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氧气和其发现的历史

发布时间:2019-04-26人气:3430 次

氧(IUPAC名:Oxygen)是一种化学元素,符号为O,原子序为8,在元素周期表中属于氧族。氧属于非金属,是具有高反应性的氧化剂,能够与大部分元素以及其他化合物形成氧化物。

氧在宇宙中的总质量在所有元素中位列第三,仅居氢和氦之下。 在标准温度和压力下,两个氧原子会自然键合,形成无色无味的氧气,即双原子氧O2)。氧气是地球大气层的主要成分之一,在体积上占20.8%,仅次于氮气。 地球地壳中近一半的质量都是由氧和氧化物所组成。

氧是细胞呼吸作用中重要的元素。在生物体中,主要有机分子,如蛋白质、核酸、碳水化合物和脂肪等,还有组成动物外壳、牙齿和骨骼的无机化合物,都含有氧原子。生物体绝大部分的质量都由含氧原子的水组成。光合作用利用阳光的能量把水和二氧化碳转化为氧气。氧气的化学反应性强,容易与其他元素结合,所以大气层中的氧气成分只能通过生物的光合作用持续补充。

臭氧(O3)是氧元素的另一种同素异构体,能够较好地吸收中紫外线辐射。位于高海拔的臭氧层有助阻挡紫外线,从而保护生物圈。不过,在地表上的臭氧属于污染物,为雾霾的副产品之一。在低地球轨道高度的单原子氧足以对航天器造成腐蚀。

卡尔·威廉·舍勒于1773年或之前在乌普萨拉最早发现氧元素。约瑟夫·普利斯特里亦于1774年在威尔特郡独立发现氧,因为其成果的发表日期较舍勒早,所以一般被誉为氧的发现者。 1777年,安东万-罗伦·德·拉瓦节进行了一系列有关氧的实验,推翻了当时用于解释燃烧和腐蚀的燃素说。他也提出了氧的现用IUPAC名称「oxygen」,源自希腊语中的「ὀξύς」(oxys,尖锐,指酸)和「-γενής」(-genes,产生者)。这是因为命名之时,人们曾以为所有酸都必须含有氧。许多化学词汇都在清末由徐寿等人的翻译书籍传入中国,其中原法文元素名「oxygène」被译为「养」,后译为「氱」,最终演变为今天的中文名「氧」。

氧的应用包括暖气、内燃机、钢铁、塑料和布料的生产、金属气焊和气割、火箭推进剂、氧疗及航空器、潜艇、载人航天器和潜水所用的生命保障系统。

早期实验
费隆所做的实验启发了后世对燃烧与空气间关系的研究。

人类最早研究燃烧和空气之间的关系,可追溯至前2世纪古希腊学者拜占庭的费隆所做的实验。费隆在著作《气动学》(希腊语:πνευματικά)中写道,如果将点燃的蜡烛置于水中,再用瓶子盖住蜡烛至水面,水面就会在瓶颈内上升。

费隆错误地推论,有一部分空气经燃烧转换成火元素,因此可以经玻璃中的小孔逃逸出去。过千年以后,李安纳度·达文西在费隆的基础上又观察到,燃烧和呼吸都会消耗部分空气。

17世纪,罗拔·波义耳证明空气是燃烧过程必需的物质。约翰·梅奥进一步证明,燃烧只需要空气中的一种成分,他称之为「铜硝石之灵」(拉丁语:spiritus nitroaereus)。

在其中一个实验中,他发现把点燃的蜡烛或老鼠放在盖着水面的密封容器内,水面都会上升,而且在蜡烛熄灭或老鼠死亡时,容器内空气的四分之一容量会被水取代。

他得出的结论是,燃烧和呼吸都会消耗「铜硝石之灵」。

梅奥发现锑在燃烧之后重量有所提升,由此论证「铜硝石之灵」一定是在燃烧过程中和锑结合了。他也认为,肺脏能将「铜硝石之灵」从空气中分离出来,运送到血液之中,而动物的热量和肌肉运动都是「铜硝石之灵」与体内某些其他物质反应的结果。 梅奥在1668年《两篇论文》(拉丁语:Tractatus duo)中的〈论呼吸〉(拉丁语:De respiratione)一文中发表了这一系列实验和发现。

格奥尔格·恩斯特·斯塔尔推动了燃素说的发展和普及

罗伯特·虎克、奥勒·博克、米哈伊尔·瓦西里耶维奇·罗蒙诺索夫和皮埃尔·巴扬在17、18世纪都在实验中产生了氧气,但无一发现氧是一种化学元素。 由于有当时盛行的燃素说来解释燃烧和腐蚀过程,因此他们都没有发现氧气在这些过程中重要的作用。

炼金术士约翰·约阿希姆·贝歇尔在1667年建立燃素说,化学家格奥尔格·恩斯特·斯塔尔又于1731年对燃素说作进一步修改。 根据燃素说,所有可燃物质都由两部分组成。一部分为「燃素」,会在物质燃烧过程中释放出来。不含燃素的部分则是物质的「纯态」。 人们认为,木材、煤等可燃性高、燃烧残留物少的物质主要都由燃素所组成,铁等不可燃、会受腐蚀的物质则含有很少的燃素。空气在燃素说中并无任何作用,此学说最初也未经量化实验的验证。大部分常见物质在燃烧过程中都会变轻,所以似乎失去了某种成分,这成为了燃素说的主要观察基础。

舍勒比普利斯特里更早发现氧气,但研究结果发表得比他迟,瑞典药剂师卡尔·威廉·舍勒在1771至1772年间最早发现氧。他对氧化汞和不同硝酸盐一同加热,产生出氧气。舍勒把这种气体产物称为「火之气」,因为它能支持燃烧过程。手稿《论空气与火的化学》(德语:Chemische Abhandlung von der Luft und dem Feuer)记录了这项发现,1775年寄往出版商,1777年出版。约瑟夫·普利斯特里一般被誉为氧的发现者,1774年8月1日,英国教士约瑟夫·普利斯特里把阳光聚焦到装有氧化汞的玻璃管中,从而释放出一种气体,他将其称为「无燃素气」(英语:dephlogisticated air )。他注意到,蜡烛在这一气体中燃烧得更加旺盛,老鼠在呼吸此气时显得更加活跃,存活的时间也更长。在自己吸入「无燃素气」后,普利斯特里写道:「它在肺中的感觉和普通空气无异,但一段时间内我感到胸腔格外轻盈舒适,颇感良好。这些发现在1775年发表的论文《对空气的进一步发现》(英语:An Account of Further Discoveries in Air)中有所记载。由于普利斯特里比舍勒更早发表论文,因此常被称为氧气的最早发现者。

法国化学家安东万-罗伦·德·拉瓦节之后也声称独立发现了氧气。普利斯特里在1774年10月拜访拉瓦节时向他讲解过这项实验如何释放出某种新的气体,又于1774年9月30日致信拉瓦节,讲述他所发现的新物质。拉瓦节并未提及收到过此信。舍勒去世之后,人们在他的遗物之中发现了这封信的副本。

拉瓦节的成果

虽然拉瓦节并没有独自发现氧气,但他却是对氧化过程进行量化实验并正确解释燃烧过程的第一人。 自1774起,他利用一系列实验推翻了燃素说,又证明普利斯特里和舍勒所生成的物质是一种化学元素。

拉瓦节观察到,在密封容器中对锡和空气加热后,总重量并没有增加。在打开容器时,空气会迅速涌入。以此可推论,加热过程消耗了容器中的部分空气。他也注意到,锡的重量有所提升,且重量之差和涌入的空气之重量相同。与此类似的实验都记录在拉瓦节1777年出版的著作《燃烧总论》(法语:Sur la combustion en général)中。他证明空气是两种气体的混合物:燃烧和呼吸过程所必需的「活气」(法语:l’air vital),以及无助燃烧和呼吸的「死气」(法语:azote,取自希腊语ἄζωτον ,意为「无生命」),也就是氮气。法语等某些欧洲语言至今仍称氮气为「azote」。

1777年,拉瓦节将「活气」改名为「oxygène」,结合希腊语词根「ὀξύς」(尖锐,指酸味)和「-γενής」(产生者)。之所以词源提到酸味,是因为他误以为所有酸都必须含有氧。 尽管如此,「oxygen」已成为氧的IUPAC元素名,在国际上通用。

英国的普利斯特里比拉瓦节更早研究氧气,「oxygen」一词也受到了英国科学家的反对。不过在1791年,伊拉斯谟斯·达尔文(查理斯·达尔文的祖父)的科普诗集《植物园》(英语:The Botanic Garden)出版,其中一首名为Oxygen的诗以歌颂氧气为主题,使「oxygen」进入英语词汇之中。

后期历史
罗伯特·戈达德,身旁为液氧汽油火箭,约翰·道耳顿的原子理论主张,所有元素都是单原子物质,而在化合物中,不同元素的原子数都呈最简单的整数比。例如,道耳顿假定水的公式为HO(1个氢原子对1个氧原子),从而推论氧的原子量为氢的8倍。今天所知的实际数值约为16。 [20]1805年,约瑟夫·路易·盖-吕萨克和亚历山大·冯·洪保德证明水是由两份氢、一份氧所组成。事实上,氢气和氧气都是双原子分子。 1811年,阿莫迪欧·阿佛加德罗利用这一点,通过阿佛加德罗定律推导出水的正确成分。

19世纪末,科学家发现可以通过压缩和冷却使空气变为液体,再分离其中的各种成分。瑞士化学家、物理学家拉乌尔·皮克泰利用串级法,通过蒸发液态二氧化硫使二氧化碳液化,再通过蒸发液态二氧化碳使氧气液化。

1877年12月22日,他向法国科学院发送电报,宣布发现液氧。 两天后,法国物理学家路易·保罗·卡耶泰宣布用自己的方法,同样成功制成液氧。 两人都只产生了几滴液氧,无法进行进一步的分析。 1883年3月29日,波兰科学家齐格蒙特·弗罗布莱夫斯基和卡罗尔·奥尔谢夫斯基终于制成稳定状态下的液氧。 1891年,苏格兰化学家詹姆斯·杜瓦产生了足够的液氧做进一步研究。

1895年,德国工程师卡尔·冯·林德和英国工程师威廉·汉普森分别研发出商业可行的氧气液化过程。两者都先降低空气温度,使其液化,再用蒸馏法将不同成分逐一气化,分开捕获。

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