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氧氣和其發現的歷史

發布時間:2019-04-26人氣:5075 次

氧(IUPAC名:Oxygen)是一種化學元素,符號為O,原子序為8,在元素周期表中屬于氧族。氧屬于非金屬,是具有高反應性的氧化劑,能夠與大部分元素以及其他化合物形成氧化物。

氧在宇宙中的總質量在所有元素中位列第三,僅居氫和氦之下。 在標準溫度和壓力下,兩個氧原子會自然鍵合,形成無色無味的氧氣,即雙原子氧O2)。氧氣是地球大氣層的主要成分之一,在體積上占20.8%,僅次于氮氣。 地球地殼中近一半的質量都是由氧和氧化物所組成。

氧是細胞呼吸作用中重要的元素。在生物體中,主要有機分子,如蛋白質、核酸、碳水化合物和脂肪等,還有組成動物外殼、牙齒和骨骼的無機化合物,都含有氧原子。生物體絕大部分的質量都由含氧原子的水組成。光合作用利用陽光的能量把水和二氧化碳轉化為氧氣。氧氣的化學反應性強,容易與其他元素結合,所以大氣層中的氧氣成分只能通過生物的光合作用持續補充。

臭氧(O3)是氧元素的另一種同素異構體,能夠較好地吸收中紫外線輻射。位于高海拔的臭氧層有助阻擋紫外線,從而保護生物圈。不過,在地表上的臭氧屬于污染物,為霧霾的副產品之一。在低地球軌道高度的單原子氧足以對航天器造成腐蝕。

卡爾·威廉·舍勒于1773年或之前在烏普薩拉最早發現氧元素。約瑟夫·普利斯特里亦于1774年在威爾特郡獨立發現氧,因為其成果的發表日期較舍勒早,所以一般被譽為氧的發現者。 1777年,安東萬-羅倫·德·拉瓦節進行了一系列有關氧的實驗,推翻了當時用于解釋燃燒和腐蝕的燃素說。他也提出了氧的現用IUPAC名稱「oxygen」,源自希臘語中的「?ξ??」(oxys,尖銳,指酸)和「-γεν??」(-genes,產生者)。這是因為命名之時,人們曾以為所有酸都必須含有氧。許多化學詞匯都在清末由徐壽等人的翻譯書籍傳入中國,其中原法文元素名「oxygène」被譯為「養」,后譯為「氱」,最終演變為今天的中文名「氧」。

氧的應用包括暖氣、內燃機、鋼鐵、塑料和布料的生產、金屬氣焊和氣割、火箭推進劑、氧療及航空器、潛艇、載人航天器和潛水所用的生命保障系統。

早期實驗
費隆所做的實驗啟發了后世對燃燒與空氣間關系的研究。

人類最早研究燃燒和空氣之間的關系,可追溯至前2世紀古希臘學者拜占庭的費隆所做的實驗。費隆在著作《氣動學》(希臘語:πνευματικ?)中寫道,如果將點燃的蠟燭置于水中,再用瓶子蓋住蠟燭至水面,水面就會在瓶頸內上升。

費隆錯誤地推論,有一部分空氣經燃燒轉換成火元素,因此可以經玻璃中的小孔逃逸出去。過千年以后,李安納度·達文西在費隆的基礎上又觀察到,燃燒和呼吸都會消耗部分空氣。

17世紀,羅拔·波義耳證明空氣是燃燒過程必需的物質。約翰·梅奧進一步證明,燃燒只需要空氣中的一種成分,他稱之為「銅硝石之靈」(拉丁語:spiritus nitroaereus)。

在其中一個實驗中,他發現把點燃的蠟燭或老鼠放在蓋著水面的密封容器內,水面都會上升,而且在蠟燭熄滅或老鼠死亡時,容器內空氣的四分之一容量會被水取代。

他得出的結論是,燃燒和呼吸都會消耗「銅硝石之靈」。

梅奧發現銻在燃燒之后重量有所提升,由此論證「銅硝石之靈」一定是在燃燒過程中和銻結合了。他也認為,肺臟能將「銅硝石之靈」從空氣中分離出來,運送到血液之中,而動物的熱量和肌肉運動都是「銅硝石之靈」與體內某些其他物質反應的結果。 梅奧在1668年《兩篇論文》(拉丁語:Tractatus duo)中的〈論呼吸〉(拉丁語:De respiratione)一文中發表了這一系列實驗和發現。

格奧爾格·恩斯特·斯塔爾推動了燃素說的發展和普及

羅伯特·虎克、奧勒·博克、米哈伊爾·瓦西里耶維奇·羅蒙諾索夫和皮埃爾·巴揚在17、18世紀都在實驗中產生了氧氣,但無一發現氧是一種化學元素。 由于有當時盛行的燃素說來解釋燃燒和腐蝕過程,因此他們都沒有發現氧氣在這些過程中重要的作用。

煉金術士約翰·約阿希姆·貝歇爾在1667年建立燃素說,化學家格奧爾格·恩斯特·斯塔爾又于1731年對燃素說作進一步修改。 根據燃素說,所有可燃物質都由兩部分組成。一部分為「燃素」,會在物質燃燒過程中釋放出來。不含燃素的部分則是物質的「純態」。 人們認為,木材、煤等可燃性高、燃燒殘留物少的物質主要都由燃素所組成,鐵等不可燃、會受腐蝕的物質則含有很少的燃素。空氣在燃素說中并無任何作用,此學說最初也未經量化實驗的驗證。大部分常見物質在燃燒過程中都會變輕,所以似乎失去了某種成分,這成為了燃素說的主要觀察基礎。

舍勒比普利斯特里更早發現氧氣,但研究結果發表得比他遲,瑞典藥劑師卡爾·威廉·舍勒在1771至1772年間最早發現氧。他對氧化汞和不同硝酸鹽一同加熱,產生出氧氣。舍勒把這種氣體產物稱為「火之氣」,因為它能支持燃燒過程。手稿《論空氣與火的化學》(德語:Chemische Abhandlung von der Luft und dem Feuer)記錄了這項發現,1775年寄往出版商,1777年出版。約瑟夫·普利斯特里一般被譽為氧的發現者,1774年8月1日,英國教士約瑟夫·普利斯特里把陽光聚焦到裝有氧化汞的玻璃管中,從而釋放出一種氣體,他將其稱為「無燃素氣」(英語:dephlogisticated air )。他注意到,蠟燭在這一氣體中燃燒得更加旺盛,老鼠在呼吸此氣時顯得更加活躍,存活的時間也更長。在自己吸入「無燃素氣」后,普利斯特里寫道:「它在肺中的感覺和普通空氣無異,但一段時間內我感到胸腔格外輕盈舒適,頗感良好。這些發現在1775年發表的論文《對空氣的進一步發現》(英語:An Account of Further Discoveries in Air)中有所記載。由于普利斯特里比舍勒更早發表論文,因此常被稱為氧氣的最早發現者。

法國化學家安東萬-羅倫·德·拉瓦節之后也聲稱獨立發現了氧氣。普利斯特里在1774年10月拜訪拉瓦節時向他講解過這項實驗如何釋放出某種新的氣體,又于1774年9月30日致信拉瓦節,講述他所發現的新物質。拉瓦節并未提及收到過此信。舍勒去世之后,人們在他的遺物之中發現了這封信的副本。

拉瓦節的成果

雖然拉瓦節并沒有獨自發現氧氣,但他卻是對氧化過程進行量化實驗并正確解釋燃燒過程的第一人。 自1774起,他利用一系列實驗推翻了燃素說,又證明普利斯特里和舍勒所生成的物質是一種化學元素。

拉瓦節觀察到,在密封容器中對錫和空氣加熱后,總重量并沒有增加。在打開容器時,空氣會迅速涌入。以此可推論,加熱過程消耗了容器中的部分空氣。他也注意到,錫的重量有所提升,且重量之差和涌入的空氣之重量相同。與此類似的實驗都記錄在拉瓦節1777年出版的著作《燃燒總論》(法語:Sur la combustion en général)中。他證明空氣是兩種氣體的混合物:燃燒和呼吸過程所必需的「活氣」(法語:l’air vital),以及無助燃燒和呼吸的「死氣」(法語:azote,取自希臘語?ζωτον ,意為「無生命」),也就是氮氣。法語等某些歐洲語言至今仍稱氮氣為「azote」。

1777年,拉瓦節將「活氣」改名為「oxygène」,結合希臘語詞根「?ξ??」(尖銳,指酸味)和「-γεν??」(產生者)。之所以詞源提到酸味,是因為他誤以為所有酸都必須含有氧。 盡管如此,「oxygen」已成為氧的IUPAC元素名,在國際上通用。

英國的普利斯特里比拉瓦節更早研究氧氣,「oxygen」一詞也受到了英國科學家的反對。不過在1791年,伊拉斯謨斯·達爾文(查理斯·達爾文的祖父)的科普詩集《植物園》(英語:The Botanic Garden)出版,其中一首名為Oxygen的詩以歌頌氧氣為主題,使「oxygen」進入英語詞匯之中。

后期歷史
羅伯特·戈達德,身旁為液氧汽油火箭,約翰·道耳頓的原子理論主張,所有元素都是單原子物質,而在化合物中,不同元素的原子數都呈最簡單的整數比。例如,道耳頓假定水的公式為HO(1個氫原子對1個氧原子),從而推論氧的原子量為氫的8倍。今天所知的實際數值約為16。 [20]1805年,約瑟夫·路易·蓋-呂薩克和亞歷山大·馮·洪保德證明水是由兩份氫、一份氧所組成。事實上,氫氣和氧氣都是雙原子分子。 1811年,阿莫迪歐·阿佛加德羅利用這一點,通過阿佛加德羅定律推導出水的正確成分。

19世紀末,科學家發現可以通過壓縮和冷卻使空氣變為液體,再分離其中的各種成分。瑞士化學家、物理學家拉烏爾·皮克泰利用串級法,通過蒸發液態二氧化硫使二氧化碳液化,再通過蒸發液態二氧化碳使氧氣液化。

1877年12月22日,他向法國科學院發送電報,宣布發現液氧。 兩天后,法國物理學家路易·保羅·卡耶泰宣布用自己的方法,同樣成功制成液氧。 兩人都只產生了幾滴液氧,無法進行進一步的分析。 1883年3月29日,波蘭科學家齊格蒙特·弗羅布萊夫斯基和卡羅爾·奧爾謝夫斯基終于制成穩定狀態下的液氧。 1891年,蘇格蘭化學家詹姆斯·杜瓦產生了足夠的液氧做進一步研究。

1895年,德國工程師卡爾·馮·林德和英國工程師威廉·漢普森分別研發出商業可行的氧氣液化過程。兩者都先降低空氣溫度,使其液化,再用蒸餾法將不同成分逐一氣化,分開捕獲。

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