卡文迪什的科学发现

卡文迪什的科学发现

卡文迪什的科学发现

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氧的化合物而非元素”这两项重大成就，主要归功于英国化学家、物理学家卡文迪什（1731～1810，见图7－6）。

图7－6　卡文迪什

1．作为化学家的卡文迪什

许多人只知道卡文迪什是一位物理学家，但他同时也是一位出色的化学家。作为十足的百万富翁，他生活却十分简朴，与一般平民百姓无异。但他却舍得用自己的钱在家里建立一座规模相当大的实验室，并一生在实验室里从事物理学和化学方面的科学研究。曾有科学史家说卡文迪什“是有学问的人中最富有的，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。令人感到遗憾的是，这位大科学家却笃信燃素说，这使他在化学研究工作中走过一些弯路。

生性腼腆的卡文迪什在一生中只发表过18篇论文，除其中一篇是理论性的外，其余全是实验性和观察性的。只是在他逝世以后，人们才发现他写了大量很有价值的文稿，却没有公开发表。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（1831～1879）和化学家索普（1845～1925）整理出版。

2．惰性气体氩

在化学史上，有一个与卡文迪什文稿有关的有趣的故事。卡文迪什1785年做过一个实验，他向寻常空气和氧气的混合气体中引入电火花，意图将其中的氮全部氧化，并设计好将电火花下产生的二氧化氮用苛性钾吸收。这一实验足足进行了三个星期，最后他发现容器中残留着一个小气泡始终不能被氧化。他的实验记录保存在身后留下来的文稿中，里面写道：“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。”

一百多年以后，1892年，当英国剑桥大学的物理学家瑞利（1842～1919）测定氮的密度时，发现从空气得来的氮比氨氧化分解产生的氮每升重0．0064克，这令他百思不得其解。化学家莱姆塞（1852～1916）对这一现象的解释很有特点，他认为来自空气的氮气中可能含有一种较重的未知气体。这时，化学教授杜瓦（1842～1923）向他们提到剑桥大学的老前辈卡文迪什的上述实验和小气泡之谜。他们立即把卡文迪什的科学资料借来阅读，瑞利重复卡文迪什当年的实验，很快得到了小气泡，印证了百年前卡文迪什的实验观测记录。

于是，莱姆塞设计了一个新实验，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，卡文迪什当年的工作在1894年元素氩的发现中起了重要作用。卡文迪什严谨的科研作风和对化学的重大贡献由此可见一斑。

3．氢的发现

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什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苏斯（约1493～1541，见图7－7）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（1579～1644）曾偶然接触过这种气体，但没有把它离析、收集起来。

英国化学家、物理学家和哲学家波义耳偶然收集过这种气体，但并未进行研究，他只知道这种气体可燃，其他则少有了解。1700年，法国药剂师勒梅里（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什。1766年，卡文迪什向皇家学会提交了一篇研究报告《人造空气实验》，讲述了他用铁、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（1733～1804，见图7－7）发明的排水集气法收集起来进行研究的实验。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。

图7－7　帕拉塞苏斯和普利斯特里

卡文迪什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他已知各种气体都不同。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。卡文迪什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”。他甚至一度设想氢气就是燃素，这种推测很快就得到当时杰出的化学家舍勒（1724～1786）、基尔万（1735～1812）等人的赞同。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。

卡文迪什毕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的问题，通过精确研究，证明氢气是有重量的，只是比空气轻很多。他给出这样的实验：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重量。这样他确定了氢气的密度只是空气的9%。但许多化学家仍不肯轻易放弃燃素说，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。

4．水的合成

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（约前490～前430）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，卡文迪什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，卡文迪什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（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，但卡文迪什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气，才明确得出正确结论，纠正了两千多年来把水当做元素的错误观念：水不是元素而是氢和氧的化合物。1787年，拉瓦锡把过去称作“易燃空气”的这种气体命名为Hy－drogen（氢），意思是“产生水的”，并确认它是一种元素。