世界上最轻的气体

【导读】 氢气（hydrogen）是一种极易燃烧、无色透明、无臭无味且难溶于水的气体，化学式为H₂。氢气是世界上已知的密度和相对分子质量最小的气体，可作为飞艇、氢气球的填充气体。2018年2月，中国实现氢气的低温制备和存储，荣获科技部2017年度中国科学十大进展。 荐稿 学科笔记 1766年由卡文迪许在英国发现氢气。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和物理学家卡文迪许。 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化合的浊气，总量不超过全部空气的十二分之一。一百多年后，1892年，英国剑桥大学的物理学家瑞利测定氮气的密度时，发现从空气得来的氮气比从氨气氧化分解产生的氮气每升重0.0064克，百思不得其解，化学家莱姆塞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谜。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，除去空气中的水蒸气、二氧化碳、氧气和氮气后，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。 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气，即使公认对氢气的发现和研究有过很大贡献的卡文迪许本人也认为氢气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，法国药剂师勒梅里在巴黎科学院的《报告》上也提到过它。但是，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、基尔万等的赞同。由于把氢气充到气球中，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。 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。这时氧气也已发现，卡文迪许又用纯氧代替空气进行试验，不仅证明氢气和氧气化合成水，而且确认大约2份体积的氢气与1份体积的氧气恰好化合成水（发表于1784年）。这些实验结果本已毫无异议地证明了水是氢