中学化学知识史述 第六章.酸─碱─盐 | |||
波义耳研究酸、碱的故事 酸、碱、盐是古代人们早已知道的。醋酸可以说是古代人知道最早的酸。一般食醋中的含量不过４－５％。古时的人常认为果汁中含有的酸都是醋酸，其实各种果汁所含的酸是不同的。食盐、硝、明矾、绿矾、锅灰等物质也是古代人们知道的。如１５世纪德国炼金术家费来丁（Valentine,B.）提出物质是由汞、硫、盐三种元素组成的观点，其中就有盐。关于酸、碱、盐的系统研究，则是１７世纪中叶英国化学家波义耳开始的。他发现酸碱指示剂，对酸、碱进行了识别和分类，使人们形成了酸和碱的统一概念。 有一天，波义耳的园丁把一篮美丽的紫罗兰送到书房里，当他欣赏紫罗兰的鲜艳和芳香后，随手摘了一束向实验室走去。他一边走一边沉思着，现在实验室里可能正在蒸馏矾类（重金属的硫酸盐）制取矾油（浓硫酸），不知道进行得怎样了？走到实验室把门推开，只见缕缕浓烟不断地从蒸馏器流到玻璃接受器。象往常一样他每天照例要检查实验人员的工作，这时候顺手把紫罗兰放在桌上，然后去倾注硫酸。一下子刺激性的硫酸蒸汽从瓶口冒出，很快漫延到桌子的周围。蒸馏完毕后，他拿起紫罗兰准备回到书房。这时他发现紫罗兰也在微微冒烟，因为酸沫溅在上面去了。他想应该把这些酸沫洗掉否则紫罗兰会遭到腐蚀，于是把花放在水盆里浸洗，自己坐在窗前。过了一会儿发现盆子中出现奇迹！这些紫罗兰竟然变成了红。波义耳把书本扔到一边，立刻拿起花篮回到实验室。要求实验员准备几个杯子，在每个杯子中装一种酸并注入一些水，然后他把紫罗兰分成若干小束分别放入各种酸溶液中。他静静地注意观察着，发现花朵的紫蓝逐渐变成浅红，过了一会儿全部变成红了。 波义耳认为这种现象十分有意义，他根据许多种已知酸使紫罗兰变成红的事、实，概括出这样的规律：不仅盐酸、硫酸能使紫罗兰变成红，其它的所有酸也同样可以把紫罗兰从蓝转变成红，其它的所有酸也同样可以把紫罗兰从蓝转变成红。他认为这是一个很重要的发现，以后只需要把紫罗兰的花瓣放进一种溶液中能轻而易举地确定它是是不酸性。他们用水或酒精分别制取紫罗兰的不浸液或酒精浸液作为检查酸的溶液，比直接用紫罗兰花朵方便得多。 科学研究往往有这样一类现象，由一种事物或理论的发现，而引起了对其它事物或理论的发现。波义耳研究各种酸对紫罗兰的作用，从而联想到，紫罗兰对碱溶液是不是也有某种特殊的反应呢？是不是还有其它的有植物，比紫罗兰的效果更好呢？如果要解决这个问题，也只有用实验室来回答。不畏疲劳、善于深思的波义耳为了寻求科学真理，进一步研究了有关鉴别酸、碱溶液的方法。他发现不仅紫罗兰、玫瑰花等或它们的浸液可以鉴别酸、碱溶液，其它不少的药草、地衣、有树皮和植物的根都具有区别酸、碱溶液的作用。其中以石蕊的效果最后，遇酸变红，遇碱变蓝。他们不仅把石蕊制成浸液，而且用浸液把纸浸透、烤干，制成石蕊纸。 他把能区别酸、碱的这些药剂，称为酸碱指示剂，用石蕊制成的纸，称为石蕊试纸。把这种纸片放进被检验的溶液中，只要纸片改变了颜，就能证明这种溶液是酸性还是碱性的。不仅用酸碱指示剂可以区分出酸、碱，而且根据变的程度可以粗略地反映出酸、碱的程度。 波义耳还指出，酸除了具有酸味、能使指示剂变外，还是一种强有力的溶剂；碱除了能使指示剂变外，具有滑腻感和除垢的性质，它能溶解油类和硫磺，还具有与酸对抗和破坏酸的能力。波义耳驳斥了当时流行的一种酸碱论，即德国化学家塔亨尼乌斯（Tachenius,1620-1690）等人的观点，他们简化生命过程的化学现象，把生命机体中发生的化学反应都归结为酸碱反应，因此他们认为所有的物质不是酸就是碱。波义耳指出，物质可以分为三类：除了酸碱外，还有盐。波义耳的观点虽然也不很全面，却较其它的分类方法合理得多。 | |||
中学化学知识史述 第五章.溶液 | |||
溶液的早期认识 人类应用溶液的历史是很悠久的，可以说自有人类以来就有溶液的作用。为什么这样说呢？因为天然水就是溶液，植物和动物体内的液体也都是溶液。在古代，有关酱、醋、酒之类的东西，都属于溶液。尤其是在制盐的过程中，无论是海盐或井盐都要先尝试盐水的浓度以确定其开采价值。据有关记载，在４、５世纪时，希腊炼金术士辛内索（Synesios）制作了一种比重计，以测量酒、醋、牛奶、蜂蜜等水溶液的比重。到了６世纪，已经有了和我们现在所用的基本相同的比重计。１１世纪初阿拉伯人比鲁尼（al－Biruni）对当时一系列液体和金属盐溶液所测得的比、重数据，已经相当准确了。 到了１６世纪，化学发展进入了所谓医药化学时期，由于化学家摆脱了中世纪炼金术家的一些神秘观念的束博，化学研究与人们的生活发生了紧密的关系，因而有了较大的发展。在这个时期有很多人从事矿泉水的研究。由于各地的矿泉水的药理性能非常复杂，困而对它的研究也就促进了有关溶液的分析研究。于是对溶液中各种定性反应的认识也就逐渐的多起来。在此以前一些研究者只是简单地把一定量水蒸发干，称出残渣的重量，计算出矿泉水中溶解物质的比例。到１６世纪中叶，动物迷语 人们则进一步根据盐类的特征晶形，从溶液中使盐结晶出来加以识别。例如，德国医生李巴维（Libarius,A.1540-1616）在１５９７年曾指出：确定水中深质的品种，可将水样蒸发浓缩，在其中悬一稻草或棉线，让溶质在它的上面结晶出来，从结晶的形状可以判断它是明矾还是硝石。可见在这个时期人们已经掌握了溶解和结晶的方法。 关于利用化学试剂对水深液进行定性检验，大概在公元初就开始了。古罗马的普里尼曾介绍过用五倍子浸液检验胆矾溶液中的铁。后来李巴维便利用这个反应来检验矿泉水中的铁。他还发现铜盐溶液与氨作用时显现翠蓝，因而可以用胆矾溶液检验水中的氨。１７世纪荷兰医生埃享尼乌斯（Tachenius,O.1620-1690）系统地研究了五倍子浸液与各种金属盐溶液的反应。他曾用它来检验尿中的铁，以研究铁的排泄途径。他还用苏打溶液检验驱蛔药水中污染的物质铜。医生高克尔（Gockel,约１７世纪）曾采用硫酸检验葡萄从贮器上污染的有毒物质。 英国化学家波义耳依靠前人的实践经验和自己的钻研，把当时的溶液检验提高到一个新的水平。他编写了一本关于矿泉水的专著《矿泉的博物学观察》，相当全面地总结了当时已知的关于水溶液的各种检验方法和化学反应。他研究制取五倍子浸液时发现，这种浸液滴入铁盐溶液，会使溶液变黑。他认为这种变化可以检验铁的存在。又由于这种溶液可以当作墨水用，于是他研究了制备的方法，确定了配方。后来人们沿用这个配方生产高质量的墨水几乎达一个世纪之久。他还研究了在硝酸银溶液里滴入盐酸，而生产白的“月牙”（氯化银）沉淀的化学反应。并观察到这种沉淀在开口的容器里会逐渐变成黑。他认为这种方法可以确证在所检验的物质里是否有银存在。后来由于氯元素的发现，这个反应便成为检验氯的特效反应了。他还研究了沉淀作用的过程，解释了沉淀产生的原因。因为在当时化学界流行的一种观点，认为当两种物质在溶液里相遇，彼此之间若有“厌恶感”便会发生沉淀反应，并以某种酸性物质在碱性物质作用下发生沉淀反应为例证。波义耳不同意这种观点，认为这种理论实际上是赋予物质以神秘的性质。他指出不仅锅灰（碳酸钾）能从酸中沉淀出某种溶解的物质，而且“中性的硝酸银可自王水中沉淀出盐酸”；“硫酸可从醋中沉淀出珊瑚粉（钙质）。”他特别注意沉淀作用中量的变化，指出：更加普遍的情况是“在沉淀过程中，溶解的金属与一部分沉淀剂发生了结合，因此沉淀的重量常常超过原来溶解的金属的重量”。这种见解在当时显然是很先进的。波义耳对溶液中化学反应的研究，为分析化学的发展奠定了基础。 溶液的研究与分析化学的发展 到１７世纪，在溶液研究中的不少化学反应，都为分析化学所应用，以确定物质中的一些组成元素 。如德国化学家格劳贝尔（Glanber,J.R.1604-1668）发现氯化银能溶于氨水 ；德国化学家霍夫曼（Hoffman,F.1660-1743）曾提出以氯化铵检查碱质，以硫酸检查钙质，以硝酸银检查水中的岩盐。这时人们除了应用盐酸、硫酸与当时已知的金属盐之间的反应外，还进一步开展了研究碱类与盐溶液之间的反应。虽然与１６世纪比较有较大的进展，但研究的范围还是比较小的，而且都是一些孤立的、个别的检查方法。到１８世纪，情况就不同了。德国化学家马格拉夫（Marggraf,S.A.1709-1782）继承前人的工作，并在此基础上系统地研究了以碱溶液和氨水处理金属盐溶液的问题。在当时人们还不能区分碳酸钾和碳酸钠，因而把它们笼统地叫做苛性碱。马格拉夫却仔细地研究了植物碱（指草木灰、碳酸钾）与矿物碱（指碳酸钠）的区别，１７６２年他系统地对比了这两种碱生成钠盐和钾盐的晶形、潮解性和溶解度等性质，并用火焰反应证明它们是两种元素形成的碱，（因为在当时钠和钾两种元素还未发现，究竟是什么元素仍不知道。）以后火焰反应便成为检验钠盐和钾盐的手段了。此外马格拉夫还首先利用显微镜来鉴别物质。如１７４７年，他用显微镜确认了甜菜糖和蔗糖是同一种物质。１７５６年，他用显微镜观察各种铂盐的晶体，深入研究了许多铂化物的性质。其他如瑞典化学家波兰特（Brant,L）研究了钴盐的反应和氧化砷的反应 ，并系统地总结了各种金属的盐酸溶液对氨水的作用。他还发现硼砂的酒精溶液燃烧时呈现出美丽的绿火焰，并制定了检查硼的特效反应。 到１８世纪后半叶，在欧洲由于采矿业、冶金工业的发展，分析化学的主要研究对象已不是矿泉水或某些盐溶液的检验，而是对矿石和岩石成分的分析了。一方面，由于在矿石和岩石中存在着微量或小量组分没有适合的检验方法而往往被忽略掉；另一方面，由于事先没有周密的、全面地定性检验，即使是很有经验的分析化学家也往往出现错误，因而亟需发展分析化学的研究。到１９世纪，新发现的元素如雨后春笋地出现，其中相当多的是稀有元素，虽然它们在矿物中一般含量极微，但由于工业和技术的发展，逐渐引起人们对矿物中的这些少量组分的注意和应用。 在这种情况下，便使人们对金属与试剂之间的反应进行了系统的研究。 德国化学家汉希立（Heinrich,P.C.1773-1852）为了使溶液定性检验的方法简单化和减少分析的盲目性，他提出了一套简单的分析程序。他认为：“被检验的物质可以先溶解在一个强有力的溶剂中，根据该物质在溶解过程所表现出的特性，可以引起一些重要的启示和结论。”他还指出，对所得的溶液要先以几个基本试剂加以初步检验，而所选用的试剂应该是分别能够与溶液中某组元素产生特征反应的。这样可以知道在溶液中是不是有某组元素存在，然后有针对性的检验某些元素，以加强检验的目的性，从而使检验的任务简单化。被他用来分组的试剂有：硫化氢水、硫化铵、黄血盐、碳酸铵、氨水、苛性碱和草酸钾等。 汉立斯的著作出版之后不久，１８２９年，德国化学家罗塞（Rose,H.1795-1864）首先明确地提出并制订了系统定性分析法。其分析程序为： ⒈首先把盐酸加到溶液中，如果有低汞、银和大量铅存在时，会有沉淀发生。性格用英语怎么说 ⒉然后将硫化氢充入微酸性１的滤液中。所得沉淀（称硫化氢组沉淀）再用氨性硫化铵处理，这样可将沉淀中可能存在的金、锑、锡和砷再溶解。而用硫化铵处理后的沉淀残渣中，则可能含有镉、铅、铋、铜、银和汞的硫化物。 ⒊向分出了硫化氢组沉淀后的滤液中加入硫化铵，这时候铁、钴、锌、猛和铝则被沉淀（称硫化铵组沉淀）。 ⒋向分出硫化铵组沉淀后的滤液中加入碳酸铵，可沉淀出钡、锶和钙。 ⒌分出碳酸铵组沉淀后，可加入磷酸钠溶液以沉淀出镁，钾可用氯化铂检验。 罗塞的系统分析，后来经德国化学家伏罗森纽斯（Frensenius,C.R.1818-1897）和美国化学家诺艾斯（Noyes,A.A.）进一步精细研究和修改，使系统定性分析臻于完善，一直沿用到２０世纪。系统定性分析法在１９世纪，为矿物学的研究和地质普查工作以及冶金工业的发展，曾作出了积极的贡献，对于化学工作者来说是一个有效的工具。 阿累尼乌斯建立电离理论的争论 自１７９９年意大利物理学家伏打发明电池以后，英国化学家尼柯尔森（Nic-holson,W.1753-1815）和卡里斯尔（Carlisle,A.1768-1840）最先发现溶液具有导电性。他们把两根铂丝的一端放在不很纯的水中，而把两根铂丝的另一端连接电池的两极，发现两极上都有气体出现，据检验负极上是氢气，正级上是氧气。这是他们在１８００年发表的实验结果。接着，他们电解酸、碱、盐溶液，也得到同样的结果。人们感到奇怪的是，为什么氢气和氧气会出现在不同的电极。后来，英国化学家法拉第（Faraday,M.1791-1867）将分解前的物质称为电解质 ，把电流进入溶液的极叫做阳级，把电流从溶液出来的极叫做阴极。他认为，在溶液中电流是由带电荷的分解物运送前进的。他把这样的运输物叫做离子。意思是说这种物质是用电经分解出来的。其中带正电荷向阴极移动的离子叫做阳离子；带负电荷向阳极移动的离子叫做阴离子 。其他如法国化学家希托夫（Hittorf,J.W.1824-1914）和柯尔劳希（Kohlrausch,F.W.1840-1910）都研究过离子在溶液中的迁移，但他们也都认为离子是通电流后产生的。在众多的电解质导电的研究者中，只有英国化学家威廉逊（Willianson,A.W.1824-1904）和德国化学家克劳胥斯（Clausius,R.J.E.1822-1888）认为，电解质的分子与形成它们的原子之间存在着动态平衡，电解质分子与邻近分子之间不断地交换原子，因此分子的离解和原子的化合永远在连续不断地进行着。但是，他们又认为这些离解出来的原子只能在很短的时间内存在，即他们只相信电解质只有极小的离解度，认为在常温下溶液中的分子不可能大量的离解。 瑞典化学家阿累尼乌斯（Arrhenius,S.1859-1927） 从１８８２年秋开始对溶液的导电性进行了一系列的测量，直到次年才结束。他把实验的结果通过整理、概括、计算又花了几个月时间。同时，他还查阅了学术刊物中与这个问题有关的论文，对有关数据都作了比较，探索各种物质意想不到的现象和解释。最使他惊奇的是氨的性质。这种物质在气体状态时是不导电的，而它的水溶液却是导体，溶液越稀，导电性越好。阿累尼乌斯查明卤酸也都有类似的性质。为什么会出现这样的现象呢？到１８８３年５月阿累尼乌斯才根据实验作出这样的结论：溶液稀释时，导电性增加的原因是水。 阿累尼乌斯兴致勃勃地把他的新理论向化学家克利夫 （Cleve,P.T.1840-1905）介绍：要解释电解质水溶液在稀释时导电性的增加，必须假定电解质在溶液中具有两种不同的形态。即非活动性的分子形态和活动性的离子形态。实际上，稀释时电解质的部分分子分解为离子，这是活性的形态；而另一部分则不变，这是非活性的形态。因为当时代学家一般都认为溶液中的离子是通入电流后产生的。所以当克利夫听到阿累尼乌斯的解释，毫不掩饰他的不满，说阿累尼乌斯的论点纯粹是胡说八道。阿累尼乌斯又重申了他的看法，克利夫却尖刻地冷笑地说：“这是蛮好的理论嘛！”阿累尼乌斯本想获得克利夫的认可和支持，没想到是这样的结果。 阿累尼乌斯肯定那些认为通电流后电解质才离解的看法是错误的，深信自己的解释是正确的。因而他对克利夫的挖苦丝毫没有使他丧失信心。于是他又到医学院去研究化学的生理学教授汉马尔斯腾（Hammerstein.A.1841-1932） 。汉马尔斯腾怀着极大的兴趣听了阿累尼乌斯的介绍。他发现这种见解非常独特，而且是对现象的合理解释，建议他继续研究。阿累尼乌斯决定对他的想法进行理论上的概括，并准备写成论文发表。他把第一篇题名为《电解质的导电率研究》，第二篇题名为《电解质的化学理论》。这两篇论文于１８８４年６月经斯德哥尔摩科学院讨论后推荐发表。阿累尼乌斯渴望留在乌普萨拉工作，把两篇论文的校样作为学位论文向大学提出。学术委员会接受了这两篇论文，并指定在１８８４年５月进行答辨。阿累尼乌斯获得委员会的赞许，答辨得很好。但克利夫教授仍然不同意他的理论。他认为：“纯粹是空想，我不能想象，比如，氯化钾怎样会在水中分解为离子。钾在水中单独存在可能吗？任何一个小学生都知道，钾遇水就会产生强烈的反应，同时形成氢氧化钾和氢气。可是氯呢？它的水溶液是淡绿的，又有剧毒，而氯化钾溶液则是无的，完全无毒。” 钰字女孩最佳组合名字 答辩进行得很强烈，特别费力的是同克利夫教授的辩论。当时，不同意关于在分子、原子和离子之间存在着本质的差别。阿累尼乌斯竭力证明，在溶液中，特别是在氯化钾溶液中，存在的不是钾原子和氯分子，而是两种元素的离子。钾离子不同于中性的钾原子，它带阳电荷。因此，性质上与中性原子不同。氯离子带阴电荷，不同于中性的双原子的氯分子，而完全具有另一种性质。 喜出望外的意思 虽然溶液中离子的形成不决定于电流的想法，威廉逊、克劳胥斯等化学家早已提出过，但仅仅是一种没有验证的假设。阿累尼乌斯不但论述得很明确而且通过实验证明了这个假设的正确性。他甚至还计算出，在氯化氢的溶液中，有９２％的溶质处于活性形态，也就是说大部分溶质分解为离子了。这些结果也为其他科学家所证实 。例如，德国化学家奥斯特瓦尔德（Ostwald,W.1853-1932）虽不是研究电离过程的，可是，他在研究盐酸的催化作用时却查明，它的总量中只有９８％对过程起加速作用。这一数值与阿累尼乌斯计算出来的数值是接近的。用硫酸进行试验时，也得到相似结果。根据奥斯特瓦尔德的意见，由于硫酸的浓度不同，起催化作用的硫酸可以由５０％到９０％，而阿累尼乌斯查明的数值则是４７．６％到８５％。尽管阿累尼乌斯搜集了大量的实验材料，以及无可辩驳的证据，但是，由于委员会支持克利夫等人的意见。对论文答辨还是给以第三级评语。 阿累尼乌斯论文答辨以后。更加坚信自己的理论是正确的。次日，他把自己的两篇论文分别寄给欧洲最著名的研究溶液的科学家克劳胥斯、范霍夫（van't Hoff,J.H.1852-1911） ，万尔（Meyer,J.L.1830-1895），奥斯特瓦尔德，获得四位化学家的赞扬和肯定。其中奥斯特瓦尔德专程与他讨论。 阿累尼乌斯进一步研究认为，在电解中两极间的电位差只起指导离子运动方向的作用，并没有分解分子；相同当量的离子，不管溶质是什么，都带有同量的电荷，因而在两极沉淀物的当量是相同的，这与法拉第的认识是一致的。这个理论还解释了各种溶液中的反应热。例如稀释的强酸和强碱的中和热，不管它们是什么，都是相同的。这是因为在强酸和强碱之间的反应都是氢离子和氢氧根离子结合成水分子的反应，中和热都相同。其它溶液中的反应热都可以从电离理论得到解释。分析化学反应中的许多现象，如沉淀、水解、缓冲作用、酸和碱的强度以及指示剂的变等也都可以从电离理论得到合理的解释。 阿累尼乌斯由于提出了电离学说，于１９０３年荣获了诺贝尔化学奖。阿累尼乌斯的电离理论为物理化学的发展开创了新阶段，同时也促进了整个化学的进步。 甚至归初反对过电离理论的克利夫，也在阿累尼乌斯获得诺贝尔奖后认为：“这一新的理论是在困难中成长起来的。那时化学家不认为它是一种化学理论，物理学家也不认为它是一种物理学理论 。但是 ，这种理论却在化学与物理学之间架起了一座桥梁。”克利夫还认为阿累尼乌斯与贝采里乌斯是瑞典的骄傲。他在纪念贝采尼乌斯的讲演会上说：“从贝采里乌斯肩上卸下的斗篷，现在已经由阿累尼乌斯戴上了。” | |||
中学化学知识史述 第四章.碳 | |||
人类对碳的认识 碳在地球上的含量比较起来不算多，大概占地壳重量的１％，可是它在自然界所起的作用却非常重要，可以说没有碳就没有生命，所以人们也常说它是一切生命的基础。碳在自然界有三种不同的形态：一种是闪烁着各光芒的金刚石，一种是灰黑的石墨，一种是黑褐的煤炭。 一、古代对煤的利用 在三种碳中，煤自古以来就是重要的燃料。在世界上中国人用煤最早，有悠久的历史。从文献记载和考古发掘来看，至迟在汉代就已用煤了。《汉书·地理志》说：“豫章郡出石，可燃为薪。”豫章郡在今江西省南昌附近，这里所说的可燃为薪的石头，其实就是煤。可见这时煤已用于众的日常生活。新中国成立以后的考古证实：山东平陵汉初的冶铁遗址中发现了煤，河南巩县铁生沟汉代冶铁遗址发现了煤块、煤饼和煤渣；１９７５年河南郑州古来镇西汉中晚期至东汉的冶铁遗址中，再次发现加工过的煤饼。文献上明确记载用煤炼铁见于北魏地理学家郦道元的《水经注·河上》中说“屈茨（今新疆库车县）北二百里有山，夜则火光，昼日但烟，人取此山石炭，冶此山铁，恒充三十六国用。”这说明至迟在魏晋时期我国已用煤炼铁。用煤炼铁是冶炼技术上的重大进步，因为煤比木炭的火力强而持久，可以得到更高的温度。欧洲人用煤的历史比我国晚得多。在元朝来我国工作的意大利人马可孛罗，回国后所写的一部《游记》中描写中国有一块黑石头，象木柴一样能够燃烧，火力比木柴强，从晚上燃到第二天早上还不熄灭。价钱比木柴便宜，于是欧洲人把煤当作奇闻来传颂。他们到１８世纪才开始炼焦，比中国晚了５００多年。 二、金刚石和石墨的本来面目 金刚石是一种天然矿石，常见的是无的或略带颜的晶体，也有极少是黑。由于金刚石的硬度极大，反光性强，是很贵重的宝石，也是极有价值的技术材料。印度自古以来就以出产金刚石著名，那里的金刚石是从沙里采来的。后来巴西、非洲和苏联也先后发现金刚石沙地。石墨也是一种天然矿石，柔软、滑腻，轻轻摩擦能留下痕迹，颜从黑到钢灰。西北利亚有著名的石墨矿床，叶尼塞河流域也有丰富的石墨矿层。虽然这种矿石人们早已知道，究竟它们是什么东西构成的，到１８世纪后期才搞清楚。 世界著名的物理学家牛顿（Newton,I.1642-1727），曾怀疑金刚石是一种可燃物质，后来有人做过实验。法国化学家马凯尔（Macquer,P.J.1718-1784）和卡德(Cadet,I.C.1731-1799)做过金刚石在空气中用高温使其燃烧的实验，但仍不明白燃烧的真象，只感到它的燃烧是很惊奇的。１７７２年化学家拉瓦锡同他们联合重做这个实验，证明金刚石如不跟空气接触，虽然加强热也不能使它燃烧。拉瓦锡决心研究金刚石燃烧后究竟变成了什么东西。他用玻璃瓶倒立在水上或汞上，瓶上装满空气或氧气，再把金刚石放在瓶中的支架上，用大聚光镜对它加热。金刚石燃烧的结果表明，无论在水上或汞上，燃烧后生成的气体都能使石灰水产生白沉淀，但用汞时瓶气体的体积不变，用水时气体体积有所减小。于是得知所生成的气体是二氧化碳，金刚石是碳素的一种结晶体，据后来的研究，金刚石只有当熔化的岩石在３０个大气压下才能结晶出来，有时候生成金刚石的压力竟高到６００００个大气压。这样大的压力只能在地下面６０－１０００公里的深处存在。岩石要从这样深的地方冒出地面的可能性是很少的，所以金刚石在自然界里非常稀少。在很早以前，开采到的１颗当时最大的金刚石，叫做超级金刚石，重１９４克。１９０６年开采出的更大的１颗金刚石，叫做非洲之星，重６０５克。通常的金刚石超过２克就很稀罕，价值也很贵。 年轻的化学家舍勒，对两种物质都感兴趣：一种是软锰矿（即二氧化锰），一种是石墨。那时化学家还无法将这两种东西区别开，就笼统地把它们都叫做黑苦土。舍勒用软锰矿同盐酸作用，制得了氧气。在１７７９年，使石黑燃烧，根据实验结果证实，石黑也是由碳组成的。由于石墨同金刚石的晶形不同，虽然它们都是碳，却具有许多不同的性质。直到１８４１年化学家贝采里乌斯才提出同素异形体这个术语，说明同一种元素能够以各种不同的单质形式存在的现象。当时他发现并进行研究过的同素异形体，除碳以外还有硫和磷。 月光曲ppt 三、人造金刚石的诞生 １７７３年拉瓦锡将金刚石放在氧气中燃烧的实验之后１００多年，法国化学家莫瓦桑（Moissan,H.1852-1907）想利用氟代轻分解反应以制取金刚石，结果得到的是无定形碳。１８９０年法国化学家多布里（Daubree,G.A.1814-1896），研究含金刚石的陨石和地壳形成过程，指出金刚石必须在高温高压下形成，而且从金刚石的性质考虑，它们可能是在液体中形成的，或者至少是在柔韧的环境下形成的。１８９２年，法国化学家弗里德尔（Friedel,C.1832-1899）向法国科学院提出的报告中，介绍他从美国亚利桑那洲发现的陨石中到了许多微细的金刚石。于是莫瓦桑又研究陨石和陨铁，发现其中除含有金刚石以外，还含有石墨和无定形碳。 他还研究了南非和巴西含有金刚石的岩石，也发现了石墨，同时还发现金刚石矿物中含有铁。经过这些研究，莫瓦桑产生了这样的推论：石墨和无定形碳可以作为人造金刚石的原料；金刚石是在含铁的环境下形成的，它可能从含碳的铁中结晶出来。于是他采用这样的方法：在电炉中将石墨坩埚里的金属铁加热，使它熔化，而且使熔化的铁为碳所饱和。然后把熔化的铁倾之冷水中，含碳的铁在固化时会象水变成冰时一样发生膨胀，在迅速冷却过程中，含碳的铁总是外层金属先固化，等到内部金属开始固化时，就会在金属内部产生高压。在这种条件下，一部分碳就结晶成黑的金刚石。然后用不同的酸处理固化的铁块，除了金刚石以外，其它的物质都被溶解，最后只留下黑的金刚石。１８９３年２月６日，莫瓦桑向科学院报告了初步试验的结果，引起了各方面的轰动。第二天各种报刊都在头版用大号字体登出了莫瓦桑的名字。一进有人作了各种预言，有的人则盘算着能赚多少钱。一股人造金刚石的狂热震撼了世界。百万富翁焦急不安，因为人造金刚石一旦投入生产，就会使他们破产。而那些没有金刚石的人则梦想自己也能很快地制造出各式各样的金刚石。然而，这一切都跟实际情况有很大的距离。以后虽然改进了实验设备，摸索出不少新的方法，提高了原料的用量，但是并没有得到令人满意的结果。人造金刚石不仅颗粒小，而且泽深暗。那时有一颗最大的接近无的小晶体，其直径还不足一毫米。可是人们却把它作为最贵重的珍宝收藏在罗浮宫里，并命名为“摄政王”，使它跟宫里的那颗世界上最大的金刚石──库林南相媲美。库林南是１９０５年在南非发现的，重６２１．２克，体积为１０×５×６立方厘米。 直到１９５５年，化学家本迪（Bundy,F.P.）等用镍等金属为催化剂，使用２０００℃和７万大气压下的设备，使石墨转化为金刚石的试制成功。美国电气公司于１９５７年、瑞典通用电气公司于１９６２年投入工业生产。此后，美国通用电气公司应用晶种的触媒法，以金刚石粉为碳源溶解于熔融金属铁镍之中，借助反应室中适当的温度梯度，把碳输送到高压釜反应室中温度较低处的金刚石晶种上，并在晶种上沉积出晶层。这种方法在大约６万大气压和１５００℃温度下，几天之内长出０．２克左右的宝石级优质人造金刚石。在７０年代，有采用爆炸法生产金刚石。这种方法是利用ＴＮＴ和等引爆后产生强烈的冲击波和在几微秒的瞬间产生的几十万大气压及高温使石墨转化为金刚石。此外还有气相法、液向外延生长法、气相固相外延生长法、常压高温生产金刚石的。由于天然金刚石不能满足工矿业的需要，人造金刚石的世界年产量逐年都在增长。据统计，１９６７年为２．４吨，１９６８年为４．４吨，１９６９年已达到６．０吨。 碳素旅游的意义 地质史上有过这样的时代，那时火山十分活跃，把大量的二氧化碳喷到大气里；还有这样的时代，把生长得非常茂盛的植物整批地翻压到地壳里，使他们重新变成碳。我们知道现在的活火山，还是继续在喷出二氧化碳。二氧化碳喷出地面以后，就开始发挥它的作用而成为许多化学变化的重要因素。二氧化碳破坏火层岩、腐蚀金属，跟钙、镁化合而形成石灰岩和白云岩。江、湖、海、洋等贮水的地方都含有大量的碳酸盐，有些生物就利用碳酸盐来构成躯体的外壳、如蚌、螺之类的生物，珊瑚虫还利用碳酸盐来构成坚硬的躯体。 我们不能低估二氧化碳在地面上所起的作用，因为这类变化不但影响着地面的气候。而且影响着生物在进化过程中的演变。如果说地球上没有碳参与变化，那就不会有一片绿叶、一棵树、一根草，没有植物也就不会有动物。那样的地球只能是光秃秃的岩石，死寂的沙漠，荒凉的大地。同时也不可能在石灰岩和大理岩，不可能有石油和煤了。既然没有二氧化碳地球上的气候也一定要冷些，因为大气里的二氧化碳能帮助吸收太阳的光能。没有二氧化碳，地球上的水也会变死寂。 青春的味道 碳的化学性质非常特别，在所有的化学元素里只有碳能够跟氧、氢、氮、磷和其它多种元素生成非常多的有机化合物。如蛋白质、脂肪、糖类、维生素等许多种别的化合物。这些化合物都存在于生物体的组织和细胞里。由于碳能生成无数多的化合物，结果就产生出各种各样、品种繁多的动植物。人们先从动植物组织里分析出糖、淀粉、脂肪一类的化合物。后来认识蛋白质和维生素等。在此过程中也逐渐创造了合成这些物质的方法。现在已知的有机化合物约６００多万种。由于生物体在生长、发育和繁殖过程中，都需要摄取养料，所以有大量的碳参加了生物的活动。动物呼吸要呼出很多二氧化碳。例如，人的肺泡的总面积大约有５０平方公尺，平均每昼夜呼出１公斤多的二氧化碳。全人类每年呼出的二氧化碳在１０亿吨以上。此外地底下的石灰岩、白垩岩、大理岩等，也在不断地被人利用而分解出二氧化碳。空气里的二氧化碳有一部分溶解在水里，植物的机体便从空气和水里摄取二氧化碳。水里的二氧化碳含量减少，空气里的二氧化碳就会随时进行补充。海洋的广大水面就象一个巨大的吸筒，可以不断地把二氧化碳吸收进去。 植物吸收二氧化碳，是二氧化碳在生物体内循环的第一步。其过程就是绿植物的叶子，在光的照射下吸收二氧化碳，把它变成复杂的有机化合物。由于光合作用，地球上的植物也需要很多的二氧化碳。但空气里的二氧化碳含量不会减少，因为水里和动物的组织里都不断分解出二氧化碳补充到碳又进入了动物体。生物体是会死掉的。死掉的生物体组织就在江、湖、海、洋的底部沉积起来，大量的变成泥炭。残余的生物体受到水的作用而逐渐发酵腐烂，放出二氧化碳。死掉的生物体里最能坚持不变的植物纤维素、植物的木质便埋在厚层的沙和粘土底下。纤维素和木质受到热和压的作用，并经过复杂的化学变化，在适当的条件下而逐渐变成煤或石油。如果我们用显微镜一看，就可以看到烟煤、褐煤都有植物纤维的痕迹，表明都是由植物变成的。在每两层之间有的地方还有叶子、胞子和种子的痕迹。由此可知这些煤块里的碳，都是二氧化碳里的碳，通过植物的光合作用而聚集起来的。年代很久很久的石灰岩受到压力的作用变成了大理岩。在大理岩里有机体的任何微小痕迹都不见了，其中的碳可以说长期停止了旅游。除非大理岩附近发生了地球的造山运动或火山爆发，大理岩才会受热分解，把二氧化碳释放出来再参与碳素的旅游。 地球上的各种化学变化都永远不停变化着，大自然本身也在不断的变化过程中发展着。 | |||
中学化学知识史述
第三章.氢─原子结构的初步知识
氢的发现和氢的性质研究
在化学史上，人们把氢元素的发现与“发现和证明了水是氢和氯的化合物而非元素”这两项重大成就，主要归功于英国化学家和物理学家卡文迪许（Cavendish,H.1731-1810）。
一、１８世纪的英国化学家卡文迪许
卡文迪许是一位百万富翁，但他生活十分朴素，用自己的钱在家里建立了一座规模相当大的实验室，一生从事于科学研究。曾有科学史家说：卡文迪许“是具有学问的人中最富的，也是富人当中最有学问的。”他观察事物敏锐，精于实验设计，所做实验的结果都相当准确，而且研究范围很广泛，对于许多化学、力学和电学问题以及地球平均密度等问题的研究，都作出了重要发现。但他笃信燃素说，这使他在化学研究工作中走过一些弯路。他在五十年中只发表过１８篇论文，除了一篇是理论性的外，其余全是实验性和观察性的。在他逝世以后，人们才发现他写了大量很有价值的论文稿，没有公开发表。他的这些文稿是
科学研究的宝贵文献，后来分别由物理学家麦克斯韦和化学家索普整理出版。在化学史上，有一个与这些论文稿有关的有趣的故事。卡文迪许１７８５年做过一个实验，他将电火花通过寻常空气和氧气的混合体，想把其中的氮全部氧化掉，产生的二氧化氮用苛性钾吸收。实验做了三个星期，最后残留下一小气泡不能被氧化。他的实验记录保存在留下的文稿中，后面写道：“空气中的浊气不是单一的物质（氮气），还有一种不与脱燃素空气（氧）化合的浊气，总量不超过全部空气的１／１２。一百多年后，１８９２年，英国剑桥大学的物理学家瑞利（Ragleigh,L.1842-1919）测定氮的密度时，发现从空气得来的氮比从氨氧化分解产生的氮每升重０．００６４克，百思不得其解。化学家莱姆塞（Ramsay,W.1852-1916）认为来自空气的氮气里面能含有一种较重的未知气体。这时 ，化学教授杜瓦（Dewar,J.1842-1923）向他们提到剑桥大学的老前辈卡文迪许的上述实验和小气泡之迷。他们立即把卡文迪许的科学资料借来阅读，瑞利重复了卡文迪许当年的实验，很快得到了小气泡。莱姆塞设计了一个新的实验，除去空气中的水汽、碳酸气、氧和氮后，也得到了这种气体，密度比氮气大，用分光镜检查后，肯定这是一种新的元素，取名氩。这样，卡文迪许当年的工作在１８９４年元素氩的发现中起了重要作用。从这个故事可看出卡文迪许严谨的科研作风和他对化学的重大贡献。１８７１年，剑桥大学建立了
一座物理实验室，以卡文迪许的名字命名，这就是著名的卡文迪许实验室，它在几十年内，一直是世界现代物理学的一个重要研究中心。
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