氫氣燃燒后會產(chǎn)生水，于是他們改說氫氣是燃素和水的化合物。
三、水的合成否定了水是元素的錯誤觀念
在古希臘：恩培多克勒提出，宇宙間只存在火、氣、水、土四種元素，它們組成萬物。從那時起直到18世紀(jì)70年代，人們一直認(rèn)為水是一種元素。1781年，普利斯特里將氫氣和空氣放在閉口玻璃瓶中，用電火花引爆，發(fā)現(xiàn)瓶的內(nèi)壁有露珠出現(xiàn)。同年卡文迪許也用不同比例的氫氣與空氣的混合物反復(fù)進(jìn)行這項實驗，確認(rèn)這種露滴是純凈的水，表明氫是水的一種成分。這時氧氣業(yè)已發(fā)現(xiàn)，卡文迪許又用純氧代替空氣進(jìn)行試驗，不僅證明氫和氧化合成水，而且確認(rèn)大約２份體積的氫與１份體積的氧恰好化合成水（發(fā)表于1784年）。這些實驗結(jié)果本已毫無疑義地證明了水是氫和氧的化合物，而不是一種元素，但卡文迪許卻和普利斯特里一樣，仍堅持認(rèn)為水是一種元素，氧是失去燃素的水，氫則是含有過多燃素的水。他用下式表示“易燃空氣”（氫）的燃燒：（水＋燃素）＋ （水－燃素）─→水
易燃空氣（氫） 失燃素空氣（氧）
1782年，拉瓦錫重復(fù)了他們的實驗，并用紅熱的槍筒分解了水蒸汽，才明確提出正確的結(jié)論：水不是元素而是氫和氧的化合物，糾正了兩千多年來把水當(dāng)做元素的錯誤概念。1787年，他把過去稱作“易燃空氣”的這種氣體命名為“H-ydrogne”（氫），意思是“產(chǎn)生水的”，并確認(rèn)它是一種元素。
四、氫、氧等氣體液化的研究
初中化學(xué)教材在敘述氧氣和氫氣的性質(zhì)時指出：在１個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時，氧氣在約－183℃（90K）時變?yōu)榈{(lán)色液體，氫氣在－252℃（21K）時變?yōu)闊o色液體。人們認(rèn)識到這些氣體的液化溫度是很不容易的，經(jīng)歷了一個曲折而艱巨的過程，這個過程是和低溫物理的發(fā)展聯(lián)系在一起的。
關(guān)于氣體液化的研究始于18世紀(jì)末。早在1799年，已經(jīng)通過降溫和壓縮的方法使氨和二氧化硫液化。1823年，杰出的英國物理學(xué)家和化學(xué)家法拉第（Faraday,M.1791-1867）用冰凍的混合物使加壓的氣體降溫，液化了硫化氫、氯化氫、氯。1835年，蒂洛勒爾（Thilorier）制得了大量的液態(tài)和固態(tài)的二氧化碳，并把固態(tài)二氧化碳和乙醚混合起來獲得了更低的溫度。但是，對于氫、氧、氮、一氧化碳這幾種氣體，直到19世紀(jì)六十年代，科學(xué)家們盡管已經(jīng)嘗試了一切當(dāng)時采用的手段（當(dāng)時壓力已可加到2790大氣壓），都沒有能使它們液體。因此這些氣體被稱為“永久性氣體”，這個名稱一直沿用了四分之一的世紀(jì)。
1863年，英國物理學(xué)家安德魯斯（Andr ews,T.1813-1885）把裝有液態(tài)的和氣態(tài)的二氧化碳的玻璃容器加熱到88°Ｆ（30.92℃）時，液體和氣體之間的分界面就完全消失；當(dāng)溫度高于這個數(shù)值時，即使壓力增大到300或400個大氣壓，也不能使二氧化碳?xì)庖夯Ｋ堰@個溫度稱為二氧化碳的臨界溫度，并設(shè)想每種氣體都有自己的臨界溫度。在1869年他提出：液化“永久性氣體”的失敗大概是由于他們臨界溫度比迄今已經(jīng)獲得的最低溫度還要低得多。只要能夠?qū)崿F(xiàn)更低的溫度，它們也是可以被液化的。為此必須尋找獲得更低溫度的方法。
1852年 ，英國物理學(xué)家焦?fàn)枺↗oule,J.P.1818-1889）和丹麥物理學(xué)家湯姆遜（Thomsen,H.P.J .J.1826-1909）已證明，當(dāng)非理想氣體發(fā)生真空絕熱膨脹時，由于要克服分子間的引力而作功，溫度可能大大降低。1877年兩個法國人分別獨立地利用焦?fàn)枺瓬愤d原理制得了少量液態(tài)氧。1875年至1880年間，德國工程師林德（Linde,K.1842-1934）利用焦-湯效應(yīng)，并采用循環(huán)對流冷卻，制成了氣體壓縮式制冷機(jī)，可得到更代的溫度。1883年奧匈帝國的烏羅布列夫斯基（von Wroblewski,S.F. 1848-1888）和奧耳舍夫斯基（Olszewski,K.S.1846-1915）用林德制冷機(jī)使氧氣和氮氣大量液化。英國的杜瓦發(fā)明了低溫液體容器──杜瓦瓶，并于1898年成功地實現(xiàn)了氫的液化，它在１大氣壓下的液化溫度是－253℃。上世紀(jì)末達(dá)到的最低溫度是－259℃。荷蘭物理學(xué)家昂乃斯（Onnes,H.D.1853-1926）在１９０８年成功地實現(xiàn)了有重大影響的氦的液化，從而消除了最后一種“永久性氣體”，并達(dá)到了4.3－1.15Ｋ之間的低溫。昂乃斯及其合作者還對極低溫度下出現(xiàn)的各種現(xiàn)象（包括超導(dǎo)現(xiàn)象）進(jìn)行了廣泛的研究。昂乃斯“由于他對低溫下物質(zhì)性質(zhì)的研究，并且制成液氮”而獲得1913年諾貝爾物理學(xué)獎。
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