作者:张宇宁 来源: 中国科学报 发布时间:2020-7-30
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实验改变气体研究

赫尔蒙特

 

张宇宁

气体定律是大学课程体系中一个重要的知识点,与物理、化学等公共基础课以及流体力学、热力学等专业核心课程均有着较为密切的联系。

尽管几千年来人们对于气体并不陌生,但对于气体物理和化学方面的性质却一直知之甚少。而且,早期在人们的意识之中,只有空气“一种”气体。后来,科学家逐步发现了二氧化碳、氮气、氧气等多种气体,并且更进一步地认识到空气实际上是一种混合物。气体的认识历程极大地促进了化学学科的发展,也进一步促进了相关的工业应用。

公元前五世纪及之前,众多哲学家便对物质世界进行了深入的思考。古希腊哲学家恩培多克勒(公元前494—434)综合前人的思想提出了“四元素说”,其中的“气”专指空气(英文air),并非现在通常意义上的气体(英文gas)。我国的哲学家提出了五行学说,也是对物质世界的一种哲学划分。

真正让人们意识到除了空气以外气体存在的是比利时化学家赫尔蒙特(1580—1644),他发现了我们今天所熟知的二氧化碳、氨气等多种气体。英文中的气体一词,即gas,也是赫尔蒙特从古希腊文中引入的。

赫尔蒙特做了非常多的实验,例如,他发现动物的排泄物经过发酵以后会产生一种气体(即甲烷),它可以燃烧。木头燃烧后也会产生一些废气(即二氧化碳),但他发现这些气体并不会助燃烧,反而会让火焰熄灭。

他最著名的实验是持续了五年之久的“柳树实验”。赫尔蒙特先用一个瓦盆装上200磅的经过干燥的土,然后把一棵5磅重的柳树载种到盆中,不断地给它浇水。过了一段时间后,柳树长大了,从种下去的5磅长到了169磅3盎司。经过称量,赫尔蒙特发现瓦盆中土的质量变化实际上很小,可以忽略不计。他猜测一定是水促使柳树长大,并变成了柳树的各个部分。另外,他进一步观察到,很多物质在燃烧后也都会产生水。

这些实验让他坚定地认为,水是所有物质的基础,通过“柳树实验”,水变成了柳树的树干等物质,通过气体等的燃烧,物质又回归于水。因此,从本质上讲,赫尔蒙特仍然继承了“四元素说”的哲学体系。与“四元素说”不同的是,他重视实验观察并通过实验认识和了解世界,并非纯粹地进行哲学思考。这在当时是一种很大的进步。

在早期的化学研究及气体的制取方面,瑞典化学家舍勒的贡献非常之大。从14岁起,舍勒便在药房跟随药剂师做学徒接触了化学,对化学、药学等学科产生了浓厚的兴趣,并且勤奋地阅读和工作。舍勒的勤奋正如药剂师写给舍勒父亲的信中所说,“他把一半睡眠时间用于阅读那些对他来说还过于高深的著作,损害了他的健康”。

18世纪60年代,舍勒研究了金属和酸的反应所生成的气体(即氢气),发现这种气体非常易燃。1770年,舍勒发现当萤石(主要成分是氟化钙)和浓硫酸共热时,会产生一种溶于水呈酸性的气体(即氟化氢),并进一步发现此物质可以用来雕刻玻璃。1772年,舍勒尝试了各种方法制取“火气”(即氧气),发现这种气体可以帮助燃烧。基于此,他出版了一生中唯一的著作《论空气和火的化学》。

1774年,舍勒通过软锰矿与浓硫酸共热制取了氯气,并且探索了氯气的很多性质,包括密度大于空气、溶于水、强还原性(漂白)等。舍勒还是很多染料的发明者,如早期用于粉刷墙壁的黄绿色的“舍勒绿”。

在当时的条件下,人们对化合物的毒性并不是很清楚。在研究化学的过程中,为了较为全面地探索物质的化学性质,舍勒有品尝和嗅闻自己合成的化学产物的习惯。而很多气体(如氟化氢)和物质(如“舍勒绿”)对人体均有一定毒性。1786年5月21日,因为长期被化学物质毒害加上过度疲劳,年仅43岁的舍勒与世长辞。

早期,人们主要是通过思考认识自然,而非实验观察。赫尔蒙特重视实验研究,并从中去认识客观的自然规律。他的很多观点也均出自他在相关实验中的观察和思索,这种观点和思想对后世很多学者具有深远的影响。

在气体的研究方面,英国化学家波义耳深受赫尔蒙特的影响,通过实验观察发现了著名的气体实验定律,即“波义耳定律”。在很长的一段时间内,诸多学者在一定程度上受到赫尔蒙特通过实验认知世界思想的影响,包括哈维、伽利略、培根等,对科学的进步和发展起到了很大的推动作用。

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《中国科学报》 (2020-07-30 第8版 博客)
 
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