中学化学知识史述酸碱盐波义耳研究酸碱的故事酸碱

2024年3月6日发(作者：感恩句子)

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色。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，

发现花朵的紫蓝色逐渐变成浅红色，过了一会儿全部变成红色了。

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色的事、实，概括出这样的规律：不仅盐酸、硫酸能使紫罗兰变成红色，其它的所有酸也同样可以把紫罗兰从蓝色转变成红色，其它的所有酸也同样可以把紫罗兰从蓝色转变成红色。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色植物，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、有色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，只要纸片改变了颜色，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，而且根据变色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、能使指示剂变色外，还是一种强有力的溶剂；碱

除了能使指示剂变色外，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，

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色，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，而生产白色的“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色。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色火焰，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（Ro,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。

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（Frennius,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找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？它的水溶液是淡绿色的，又有剧毒，而氯化钾溶液则是无色的，完全无毒。”

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。

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色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：一种是闪烁着各色光芒的金刚石，一种是灰黑色的石墨，一种是黑褐色的煤炭。

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。可见这时煤已用于群众的日常生活。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，常见的是无色的或略带颜色的晶体，也有极少是黑色。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，颜色从黑到钢灰色。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色沉淀，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。

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找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色的金刚石。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，最后只留下黑色的金刚石。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，而且色泽深暗。那时有一颗最大的接近无色的小晶体，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和黑索金等炸药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。

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。其过程就是绿色植物的叶子，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。

二、氢的发现和氢的性质的研究

在１８世纪末以前，曾经有不少人做过制取氢气的实验，所以实际上很难说是谁发现了氢，即使公认对氢的发现和研究有过很大贡献的卡文迪许本人也认为氢的发现不只是他的功劳。早在１６世纪，瑞士著名医生帕拉塞斯就描述过铁屑与酸接触时有一种气体产生；１７世纪时，比利时著名的医疗化学派学者海尔蒙

特（van Helmont,J.B.1579-1644）曾偶然接触过这种气体 ，但没有把它离析、收集起来。

波义耳虽偶然收集过这种气体，但并未进行研究。他们只知道它可燃，此外就很少了解。１７００年，法国药剂师勒梅里（Lemery,N.1645-1715）在巴黎科学院的《报告》上也提到过它。最早把氢气收集起来，并对它的性质仔细加以研究的是卡文迪许。

１７６６年卡文迪许向英国皇家学会提交了一篇研究报告《人造空气实验》，讲了他用铁、锌等与稀硫酸、稀盐酸作用制得“易燃空气”（即氢气），并用普利斯特里发明的排水集气法把它收集起来，进行研究。他发现一定量的某种金属分别与足量的各种酸作用，所产生的这种气体的量是固定的，与酸的种类、浓度都无关。他还发现氢气与空气混合后点燃会发生爆炸；又发现氢气与氧气化合生成水，从而认识到这种气体和其它已知的各种气体都不同。但是，由于他是燃素说的虔诚信徒，按照他的理解：这种气体燃烧起来这么猛烈，一定富含燃素；硫磺燃烧后成为硫酸，那么硫酸中是没有燃素的；而按照燃素说金属也是含燃素的。所以他认为这种气体是从金属中分解出来的，而不是来自酸中。他设想金属在酸中溶解时，“它们所含的燃素便释放出来，形成了这种可燃空气”。他甚至曾一度设想氢气就是燃素，这种推测很快就得以当时的一些杰出化学家舍勒、基尔万（Kirwan,R.1735-1812）等的赞同。由于把氢气充到膀胱气球中，气球便会徐徐上升，这种现象当时曾被一些燃素学说的信奉者们用来作为他们“论证”燃素具有负重量的根据。但卡文迪许究竟是一位非凡的科学家，后来他弄清楚了气球在空气中所受浮力问题，通过精确研究，证明氢气是有重量的，只是比空气轻很多。

他是这样做实验的：先把金属和装有酸的烧瓶称重，然后将金属投入酸中，用排水集气法收集氢气并测体积，再称量反应后烧瓶及内装物的总量。这样他确定了氢气的比重只是空气的９％。但这些化学家仍不肯轻易放弃旧说，鉴于氢气燃烧后会产生水，于是他们改说氢气是燃素和水的化合物。

三、水的合成否定了水是元素的错误观念

在古希腊：恩培多克勒提出，宇宙间只存在火、气、水、土四种元素，它们组成万物。从那时起直到１８世纪７０年代，人们一直认为水是一种元素。１７８１年，普利斯特里将氢气和空气放在闭口玻璃瓶中，用电火花引爆，发现瓶的内壁有露珠出现。同年卡文迪许也用不同比例的氢气与空气的混合物反复进行这项实验，确认这种露滴是纯净的水，表明氢是水的一种成分。这时氧气业已发现，卡文迪许又用纯氧代替空气进行试验，不仅证明氢和氧化合成水，而且确认大约２份体积的氢与１份体积的氧恰好化合成水（发表于１７８４年）。这些实验结果本已毫无疑义地证明了水是氢和氧的化合物，而不是一种元素，但卡文迪许却和普利斯特里一样，仍坚持认为水是一种元素，氧是失去燃素的水，氢则是含有过多燃素的水。他用下式表示“易燃空气”（氢）的燃烧：

（水＋燃素） ＋ （水－燃素）─→水

易燃空气（氢） 失燃素空气（氧）

１７８２年，拉瓦锡重复了他们的实验，并用红热的枪筒分解了水蒸汽，才明确提出正确的结论：水不是元素而是氢和氧的化合物，纠正了两千多年来把水

当做元素的错误概念。１７８７年，他把过去称作“易燃空气”的这种气体命名为“H-ydrogne”（氢），意思是“产生水的”，并确认它是一种元素。

四、氢、氧等气体液化的研究

初中化学教材在叙述氧气和氢气的性质时指出：在压强为１．０１３×＾５帕（即１个标准大气压）时，氧气在约－１８３℃（９０Ｋ）时变为淡蓝色液体，氢气在－２５２℃（２１Ｋ）时变为无色液体。人们认识到这些气体的液化温度是很不容易的，经历了一个曲折而艰巨的过程，这个过程是和低温物理的发展联系在一起的。

关于气体液化的研究始于１８世纪末。早在１７９９年，已经通过降温和压缩的方法使氨和二氧化硫液化。１８２３年，杰出的英国物理学家和化学家法拉第（Faraday,M.1791-1867）用冰冻的混合物使加压的气体降温，液化了硫化氢 、氯化氢、氯 。１８３５年，蒂洛勒尔（Thilorier）制得了大量的液态和固态的二氧化碳，并把固态二氧化碳和乙醚混合起来获得了更低的温度。但是，对于氢、氧、氮、一氧化碳这几种气体，直到１９世纪六十年代，科学家们尽管已经尝试了一切当时采用的手段（当时压力已可加到２７９０大气压），都没有能使它们液体。因此这些气体被称为“永久性气体”，这个名称一直沿用了四分之一的世纪。

１８６３年，英国物理学家安德鲁斯（Andr ews,T.1813-1885）把装有液态的和气态的二氧化碳的玻璃容器加热到８８°Ｆ（３０．９２℃）时，液体和气体之间的分界面就完全消失；当温度高于这个数值时，即使压力增大到３００或４００个大气压，也不能使二氧化碳气液化。他把这个温度称为二氧化碳的临

界温度，并设想每种气体都有自己的临界温度。在１８６９年他提出：液化“永久性气体”的失败大概是由于他们临界温度比迄今已经获得的最低温度还要低得多。只要能够实现更低的温度，它们也是可以被液化的。为此必须寻找获得更低温度的方法。

１８５２年 ，英国物理学家焦尔（Joule,J.P.1818-1889）和丹麦物理学家汤姆逊（Thomn,H.P.J.J.1826-1909）已证明 ，当非理想气体发生真空绝热膨胀时，由于要克服分子间的引力而作功，温度可能大大降低。１８７７年两个法国人分别独立地利用焦尔－汤姆逊原理制得了少量液态氧。１８７５年至１８８０年间，德国工程师林德（Linde,K.1842-1934）利用焦-汤效应，并采用循环对流冷却，制成了气体压缩式制冷机，可得到更代的温度。１８８３年奥匈帝国的乌罗布列夫斯基（von Wroblewski,S.F.1848-1888）和奥耳舍夫斯基（Olszewski,K.S.1846-1915）用林德制冷机使氧气和氮气大量液化。英国的杜瓦发明了低温液体容器──杜瓦瓶，并于１８９８年成功地实现了氢的液化，它在１大气压下的液化温度是－２５３℃。上世纪末达到的最低温度是－２５９℃。荷兰物理学家昂乃斯（Onnes,H.D.1853-1926）在１９０８年成功地实现了有重大影响的氦的液化 ，从而消除了最后一种“永久性气体”，并达到了４．３－１．１５Ｋ之间的低温。昂乃斯及其合作者还对极低温度下出现的各种现象（包括超导现象）进行了广泛的研究。昂乃斯“由于他对低温下物质性质的研究，并且制成液氮”而获得１９１３年诺贝尔物理学奖。

伏打电池和水的电解

一、伏打电池的发明

水的电解，是在历史上第一个提供稳定连续电流的电源装置──伏打电池于１８００年诞生以后才实现的。伏打电池的发明归功于两位意大利科学家。一位是解剖学家和医学教授伽伐尼（Galvani,L.1737-1798） ，一位是物理学和化学家伏打

（Volta,A.1745-1827）。

１７８０年，伽伐尼在一次解剖青蛙时有一个偶然的发现。一只已解剖的青蛙放在一个潮湿的铁案上，当解剖刀无意中触及蛙腿上外露的神经时，死蛙的腿猛烈地抽搐了一下。伽伐尼立即重复了这个实验，又观察到同样的现象。最初他以为蛙腿发生痉挛是“大气电”作用的结果。后来他以严谨的科学态度，选择各种不同的金属，例如铜和铁或铜和银，接在一起，而把另两端分别与死蛙的肌肉和神经接触，青蛙就会不停地屈伸抽动。如果用玻璃、橡胶、松香、干木头等代替金属，就不会发生这样的现象。作为解剖学家的伽伐尼脑子里总是想着肌肉和神经等，他想用动物体内有某种电来解释，但这种“动物电”的解释是含糊不清的。１７８９年他写成了论文：《关于电对肌肉运动的作用》，于１７９１年发表。

伏打读到了这篇论文后，就多次重复了伽伐尼的实验。作为物理学家，他的注意点主要集中在那两根金属上，而不在青蛙的神经上。伏打在此以前已经对电学作出不少贡献。他曾经对已有验电器进行改造，制成了一种能够测微量电荷的验电器。１７７５年，他在给普利斯特里的信中描写了一种起电盘装置。对于伽伐尼发现的蛙腿抽搐的现象，他想这可能与电有关，但是他认为青蛙的肌肉和神

经中是不存在电的，他推想电的流动可能是由两种不同的金属相互接触产生的，与金属是否接触活动的或死的动物无关。伏打用自己设计的精密验电器，对各种金属进行了许多实验。这些实验证明，只要在两种金属片中间隔以用盐水或碱水浸过的（甚至只要是湿和）硬纸、麻布、皮革或其它海绵状的东西（他认为这是使实验成功所必须的），并用金属线把两个金属片连接起来，不管有没有青蛙的肌肉，都会有电流通过。这就说明电并不是从蛙的组织中产生的，蛙腿的作用只不过相当于一个非常灵敏的验电器而已。

在１７９６年的一封信中，伏打把金属（以及黄铁矿等某些矿石和木炭）称为第二类导体或干导体，把盐、碱、酸等的溶液称为第二类导体或湿导体。他指出：把第一类导体与第二类导体相接触，“就会引起电的扰动，产生电运动；至于这个现象的原因，目前还不清楚，只能认为是一般的特性”。

伏打用了三年的时间，用把各种金属两两搭配进行实验的方法，研究两种金属接触产生电的现象。他发现，一种金属与某一种金属接触时带正电，它与另一种金属接触时则可能带负电。例如，锌和铜接触时锌带正电，铜带负电；但铜若与金或银接触，则铜带正电，金、银带负电。伏打以大量的实验为基础，发现了如下的金属起电顺序：

锌－铜－锡－铁－铜－银－金－石墨－木炭

在序列中任何两种相接触，都是位序在前的一种带正电，后面的一种带负电。

这就是著名的伏打序列。

伏打将两块不同的第一类导体与浸有第二类导体溶液的湿布接触，再用导线将这两块第一类导体连接起来，成一回路，便得到虽然微弱但很稳定的电流。他把这个位置叫做伽伐尼电池。当把若干个这种电池串接起来时，就能得到较强的电流。

例如，他把许多对（４０对、６０对）圆形的铜片和锌片相间地叠起来，每一对铜锌片之间放上一块用盐水侵湿的麻布片。这时只要用两条金属线各与顶面上的锌片和底面上的铜片焊接起来，则两金属端点就会产生几伏的电压。如果把铜片换成银片，则效果更好。金属片对数越多。电力越强。这样产生的电流不仅相当强，而且非常稳定，可供人们研究和利用。后来人们对伏打发明的这种电源装置叫做“伏打电堆”。１８００年，伏打给英国皇家学会写信，报告了他的电堆试验。从此以后，电学的研究便活跃起来了。

不久，伏打发现当两种金属片之间的湿布慢慢干燥了的时候，电堆产生的电流就渐趋微弱。于是他改用许多杯子，杯子都盛有盐水或稀酸，每个杯中插入一对锌和铜片，然后用金属线把每个杯中的锌片和另一杯中的铜处焊接起来，便得到经久耐用、电流更强的电池。这种装置称为“杯冕”。这就是历史上第一具实用电池。

伏打电池的出现，是一项重大发明，它使人们第一次获得了比较强的稳定而持续的电流。为科学家们从对静电的研究转入对动电的研究创造了物质条件，导致了电化学、电磁联系等一系列重大的科学发现，加深了人们对光、热、电磁、化学变化之间的关系的认识。伏打电池的发现还开辟了电力应用的广阔道路，由于它的诞生，１９世纪的第一年成了电气时代文明生活的开端。

二、水的电解

在电化学发展中上的第一个发明是利用电流分解水。１８００年３月，英国伦敦皇家学会会长接到伏打关于发明了电堆的信件后，便把这封信给了他的好朋友，英国化学家尼科尔森（Nicholson,W.1753-1815）和卡里斯尔（Carlisle,A.1768-1840），并在皇家学会上公开宣读了 。尼科尔森和卡里斯特尔立即着手利用伏打电池进行施电流于水的试验 。他们的电堆是利用３６枚英国半克朗（Crown）银币及一些锌片和硬纸片，用白金箔和丝做电极和导线。当电极导一和电堆两极接触时，两极上都有气体逸出，他们用排水集气法加以收集。这样电解了１３小时，他们才得到１．１立方时的气体。与电堆负极相连的铂电极上产生的气体的体积恰为另一铂电极上逸出气体的二倍。经鉴定，证明这两种气体分别是氢气与氧气，它们的体积比和氢气、氧气合成水时一致。他们的文章《利用电池电解水》１８００年发表后，这一消息立即轰动了科学界。水的电解和氢、氧化合成水，这两个科学事实完全证实了水是氢和氧的化合物的正确论断，在化学史上有重要意义。

在１８００年以后几年内，化学家们利用伏打电堆研究了许多电化学问题，如电解水时水中为什么产生出酸和碱，一些金属盐类水溶液电解时产生的现象及其原因等 ；英国化学家戴维（Davy,H.1778-1829）并于1807-1808年通过电解法发现了元素钾、钠、钙、锶、钡和镁。由此可见，伏打电池的发明（以及电解水的成功）对于化学的发展确实具有深远的重要意义。

Ｘ射线和放射性的发现

一、Ｘ射线的发现

Ｘ射线是１８９５年德国物理学家伦琴（Rontgen W.K.1845-1923）发现的 。１８９５年１１月８日晚，伦琴为了进一步研究阴极射线的性质，他用黑色薄纸板把一个克鲁克斯管严密地套封起来，在完全暗的室内做实验。在接上高压电流进行实验中，他意外地发现在放电管一米以外的一个荧光屏（涂有荧光物质铂氰化钡的纸屏）上发生亮的光辉。一切断电源，荧光就立即消失。这个现象使他非常惊奇，于是全神贯注地重复做实验。他发现即使在跷仪器二米处，屏上仍有荧光出现。伦琴确信，这个新奇现象不是阴极射线造成的，因为实验已证明阴极射线只能在空气中进行几厘米，而且不能透过玻璃管。他决定继续对这个新发现进行全面检验。一连六个星期都在实验里废寝忘食地工作着。经过反复实验，他确信发现了一种过去未被人们所知的具有许多特性的新射线。这种射线的本质一时还不清楚，所以他取名为“Ｘ射线”（后来科学界称之为伦琴射线）。他在１２月下旬写的论文中说明了初步发现的Ｘ射线的如下性质：（１）阴极射线打在固体表面上便会产生Ｘ射线；固体元素越重，产生的Ｘ射线越强。（２）Ｘ射线是直线传播的，在通过棱镜时不发生反射和折射，不被透镜聚焦。（３）与阴极射线不同，不能借助磁体（即使磁场很强）使Ｘ射线发生任何偏转。（４）Ｘ射线能使荧光物质发出荧光。（５）它能使照相底片感光，而且很敏感。（６）Ｘ射线具有很强的贯穿能力，比阴极射线强得多。它可以穿透射线具有很强的贯穿能力，比阴极射线强得多。它可以穿透千页的书，二、三厘米厚的木板，几厘米的硬橡皮等。１５毫米厚的铝板，不太厚的铜板、银板、金板、铂板和铅板的背后，都可以辨别荧光。只有铅等少数物质对它有较强的吸收作用，对１．５毫米厚的铅板它实际上不能透过。伦琴一次检验铅对Ｘ射线的吸收能力时，意外地看

到了他自己拿铅片的手的骨髂轮廓。于是他请他的夫人把手放在用黑纸包严的照相底片上，用Ｘ射线照射，底片显影后，看到伦琴夫人的手骨像，手指上的结婚戒指也非常清晰，这成了一张有历史意义的照片。

１８９６年元旦，伦琴将他的论文和第一批Ｘ射线照片复制件分送给一些著名物理学家。几天之后，这个发现就传遍了全世界，在公众中引起轰动。其传播之迅速，反应之强烈，在科学史上是罕见的。Ｘ射线很快就被应用于医学和金属探伤等领域，从而创立了Ｘ射线学。Ｘ射线究竟是一种电磁波，还是一种粒子流，曾经争论许多年。直到１９１２年德国物理学家劳厄和他的助手发现Ｘ射线通过晶体后产生衍射现象，才证明它是一种波长很短的电磁波。

Ｘ射线的发现具有十分重大的意义，它是１９世纪末２０世纪初发生的物理学革命的开端。它的发现对于化学的发展也有重要意义：１９１３年，根据对各种元素的特征Ｘ射线光谱的研究发现的莫斯莱定律，确定了元素的原子序数等于核电荷数，这对元素周期律的发展和原子结构理论的建立起了重要作用。以Ｘ射线晶体衍射现象为基础建立起来的Ｘ射线晶体学，是现代结构化学的基石之一。

伦琴由于发现Ｘ射线，于１９０１年成为第一个诺贝尔物理学奖获得者。伦琴作出这个重大发现并非由于偶然的幸运。他的广博深厚的科学素养，周密敏锐的观察能力，顽强探索的科学精神和严谨细致的实验工作，使他具有高瞻远瞩的科学远见，能迅速地揭示出并捕捉住前人所未注意的有重要价值的新现象，紧紧抓住这种现象进行深入研究，终于取得成功。

二、天然放射线的发现

１８９６年法国著名数学家和物理学家彭加勒（Poincare,H.1854-1912）注意到Ｘ射线是从受阴极射线轰击而发出荧光的玻璃管壁上产生的。他提出是不是所有能强烈地发荧光和磷光的物质都能发射出Ｘ射线。法国物理学家亨利·贝克勒（Becquerel,H.A.1852-1908）由此受到启发 ，立即开始研究究竟有哪些荧光和磷光物质能发射Ｘ射线。他把许多磷光和荧光物质一一放在密封照相底片上置于阳光下曝晒，底片都没有感光。他想起十五年前和他父亲一起制备的磷光物质硫酸铀酰钾晶体，于是他把一块这种晶体放在日光下曝晒，直到它发出很强的荧光，然后把它和用黑纸包封的照相底片放在一起，发现底片感光了。他错误地认为这种晶体发射Ｘ射线。１８９６年２月２４日他向法国科学院报告了这一实验，认为Ｘ射线与荧光有关。

３月１日，贝克勒把在抽屉里和铀盐放在一起的一张密封的底片拿去冲洗，显影后发现一件奇怪的事：这张底片已经感光，上面有很明显的铀盐的象，和刚经过日晒的铀盐产生的影象同样清晰。究竟日晒和荧光对于铀盐发出的这种神秘射线有没有关系呢？于是他亲自用纯试剂合成一些硫化物荧光物质，并设法加强它们的磷光，但它们日晒后都不能使底片感光。经过几个月的反复试验，贝克勒确信使底片感光的真实原因是铀和它的化合物不断地放射出一种奇异的射线，日晒与荧光都与照相底片感光无关，他把这种射线称为“铀射线”。

１８９６年５月１８日，贝克勒宣布：发射铀射线的能力是铀元素的一种特殊性质，与采用哪一种铀化合物无关。铀及其化合物终年累月地发出铀射线，纯铀所产生的铀射线比硫酸铀酰钾强三至四倍。铀射线是自然产生的，不是任何外界原因造成的（光照、加热、阴极射线激发等不需要），所以既与荧光无关，也

和Ｘ射线不同。铀射线能穿透过黑纸使照相底片感光，能使空气电离，使验电器放电，这些性质与Ｘ射线相同。但它的穿透能力不如Ｘ射线，它不能穿透肌肉和木板。

铀射线的发现，立即引起科学界的极大兴趣。当时在巴黎大学攻读博士学位的居里夫人，即玛丽·斯克洛多芙斯卡（Sklodowska,M.1867-1934），决定选择铀射线的本质和来源问题作为自己的博士论文题目。１８９７年她开始研究。要深入研究铀射线的本质，首先要有一台能精确测量铀射线强度的仪器。玛丽的丈夫、法国物理学教授居里（Curie,P.1859-1906）设计了一个灵敏而简易的铀射线检验器 。经过几周的研究，玛丽先弄清楚了铀射线的强度与试样中铀的浓度成正比，而与含铀化合物的化学组成无关，也不受外界光照和温度起落的影响。由此可以确认这种辐射是铀原子一种特性。１８９８年，她和德国人施米特（Schmidt,G.C.1856-1949）分别发现钍元素也具有这种性质，表明这种性质并非铀元素所独有 。于是玛丽建议把这种性质叫做“放射线”，把具有放射线的元素如铀和钍叫做“放射性元素”。

三、放射性元素钋和镭的发现

居里夫人对很多种矿物标本逐个检验有无放射性。检验了几百种物质，都没有放射性。但当她检验到一种沥青铀矿和一种铜铀云母矿时，发现它们有很强的放射性，其强度比根据其中铀或钍的含量所预计的强度大得多。她又根据天然铜铀云母矿精确分析得到的组成，自己合成了铜铀云母，发现天然铜铀云母的放射性是人工合成试样的４．５倍。这两种矿物的异常的放射性，只能解释为其中含有某种含量很少但比铀和钍的放射性强得多的新元素。

１８９６年６月，居里夫妇开始合作搜索这种新元素。他们先到沥青铀矿中去找。他们把这种矿石分解后，用系统的化学分析程序把其中的各种元素按组一组一组逐步分开。每经过一步分离，就测定两部分的放射线，根据溶液和沉淀有无放射性或放射性的大小来确定新元素在哪一部分中。经过几次淘汰搜索的范围逐步缩小，最后他们发现在沥青铀矿中有两种而不是一种新的放射性元素。１８９８年７月他们根据放射性证实了一种新放射性元素的存在，当时他们还只得到了一点富集了这种新元素的硫化铋，它的放射性远比金属铀的放射性大得多。要知道在沥青铀矿中这种新元素的含量只有一亿分之一，用一般的化学方法把它富集起来是何等艰巨啊！玛丽为这个新元素命名为“Polonium”（钋），这是为了纪念她的祖国波兰。五个月后，居里夫妇又根据放射性发现了另一种新的放射性元素，它已富集在氯化钡结晶里。这种混有新元素的晶体比金属铀的放射性竟大九百倍。居里夫妇给该元素命名为“Radium”（镭），意思是“赋予放射性的物质”。钋富集在硫化铋沉淀中，镭富集在氯化钡晶体中，这说明它们的化学性质分别很象铋和钡，而与铀相差很远。但是，这时居里夫妇还没有得到一点点纯的镭或钋的化合物。他们决定下一阶段的工作是从沥青铀矿制取纯的镭化合物。他们估计从沥青铀矿中提取了铀以后钋和镭可能原封不动地存留在废矿渣中，因为钋和镭的化学性质与铀相差很远。于是他们便从奥地利处理沥青铀矿的国营矿场买到了便宜的废矿渣。从１８９９年到１９０２年底，居里夫妇在物理学校的矿烂工棚里艰苦地工作了４５个月，一公斤一公斤地处理了两吨废矿渣。经过几百万次的溶解、沉淀和结晶等提炼工作，终于得到仅仅１００毫克的光说纯氯化镭。它的放射性强大得令人吃惊，竟是铀盐的二百万倍！把它放在玻璃瓶里，玻璃瓶就放出紫色的荧光，它也能使金刚石、红宝石、萤石、硫化锌、铂氰化钡等发出磷光。

他们对镭的原子量进行了初步测定，大约是２２５，从而确定了它在周期表中处于ⅡＡ族钡的下面。

１９０３年６月２５日，３６岁的玛丽·居里夫人在巴黎大学通过了博士论文答辨，论文题目是《放射性物质的研究》。这年１１月，英国皇家学会授予居里夫妇载维金质奖章。１２月１０日居里夫妇和贝克勒一道荣获这一年的诺贝尔物理学奖，分享奖金。

１９１０年，居里夫人和法国化学家德比尔纳（Debierne,A.1874-1949）合作，通过电解氯化镭取得了金属镭，研究了它的性质。１９１１年，居里夫人获得了诺贝尔化学奖。全世界只有为数极少的几位科学家两次获得诺贝尔奖，居里夫人是其中唯一的女科学家。

玛丽·斯克洛多芙斯卡１８６７年１１月７日出生沙俄统治下的华沙，当时波兰已经亡国一百多年了。她少年时就有强烈的爱国思想，在青年时代又爱上了科学，决心要以科学振兴祖国，为波兰争光。她于１８９１年来到巴黎求学，先后以优异的成绩获得数学和物理学硕士学位，１８９５年与已是物理学教授的居里结婚，结成了一对后来非常著名的科学伴侣。从１８９８年６月起居里决定和玛丽合作共同探索沥青铀矿中的新的放射性元素，他们的亲密合作一直持续了八年。１９０６一天居里在大街上被载重马车撞倒，车轮夺去了他的生命。居里夫人悲痛欲绝，几乎神经失常。经过长期疗养后刚刚康复，她就以惊人的毅力，不仅担负起抚养两个女儿的家庭重担，承担了居里在巴黎大学的教授席位，而且为放射科学的建立和发展又作出了重大贡献，从而获得了１９１１年诺贝尔化学奖。镭的发现在科学界引发了一场革命，居里夫妇的工作是原子能应用研究的开

端。但居里夫人不仅是有重大贡献的科学家之一，而且是一位高尚无私的人。当时镭的价格十分昂贵，但居里夫人甘于过着简朴的生活，她毫无保留地公布了镭的提炼方法，没有申请专利。正如她所说“镭不应该使任何人发财，镭是化学元素，应该属于大家”。她所获得的巨额奖金，也几乎全部用于接济穷苦的学生，或支援了科学团体。１９３４年７月４日，居里夫人在长期患恶性贫血白血病后与世长辞。医生的证明是：“夺去居里夫人生命的真正罪人是镭”。她把自己的一生献给了科学事业。

四、α、β、γ三种射线的发现

居里夫妇曾发现，镭发出的射线有两种。１８９８年，出生于新西兰在剑桥大学卡文迪许实验室工作的青年物理学家卢瑟福（Rutherford,E.1871-1937）开始投入放射性的研究工作。他用强磁铁使铀射线偏转，发现射线分为方向相反的两股，这表明它至少包含有两种不同的射线，一种非常容易被吸收，称为α射线；另一种具有较强的穿透力，称为β射线。１９００年法国人维拉德（Villard,P.1860-1934）观察到 ，镭除了上面两种射线之外，还存在着第三种射线，它不受磁场的影响，与Ｘ射线非常类似。在此之前，卢瑟福已于１８９８年发现一种比α和β射线穿透力更大的射线存在，这就是维拉德１９００年所确认的这种射线。后来卢瑟福把它称为γ射线，并于１９１４年确定了它是一种波长比Ｘ射线更短的电磁波。贝克勒１８９９年发现β射线在磁场中偏转的方向与阴级射线相同。居里夫人证明它荷负电。１９００年贝克勒测定了它的荷质比，确认β射线就是电子流。为了揭示α射线的本质，卢瑟福作了多年的努力。１９０２年，他用强磁场使射线发生的偏转，证明了它是带正电荷的粒子流，这种

粒子被称为α粒子。１９０６年他测定了α粒子的荷质比，证明它的数量级与氢或氦离子相同，但当时的实验精度还不能分辨出它带一个还是两个电荷。１９０７年卢瑟福到英国曼彻斯特大学任教授后，和年轻的德国物理学家盖革（Geiger,H.1882-1945)一起工作 ，利用他发明的计数管和克鲁克斯创造的闪烁计数法，计数了一克镭一秒钟内放出的α粒子数，测量了从镭源得到的总电量，从而计算出每个α粒子带有两个单位电荷。卢瑟福由此推测出α粒子是带有两个正电荷的氦离子。卢瑟福又和合作者拍摄了α粒子的光谱线，证明它和氦的光谱线一样，由此判定，α粒子是氦离子。

原子核和原子有核结构的发现

电子发现以后，人们普遍认识到电子是一切元素的原子的基本组成部分。但通常情况下原子是呈电中性的，这表明原子中还有与电子的电荷等量的正电荷，所以，研究原子的结构首先要解决原子中正负电荷怎样分布的问题。从１９０１年起，各国科学家提出各种不同的原子模型。

一、汤姆逊的原子模型

第一个比较有影响的原子模型，是Ｊ．Ｊ．汤姆逊于１９０４年提出的“电子浸浮于均匀正电球”中的模型。他设想，原子中正电荷以均匀的密度连续地分布在整个原子中，原子中的电子则在正电荷与电子间的作用力以及电子与电子间的斥力的作用下浮游在球内。这种模型被俗称为“葡萄干布丁模型”。汤姆逊还认为，不超过某一数目的电子将对称地组成一个稳定的环或球壳；当电子的数目超过一定值时，多余电子组成新的壳层，随着电子的增多将造成结构上的周期性。

因此他设想，元素性质的周期变化或许可用这种电子分布的壳层结构作出解释。汤姆逊的原子模型很快地被进一步的实验所否定，它不能解释α射线的大角度散射现象。

二、α粒子散射实验

卢瑟福从１９０４年到１９０６年６月，做了许多α射线通过不同厚度的空气、云母片和金属箔（如铝箔）的实验。英国物理学家Ｗ．Ｈ．布拉格（Bragg,W.H.1862-1942）在１９０４－１９０５年也做了这样的实验。他们发现 ，在此实验中α射线速度减慢，而且径迹偏斜了（即发生散射现象）。例如，通过云母的某些α射线，从它们原来的途径约偏斜２°，发生了小角度散射。１９０６年冬，卢瑟福还认识到α粒子在某一临界速度以上时能打入原子内部，由它的散射和所引起的原子内电场的反应可以探索原子内部结构。而且他还预见到可能会出现较大角度的散射。

１９０７－１９０８年间，在卢琴福指导下盖革也进行了α粒子散射实验研究，发现α粒子射入金属箔时散射角与材料的厚度和原子量有关；又发现大多数粒子散射角度很小，但有少数α粒子偏角很大。卢瑟福敏锐地认识到精确地观察大角度α粒子散射对于了解原子内部的电场和结构非常重要。在卢瑟福的指导下，盖革和青年研究生马斯顿（Marsden,E.1889-?）于１９０９年３月用镭作放射源，进行α粒子穿射金属箔（先后用了金箔和铂箔）的实验，精心测量数量极少的大角度散射粒子。结果发现约有八千分之一的入射α粒子发生大角度偏转，偏转角平均为90°，其中有的甚至反弹回来。α粒子的这种超过９０°的反常的散射现象，使卢琴福十分惊讶，虽然他事前对大角度散射做过一些推测。多年

以后，他在１９２５年的一次讲演中曾讲到１９０９年３月这次实验后的心情。他说：“如果将一张金叶放在一束α射线的径迹上，某些射线进入金的原子并被散射，那只是所期望的。但是，一种明显而未料相想到的观察是一些快速的α粒子的速度和能量之大，那是一张极其惊人的结果。……正好象一个炮手将一颗炮强射在一张纸上，而由于某种其他原因弹头再弹回来一样”。在卢琴福的指导下，盖革和马斯顿对实验进行总结并写成论文，交英国皇家学会发表。

三、卢琴福发现原子核，建立有核原子模型

盖革和马斯顿由于对自己的发现的意义了解不深，论文发表后又回到小角度散射实验方面。卢琴福则不同，他１９０９年讲学时谈到大角度散射时说：“这一结果对于了解原子周围或原子内部的电场强度，带来了巨大光明。”又说：“原子处于一个强电场中的结论是不可避免的，否则α粒子通过象一个分子直径这样小的距离而改变方向是不可能的。”此后一二年内，卢瑟福以他敏锐的直觉和深邃的洞察力，紧紧抓住这个容易被人们忽略的反常现象，从原子内存在强电场的观点，探索α粒子大角度散射的原因，从而发现了原子的有核结构。

１９１０年１２月，卢瑟福对大角度散射过程的受力关系进行计算，得出一个新的原子结构设想。经过反复思索、研究，于１９１１年４月下旬写出论文《α和β粒子被物质散射和原子结构》，于５月发表。他认为α粒子是在同作为靶的金属箔的原子一次碰撞中改变其方向的，因此原子中有一个体积很小、质量很大的带正电荷的原子核，它对带正电荷的α粒子的很强的排斥力使粒子发生大角度偏转；原子核的体积很小，其直径约为原子直径的万分之一至十万分之一，核外是很大的空的空间，带负电的、质量比核轻得多的电子在这个空间里绕核运动。

卢瑟福在论文中提出他的原子有核模型可从几个方面验证，盖革和马斯顿１９１２年所做的实验证实了原子核的存在。１９１３年莫斯莱定律的发现以及１９１９年阿斯顿（Ast-on,F.W.1877-1945）用质谱仪测定各种元素的同位素进一步证实了卢琴福的原子模型。

但是，卢琴福原子模型由于同经典电磁理论存在着尖锐矛盾而遇到困难，所以发表后没有很快引起国内外的重视。１９１３年玻尔把量子论用于原子，与卢琴福有核原子模型结合起来，使它发展成为卢琴福－玻尔原子模型，迅速受到各国科学界的高度重视，大大提高了卢琴福和玻尔的声誉。从１８９８年发现镭到１９１１年发现原子核和原子有核结构，出现了根本变革以往的原子论的划时代科学硕果。原子有核结构的发现意味着原子物理学和核物理学的出现，也是现代结构化学即将诞生的前奏。

中学化学知识史述

第二章.氧─分子和原子

燃素学说对化学的影响

自有人类以来就有燃烧现象，但对燃烧的认识却晚得多，至于有关燃烧的学说则更晚一些。我国古代的“五行说”的“金、木、水、火、土”中有火；古希腊“四元论”的“水、土、火、气”中有火；古印度“四大说”的“地、水、火、风”中也有火。这些学说的建立者都认为火是构成万物本源的一种元素。人们所以对火如此重视，因为很多物质燃烧时能产生火焰，有些物质燃烧后留下了少量的灰烬，其重量比原来的物质轻得多，似乎表明了在燃烧时损耗了一些东西；有些金属燃烧后所得到的物质却比原来的金属重些，这些现象应该怎样解释呢？有的人把火看成热和干两种原性的化身；有的炼金术士和经院哲学家把火看成从物体中出来的神秘东西。英国化学家波义耳坚决反对这两种说法。他认为火应该是一种实实在在的，由具有重量的“火微粒”所构成的物质元素。植物燃烧时它的极大部分变成火

素散失到空间，只留下同原物质本来具有的微不足道的灰烬。他把铜、铁、铅、锡等金属置密闭的器中煅烧，其结果都是重量增加。他认为这些都是金属燃烧时与火微粒结合变成比金属更重的灰烬。由于波义耳只注意密闭器中金属重量增加的一面，而忽视了考察与金属密切接触的空气是否也发生了什么变化。为了说明这些现象，于是他提出了一个“火微粒”的概念。由于他在实验上观察的片面性，未能正确揭示燃烧现象的真实本质。

其后研究燃料现象比较突出的德国化学家施塔尔 （Sathl G.E.1660-1734）。他出生于德国的安斯巴赫，１６８４年获得耶拿大学医学学士学位，１６９４年任哈雷大学医学和化学教授，１７１６年任柏林普鲁士王的御医。他研究了燃烧中的各种现象和各家观点之后，于１７０３年系统地阐述了他提出的燃素学说。施塔尔认为，燃素充塞于天地之间，植物能从空气中吸收燃素，动物又从植物中取得燃素，所以动植物中都含有大量的燃素。一切与燃烧有关的化学变化，都是由于物体吸收燃素和释放燃素的过程。如金属燃烧时，便有燃素逸出，金属就变成金属灰，可见金属比金属灰含有更多的复杂成分。如果金属灰与燃素重新结合，就会再变成金属。木炭、烟炱、油脂都是从植物中来的，植物又在空气中吸收了燃素，因此它们都是富有燃素的物质。如果把木炭与金属灰一起燃烧，金属灰就可以吸收木炭的燃素，使金属灰再变成金属。这样燃素学说不仅可以解释许多燃烧现象，同时可以解释冶金中的许多化学变化。不仅如此，当时还用燃素学说解释许多非燃烧的化学变化。如金属溶解于酸中，理解为酸夺取了金属中的燃素。铁置换溶液中的铜，理解为铁中的燃素转移到铜的缘故。燃素不仅是燃烧的要素，还是金属的性质，物体的颜色、气味等的根源。

燃素学说在当时几乎用来解释所有的化学现象，因而获得了许多化学家的赞同与支持，从而取代了炼金术家在化学上的统治地位。燃素学说是历史的必然产物，而且在化学发展史上起了积极的作用。其功绩主要在于把化学现象作了比较统一的解释，因而在化学研究领域起着支配作用长达一百年。由于燃素学说没有确切的科学依据，是从化学现象中臆造的一种实际上不存在的燃素，因而经不起化学发展的长期检验。随着科学的发展，它的问题也暴露出来了。金属燃烧增加重量与有机物燃烧减轻重量这两种矛盾现象，燃素学说尽管臆造了一些“正重量”和“负重量”来解释，仍不能自圆其说，更不能找到科学事实证明燃素的存在。由于对化学现象的解释没有科学的真实性，因而逐渐成为化学发展的障碍。１８世纪人们发现了氧气，揭示了燃烧现象的本质，燃素学说也就为人们所抛弃了。

普利斯特里发现氧而不认识氧

１７世纪中叶以前，人们对空气的认识还很模糊，多数研究者认为只有一种气体，空气是唯一的气体元素。到了１８世纪，通过对燃烧和呼吸的研究，才开始认识到气体是多种多样的，而且陆续发现了碳酸气、氢气、氯气、氮气和氧气等。但这些气体的发现是很不容易的，就以氧气来说，其发现过程非常曲折。波义耳曾经研究过空气的性质，对火焰和空气的实验作过这样的描述：在一个抽掉空气的容器中，将硫磺洒在一块烧红的铁板上，硫磺只会冒烟而不能燃烧，但在有空气的容器中硫磺能燃烧而产生蓝色火焰。他还从蜡烛和氢气的燃烧现象发现，燃烧是不能没有空气的。虽然证明了燃烧不能没有空气，但并没有发现其中起作用的是氧气。

１８世纪下半叶，英国著名化学家普利斯特里（Priestly,J.1733-1804），很喜欢阅读有关燃素学说的化学书籍，也喜欢研究气体。２８岁开始写书，３１岁写成《电学史》。由于这本书的出版，他在１７６６年当选为英国皇家学会的会员。

４１岁他到巴黎，和著名化学家拉瓦锡进行了学术交流。在法国大革命时期，他支持革命，宣传革命，被一批反对革命的人燃毁了他的住宅和实验室。他不得已迁居伦敦，仍然受到歧视，在６１岁时移居美国。他到美国受到政府和科学界的欢迎，成为美国的公民。普利斯特里在美国的住宅 ，至今仍然是科学界所瞻仰的名胜古迹。

普利斯特里研究气体的贡献很大，制出了氧化氮、二氧化硫、氯化氢、氨气，第一次分离出一氧化碳，并对许多有机酸也进行了研究。由于他研究气体的贡献很突出，被化学界称为“气体化学之父”。

普利斯特里研究氧气的故事却是很有趣的。１７７４年他得到一个大凸透镜，于是用这个透镜聚光对汞锻灰（氧化汞）加热，发现很快产生了气体。他用排水集气法收集了这种气体，蜡烛在它里面能剧烈燃烧。他还作了这样一段实验记录：“我把老鼠放在‘脱燃素气’里，发现它们过得非常舒服后，又亲自加以实验，我想读者是不会觉得惊异的。我自己实验时，是用玻璃吸管从放满这种气体的大瓶里吸取的。当时我的肺部所得的感觉，和平时吸入普通空气一样；但自从吸过这种气体以后经过很多时候，身心一直觉得十分轻快适畅。有谁能说这种气体将来不会变成通用品呢？不过现在只有两只老鼠和我，才有享受呼吸这种气体的权利罢了。”其实他所发现的就是重要的化学元素氧。遗憾的是，由于他深信燃素

学说，因而认为这种气体不会燃烧，所以有特别强的吸收燃素的能力，只能够助燃。因此，他把这种气体称为“脱燃素空气”，把氮气称为“被燃素饱和了的空气”。

１７７３年左右，瑞典化学家舍勒（Scheele,C.W.1742-1786），用两种不同的方法制得了他称之为“火气”的气体，并用实验证明空气中也存在着“火气”。他所制取的火气实际就是氧气，发现时间比普利斯特里发现氧还早一年。同样令人遗憾的，舍勒也是燃素学说的坚信者，他认为火是火气与燃素生成的化合物。可见普利斯特里和舍勒虽然都独立地制得了氧气，却不能认识氧气。正如恩格斯所指出的，由于他们被传统的燃素学说所束缚，“从歪曲的、片面的、错误的前提出发，循着错误的、弯曲的、不可靠的途径进行探索，往往当正确的东西碰到他鼻尖上的时候他还是没有得到正确的东西”。

化学革命家──拉瓦锡

法国化学家拉瓦锡（Laroisier,A.L.1743-1794），出生于法国巴黎富裕的律师家庭。他５岁丧母，在姨母照料下生活，１１岁进入当时巴黎著名的马沙兰学校，以后升入法政大学，２１岁取得律师资格。他的家庭希望他继承父业，然而他对天文、数学、植物、矿物、化学等自然科学却有深厚的兴趣。１７６５年法国科学院以重奖征求一种使路灯既明亮又经济的设计议案２２岁的拉瓦锡勇敢地参加了竞赛。他的设计被评为优秀方案，荣获国王颁发的金质奖章。这项活动给年轻的拉瓦锡以极大的鼓励，使他决心投入科学研究的事业。由于他不断地获得研究成果，展示了出众的才华，于１７６８年受命为法国皇家科学院的副会员，１０年后成为１８名正式会员之一，又任７年科学院的秘书长，实际上是科学院

的负责人。很不幸，因包税事件，被判处死刑。１７９４年８月８日法国把自己伟大的化学家拉瓦锡处死了，世界失去了一位人类最杰出的科学家。

拉瓦锡作出的科学贡献很多，其中最突出的是掀起了一场化学革命，推翻了统治化学界百年之久的燃素学说，１７７２年，拉瓦锡当选为科学院院士后，主要思考的问题是燃烧的本质。窨燃烧是怎么一回事？不仅他这样想，许多其他化学家也都感到燃素学说不能解释燃烧过程。为了研究这个问题拉瓦锡常跟其他化学家开展了热烈的讨论。在一个寒冷的晚上，他同实验室的同事马凯尔和卡德一起研究。这两位同事说了，他们在高温下灼烧金刚石的实验。按一般情况物质燃烧后总有一点

灰渣，可以金刚石灼烧后却没有任何灰渣，完全消失得无影无踪了。为什么会出现这样奇异的现象呢？他们讨论认为，因为加热是在空气中进行的，空气不会产生影响。如果在隔绝空气的情况下灼烧金刚石，又会产生什么现象呢？第二天，拉瓦锡带来了几块金刚石，涂上一层厚厚的石墨稠膏用来隔绝空气。然后把小黑球加热烧到通红，而且发出了光。待小黑球冷却几小时后，剥掉涂料，金刚石仍然是完整的。拉瓦锡推测：“金刚石消失的神秘现象竟然与空气有关。也许它们是跟空气结合在一起的？”对拉瓦锡来说这一发现是不寻常的，以致所有其他的问题都退居次要地位了。

拉瓦锡立刻着手研究磷和硫的燃烧，成功地收集了磷燃烧冒出的全部白烟，并称量出它比原来的磷重。拉瓦锡判断，磷与空气化合了。它们是怎样化合的呢？于是设计了这样的实验。在密闭的器皿里燃烧磷，并称出有关各物质的重量。他把装有磷的小盘子放在水面的软木座上，用烧红的金属丝点燃磷，迅速用玻璃把

它罩上。白色浓烟充装了玻璃罩，然后就熄灭了，水在罩内开始上升，过一会儿，水位就停止上升了。拉瓦锡认为，可能用的磷少了，不能跟罩内的空气全部化合。于是他用更多的磷作了十几次实验，水位上升的高度都相同。他想，“磷仅仅与五分之一的空气化合，难道空气是复杂的混合物吗？”拉瓦锡研究硫的燃烧，硫也只能同五分之一的空气化合。１７７４年，拉瓦锡作了著名的金属锻炼实验：他将锡和铅分别密封在曲颈瓶中，在加热前后都精确地称量，发现瓶和锻灰的总重量并未改变。

当他把瓶子打开后，发现有空气冲进瓶内，这时的瓶和锻灰的总重量增加了。空气进入瓶内增加的重量与金属变成锻灰增加的重量正好相等。拉瓦锡根据这些实验，对燃素学说产生了怀疑，并指出金属锻灰的增重与燃素无关，而是由金属与空气化合的缘故。

就在这年的１０月，普利斯特里访问巴黎，向拉瓦锡介绍了他用凸透境加热汞锻灰发现了一种脱燃素空气。拉瓦锡立刻重做了普利斯特里的实验，证实了加热汞锻灰时逸出的气体重量与汞锻炼成锻灰所增加的重量相等。这是拉瓦锡用来推翻燃素学说最有力的证据。后来他做了大量的燃烧实验都说明燃素是不存在的。１７７７年他接受其他化学家的见解，确认空气是两种气体的混合物。一种是能助燃的、有助于呼吸的氧气；另一种是不助燃的、无助于生命的氮气。１７８９年，拉瓦锡出版了他的名著《化学纲要》，以大量的实验事实为根据，系统地、全面地批判了燃素学说，系统地阐明了燃烧的氧化学说。

氧化学说的要点：（１）物质燃烧时放出光和热；（２）物质在氧存在时才能燃烧；（３）物质在空气中燃烧时吸收其中的氧，燃烧后增加的重量恰等于吸

收的氧；（４）一般可燃物（非金属）燃烧后变为酸，金属燃烧后变为灰渣即金属氧化物。这个以氧为中心的理论简明地把燃素学说所不能解决的问题解决了，把燃素学说误解的问题也纠正了，使人们能够按照燃烧的本来面目掌握燃烧的规律。燃烧的氧化学说的建立，著名化学家武兹和贝特罗都把它称为一场全面的化学革命。拉瓦锡著的《化学纲要》、牛顿著的《自然哲学的数学原理》和达尔文著的《物种起源》被人们称为世界自然科学的三大名著。

拉瓦锡的科学方法

为什么拉瓦锡研究化学的业绩，人们尊称之为化学革命呢？这不仅仅在于他认识了氧气，否定了燃素的存在，而在于化学观念的根本变革，从整体推倒了旧的理论体系而建立了新的理论体系。正如恩格斯所说，拉瓦锡“使过去在燃素说形式上倒立着的全部化学正立过来”。拉瓦锡之所以能做出这样伟大的功绩，是同他的研究方法分不开的。他在研究化学方法上所作的贡献，是他化学革命的一部分、并不亚于他在化学理论方面的成就。所以他的科学方法，至今对科学研究和教学仍然具有指导作用。

一、重视实验而且作了定量要求

拉瓦锡研究科学的名言是，“不靠猜想，而要根据事实”。他认为实践是认识的基础，没有充分的实验根据，不能推导出严格的定律。他说：“在任何情况下，都应该使我们的推理受到实验的检验，除了通过实验和观察的自然道路去寻求真理之外，别无他途。”他对待任何化学问题，都要用实验来检验。关于金属在空气中锻炼变成灰渣，其重量增加的解释问题。著名化学家波义耳提出“火微粒”的

假说，认为金属灰渣重量的增加，来自增加了具有重量的火微粒。可是，拉瓦锡对此并未主观地予以否定，而是用实验来检验，然后作出结论。古希腊哲学家提出水转为土的古老论点，曾经获得权威人士海尔蒙特和波义耳的支持。拉瓦锡并没有盲目轻信，而是通过他亲自操作的１０１天加热水的实验，证明了水不能转变成土。至于从水中得到的沉淀，实际上是容器被溶下来的固体物质，从而推翻了水变为土的说法。

拉瓦锡开始从事化学研究，就应用了精确的测量方法。他２１时做的一个实验，就是定量地测定了石膏在加热和冷却过程中水分的变化。２４岁时，他在地质勘查活动中用自己设计的比重计研究法国各地的水的比重。关于燃素是否存在的问题，拉瓦锡认为假如有燃素这种东西，我们就能把它提取出来看看，而且在天平上一定能够觉察出来。他用磷和硫分别作燃烧实验，就是应用了定量测定方法证明了氧气参加了变化。正是由于拉瓦锡采用了定量实验，才能“把以前人们所做的一切实验看作只是建议性质的”。因而他才敢于对已为人们所肯定的实验予以检验，从而掀起了化学的革命。

二、善于应用科学史的分析方法

拉瓦锡同历史上那些伟大的科学家一样、善于应用科学史的分析方法来分析化学史中的问题。前面所提到的关于水可以转变为土的否定，火微粒可以增加重量的否定，都可以看出拉瓦锡在这个方面的才能。至于推翻燃素学说的过程，更能说明他应用分析方法的效用。远在普利斯特里发现氧气以前，拉瓦锡就已经觉察到燃素学说有些问题。因为他从科学史的研究中认识到，燃烧可能不是燃素学说的支持者所说的那样，是可燃物中析出了什么燃素，相反的可能是从空气中吸

收了什么东西。为了弄清楚物体燃烧时空气所起的作用，从研究化学史中发现，不同的研究者有不同的解释，有的解释甚至互相矛盾。这些史料启发他找到了研究的课题，需要重复、改进别人的实验以判断其真伪，他曾在一篇日记中写道：“当我研究所有从物质中所析出或与物质结合的空气的全部历史时，一些不同的解释全部呈现。由于这项研究结果的重要性促使我担任这项工作，这项研究最后可能导致物理学和化学的革命。我认为过去做的实验仅供参考，有人建议我用新的方法重做这些实验以便将空气从物体中析出或与物体结合的知识同其他知识融合，以形成一项新的理论。”这充分说明了拉瓦锡推倒燃素学说并非偶然的，而是长期确定的革命对象。

三、应用以量求质的研究方法

化学实验中应用天症做定量研究的，在拉瓦锡以前的波义耳、普利斯特里、凯文迪旭等著名的化学家就开始了。但拉瓦锡却跟他们有些不同，他不单是用以测定物质的重量、密度、体积和成分等数量，而是应用以量求质的方法研究以应的实质。非金属燃烧究竟是增加重量还是减少重量？锻炼金属增加的重量是从哪里来的？类似这样的一些问题，如果用燃素学说的定性解释是不能回答的。拉瓦锡应用以量求质的方法则可以解释这些问题。如通过硫和磷燃烧的定量研究，就能揭示出非金属燃烧的产物同金属锻烧的产物一样都是增加重量，它们之所以增加重量都是由于氧气同它们结合在一起了。拉瓦锡深信“必须用天平进行精确测定来确定真理”。

在化学研究中的以量求质，是从单纯研究物质性质向前发展的一个高的层次。因此以量求质的研究方法也是拉瓦锡进行化学革命能够取得胜利的一个重要

因素，也是推劝化学发展的一个重要的科学方法。所以人们评论拉瓦锡说，“他是一个明确提出把量作为衡量尺度对化学现象进行实验证明的第一个化学家”。

氮气和稀有气体的发现

一、氮气的发现

氮气在大气中虽多于氧气，由于它的性质不活泼，所以人们在认识氧气之后才认识氮气的。不过它的发现却早于氧气。１７５５年英国化学家布拉克（Black,J.1728-1799）发现碳酸气之后不久，发现木炭在玻璃罩内燃烧后所生成的碳酸气，即使用苛性钾溶液吸收后仍然有较大量的空气剩下来。后来他的学生Ｄ·卢瑟福（Rutherford,D.1749-1819）继续用动物做实验，把老鼠放进封闭的玻璃罩里直至其死后，发现玻璃罩中空气体积减少１／１０；若将剩余的气体再用苛性钾溶液吸收，则会继续减少１／１１的体积。Ｄ·卢瑟福发现老鼠不能生存的空气里燃烧蜡烛，仍然可以见到微弱的烛光；待蜡烛熄灭后，往其中放入少量的磷，磷仍能燃烧一会，对除掉空气中的助燃气来说，效果是好的。把磷燃烧后剩余的气体进行研究，Ｄ·卢瑟福发现这气体不能维持生命，具有灭火性质，也不溶于苛性钾溶洲，因此命名为“浊气”或“毒气”。在同一年，普利斯特里作类似的燃烧实验，发现使１／５的空气变为碳酸气，用石灰水吸收后的气体不助燃也不助呼吸。由于他同Ｄ·卢瑟福都是深信燃素学说的，因此他们把剩下来的气体叫做“被燃素饱和了的空气”。

１７７２年化学家舍勒也从事这一研究。他用硫肝（硫酸与铁粉的混合物）吸收空气中的助燃气而取得了氮气。经实验得出这样的结论：这种气体较空气轻；

能灭火，颇似碳酸气，其效力没有碳酸气显著。他是第一个认为氮气是空气成为之一的人。只要把空气中的助燃气吸收，就能制得较纯的氮气。“氮”这个名字，是后来拉瓦锡给它取的，意思是无益于生命。

二、稀有气体的发现

大约氮气发现的百年之后，英国化学家瑞利（Rayleigh,J.W.S.1842-1919），一方面从空气中除掉氧气、二氧化碳、水蒸气得到氮气；另一方面从氮化物分解制得氮气。他把这两种来源不同的氮气进行比较，发现在正常状态下前者的密度是１．２５７２克／升，后者的密度是１．２５０８克／升，为什么空气中的氮气密度要大些呢？是不是其中还有较重的不活泼气体？英国化学家莱姆大塞（Ramsay,W.1852-1916）用燃烧的镁与空气中的氮气作用，以除去空气中的氮，结果剩下少量的稀有气体。经光谱检验，证明是一种新的气体元素叫做氩。后几年他用分级蒸馏法，从粗制的氩中分离出其它三种稀有气体──氖、氪、氙。１８９５年，莱姆塞用硫酸处理沥青油矿，产生一种气体，用光谱鉴定为氦。由于他先后发现氦、氖、氪、氩、氙，获得了１９０４年诺贝尔化学奖。

从原子的哲学观念到科学概念

一、古希腊的原子观念

关于物质本源的看法，古代哲学家有各种不同的观点。而为后人所推崇的要算古希腊唯物主义哲学家留基伯（公元前５００－４００年）和他的学生德谟克利特（公元前４６０－３７０年），共同创立了哲学的原子论。其所以能形成正确的原子观念，在于他们善于观察现象，善于分析现象，善于抽象概括。看到屋

檐滴水的时间长了就会滴穿石头，手上的戒指带的时间久了就会变薄，铁犁耕地多了就会磨损，铜像的手跟人握的次数多了就会变小。这些东西是怎样损耗的呢？他们分析思考之后认为，这些损耗虽然人们看不见，也感觉不到，但可以肯定是一点点地损耗的。所说的这一点无疑极小极小，小到人们无法看见，也无法感觉。尽管看不见，感觉不到，但可以判断它们是由极小的粒子构成的，否则这些现象就很难解释。既然这些东西是由极小的粒子构成的，由此可以推知自然界所有的物质都是由极小的粒子构成的。他们观察到太阳光射进屋子里的时候，可以看到许多小粒子（尘埃）以各种运动的形式活跃于光亮的房间，好象打仗似的，互相冲撞，互相追逐，时聚时散，永不休止。他们根据这些现象思考，并作出推论：构成物质的粒子不是静止的而是运动的。为了说明这个观点，他们讲了一个很有意义的比喻：大群白羊在山上争吃青草，奔跑跳跃，嬉戏角逐。如果我们远远地观看，就好象一座万分沉静的青山，点缀着许多小小的白点。我们看见整块的物质是静止的，其实构成物质的粒子正象青山上的羊群是极其活跃的。德谟克利特等哲学家把这些看不见的、运动着的粒子叫做原子，这是唯物论哲学家最早提出的原子观念。尽管水滴石穿、铜手变小、戒指变薄、铁犁磨损等现象，表面上都是互不相关的，风马牛不相及的现象，德谟克利特却锐敏地把这些现象集中起来，概括出一个能反映事物本质的共同问题作为思考的对象，因而能得出正确的结论。这个分析推理的过程，无论对研究或学习都具有指导意义。

二、近代化学之父──道尔顿

英国化学家道尔顿（Dalton,J.1766-1844），出生于英国西部一个文化极其落后的农村，父亲务农，子女６人，家境相当贫困。因此，道尔顿从１２岁开始

办私塾，以帮助家庭。他１５岁应附近城市寄宿学校之约担任助理教员。从此，他走上了边教学、边自学、边研究、边写作的道路，一直走了６０年。道尔顿终身过着单身生活，没有结婚。他自己说没有时间交女友、谈恋爱。他不仅幼年时过着贫穷的日子，在享有盛名后经济仍不富裕。到１８３３年，由于科学界的呼吁，英国政府才给他养老金。１８５３年曼切斯特市举行了一次市政集会，捐了一大笔钱，在曼彻斯特大学设立了道尔顿奖学金，鼓励学习化学成绩优秀的青年。

１７８１年秋，道尔顿到肯代尔城当教师，学校拨给他一间陈设很简陋的住房，可是他却觉得象住在皇宫里一样了。该校图书馆藏书丰富，是道尔顿学习很好的条件。他一方面博览群书，一方面研究自己喜爱的气象观测。他认为自然界不解之谜还很多哩，应该探索打开自然界奥秘之门的钥匙。从什么地方入手呢？从物理学、医学、化学，还是从气象入手呢？当正在思考的时候，大红公鸡站在木板墙上喔喔地大声啼叫，惊人准确的预报着下雨或风暴。对此道尔顿很苦恼，为什么公鸡能预报天气而我们却不能呢？他把多年精心收集的气象资料进行研究，对空气的温度和压力进行分析比较，试图探索气候的秘密。为此，他决心去肯代尔城拜访一位有名的约翰·豪夫先生。“你是豪夫先生吗？”道尔顿走进房内很有礼貌地问道。

“是我”。豪夫先生回答。但仍然背着道尔顿坐着，只能看见他那波浪似的垂肩白发。“请你走近些，把手伸给我。你是谁？”

“道尔顿，教友学校的数学老师。”道尔顿把手伸向豪夫，才发现他原来是个盲人。