【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學(xué)叢書編委會”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎(chǔ)自學(xué)教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當(dāng)于如今的初高中水平，其最大特點(diǎn)就是可用于“自學(xué)”。當(dāng)然由于本書是大半個(gè)世紀(jì)前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎(chǔ)學(xué)生直接拿來自學(xué)。不過這套叢書卻很適合像我這樣已接受過基礎(chǔ)教育但卻很不扎實(shí)的學(xué)酥重新自修以查漏補(bǔ)缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的備注。

【山話嵓語】『數(shù)理化自學(xué)叢書』其實(shí)還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學(xué)基礎(chǔ)自學(xué)內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學(xué)的一條龍數(shù)理化自學(xué)教材大系列。不過我依然選擇6677版，首先是因?yàn)?677版保留了很多古早知識，讓我終于搞明白了和老工程師交流時(shí)遇到的奇特專業(yè)術(shù)語和計(jì)算模式的來由。另外就是6677版的版權(quán)風(fēng)險(xiǎn)極小，即使出版社再版也只會再版80年代改開版。我認(rèn)為6677版不失為一套不錯(cuò)的自學(xué)教材，不該被埋沒在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時(shí)間，將『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』上傳成文字版。?

第二章氧和氫

§2-1空氣

引言

? ? ? ? 在第一章里，我們學(xué)習(xí)了有關(guān)物質(zhì)的一些最重要的基本概念，例如，分子、原子、元素、單質(zhì)、化合物等。從這一章開始，我們就將運(yùn)用這些基本概念來研究物質(zhì)。

? ? ? ??自然界里物質(zhì)的種類是非常多的，我們不可能都一一拿來研究。我們知道，一切物質(zhì)都是由相同的或不相同的元素所組成，而組成物質(zhì)的元素的種類卻并不太多。在§1-7里講過，現(xiàn)在已經(jīng)知道的元素，一共有105種，而且其中大約只有三十種左右是常見的，它們在自然界里存在的量比較多，和人們的關(guān)系比較密切。我們在生產(chǎn)上和生活上經(jīng)常接觸到的各種物質(zhì)，絕大部分都是由這三十種左右的元素組成的。因此，在化學(xué)上研究物質(zhì)，是以元素為基礎(chǔ)的，首先是研究那些由最常見和最重要的元素所組成的單質(zhì)和化合物。

? ? ? ??氧、氫、碳是三種最重要的元素，和人們的關(guān)系特別密切。在我們經(jīng)常接觸到的許多物質(zhì)里，例如水、空氣、巖石、泥土、礦物、各種燃料（象煤、石油、天然氣等）以及動(dòng)植物機(jī)體等，大都含有這些元素。因此，我們首先來研究這幾種元素。

氧

? ? ? ??氧是地殼里含量最多的一種元素，它既以游離態(tài)又以化合態(tài)而存在著。我們所熟悉的氧氣是游離態(tài)的氧，各種含氧化合物里的氧是化合態(tài)的氧。水是最重要的含氧化合物之一，此外，在所有巖石和礦物里，在動(dòng)植物機(jī)體里，大都也含有氧。

? ? ? ??氧氣是一種什么樣的物質(zhì)呢？在小學(xué)里，我們已經(jīng)知道，空氣里含有氧氣和氮?dú)猓諝獾脑S多性質(zhì)，例如空氣能夠供給動(dòng)植物呼吸，能夠維持許多物質(zhì)的燃燒等，實(shí)際上就是它里面所含的氧氣的作用。因此，在研究氧氣以前，我們先來研究一下空氣的成分、性質(zhì)和用途。

空氣的成分和性質(zhì)

? ? ? ??人類一直就生活在空氣里，但人們對空氣的成分和性質(zhì)的認(rèn)識還不過是近一二百年來的事情。

? ? ? ??最初人們曾錯(cuò)誤地認(rèn)為空氣是一種簡單物質(zhì)，后來才知道它并不是一種單純的氣體，而是氧氣和氮?dú)鈨煞N氣體的混和物。

山箋：拉瓦錫與空氣組成

（1）拉瓦錫與拉瓦錫夫人

? ? ? ? 拉瓦錫Antoine Lavoisier（1743-1794），法國化學(xué)家，其通過對氣體的研究，使化學(xué)從定性科學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)槎靠茖W(xué)；并發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)守恒定律；還發(fā)現(xiàn)了氧氣在燃燒反應(yīng)中的作用；?其測定空氣的成分，并用化學(xué)反應(yīng)解釋呼吸……由于其在現(xiàn)代化學(xué)領(lǐng)域的卓越貢獻(xiàn)，被后世譽(yù)為近代化學(xué)之父。

? ? ? ? 但可惜，也許正如華朝通遼可汗所說的那樣——當(dāng)先師，下場都不會太好——1794年時(shí)，法國大革命都已經(jīng)到尾聲了，但拉瓦錫終究還是沒有躲過厄難。一位持燃素論觀點(diǎn)的革命者，竟然僅僅因?yàn)榭茖W(xué)理念不同，就公報(bào)私仇的將拉瓦錫推上了斷頭臺。

? ? ? ? 這簡直是人類的災(zāi)難，一位人類的智者甚至是先知，就這樣倒下了。大數(shù)學(xué)家拉格朗日，不無嘆息的說到：“暴徒們一瞬間就可以砍掉他的腦袋，但人類一個(gè)世紀(jì)都難以再長出這樣的一個(gè)腦袋”【山注：此處翻譯成“暴徒”不是在夾帶私貨，而是看的文獻(xiàn)就是這樣寫的。It took the?mob?only a moment to remove his head; a century will not suffice to reproduce it.當(dāng)然我看的是英語文獻(xiàn)，拉格朗日的原話應(yīng)該是法語寫的?！?/span>

? ? ? ? 拉瓦錫夫人Marie-Anne Paulze Lavoisier，是拉瓦錫的妻子，但可惜很少有人知道她的事跡。這樣說吧，如果沒有拉瓦錫夫人，拉瓦錫的很多成果根本就沒有可能面世。

? ? ? ? 首先拉瓦錫夫人是拉瓦錫科研的強(qiáng)力合作者。她多才多藝，不僅精通化學(xué)（尤其是化學(xué)實(shí)驗(yàn)），而且擅長繪畫，更掌握了多門外語，她不僅為拉瓦錫的實(shí)驗(yàn)提供最強(qiáng)的后勤保障，而且為拉瓦錫翻譯外國學(xué)術(shù)文獻(xiàn)，并為拉瓦錫的著作繪制插圖，其為拉瓦錫的科學(xué)研究提供了強(qiáng)大的支持。

? ? ? ? 其次是拉瓦錫夫人的堅(jiān)韌與勇敢。拉瓦錫被送上斷頭臺后，拉瓦錫夫人的人生發(fā)生巨變，但其沒有崩潰，而是勇敢無畏的撐起了拉瓦錫的未盡事業(yè)。其悉心整理了拉瓦錫的遺稿，并不斷推動(dòng)拉瓦錫成果文獻(xiàn)的出版工作，可以說，后世人能看到拉瓦錫全面的科研成果，要?dú)w功于這位外柔內(nèi)剛的奇女子。

【相關(guān)文獻(xiàn)段落節(jié)選——《Chemistry: Atoms First 2e》openstax】

? ? ? ??French nobleman Antoine Lavoisier, widely regarded as the “father of modern chemistry,” changed chemistry from a qualitative to a quantitative science through his work with gases. He discovered the law of conservation of matter, discovered the role of oxygen in combustion reactions, determined the composition of air, explained respiration in terms of chemical reactions, and more. He was a casualty of the French Revolution, guillotined in 1794. Of his death, mathematician and astronomer Joseph-Louis Lagrange said, “It took the mob only a moment to remove his head; a century will not suffice to reproduce it.”

? ? ? ?? Much of the knowledge we do have about Lavoisier's contributions is due to his wife, Marie-Anne Paulze Lavoisier, who worked with him in his lab. A trained artist fluent in several languages, she created detailed illustrations of the equipment in his lab, and translated texts from foreign scientists to complement his knowledge. After his execution, she was instrumental in publishing Lavoisier's major treatise, which unified many concepts of chemistry and laid the groundwork for significant further study.

（2）空氣成分組成的發(fā)現(xiàn)

? ? ? ? 拉瓦錫采用定量的方法研究了空氣的成分組成。研究過程簡單的說就是首先在密閉容器中加熱銀白色的液態(tài)汞，從而得到紅色粉末（HgO）。然后取出粉末再加強(qiáng)熱，重新得到汞和氣體（O?）。最后對密閉容器剩余氣體以及粉末生成的氣體進(jìn)行研究測量從而得出結(jié)論。
? ? ? ? 通過實(shí)驗(yàn)，拉瓦錫得出了空氣是由氧氣和氮?dú)饨M成的，其中氧氣約占空氣總體積的1/5。當(dāng)然此時(shí)氮?dú)夂脱鯕獾膶傩院兔侄歼€沒有形成公論，畢竟此時(shí)“燃素論”還有很強(qiáng)的勢力。并且由于時(shí)代局限，拉瓦錫并未區(qū)分出二氧化碳、惰性氣體等和氮?dú)庥型瑯幼枞紝傩缘臍怏w。

（3）初學(xué)者實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法

? ? ? ? 拉瓦錫的實(shí)驗(yàn)方法沒有問題，不過對于普通人，操作難度太大，并且汞是有毒物質(zhì)，不易處理。因此目前初學(xué)者要驗(yàn)證這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，一般采用燃燒紅磷法。

? ? ? ? 將一密閉容器與燒杯用導(dǎo)管相連，燒杯中倒入足量的水，而密閉容器中放入少量的水（防止紅磷燃燒物落下燒壞容器），實(shí)驗(yàn)前用夾子阻斷導(dǎo)管。然后將點(diǎn)燃足量紅磷深入密閉容器中，待燃燒熄滅后，放開導(dǎo)管夾，由于瓶中消耗掉部分空氣，從而使瓶內(nèi)壓強(qiáng)低于大氣壓，則燒杯中的水會被大氣壓入密閉容器中，待流動(dòng)結(jié)束后，觀察密閉容器中水的比例，這就大致是燃燒掉氧氣的體積。

? ? ? ? 到了19世紀(jì)末，經(jīng)過仔細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)空氣里除了氧氣和氮?dú)庖酝?，還含有少量氦氣、氖氣、氬氣、氪氣和氙氣，它們幾乎完全不能和其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以總稱它們?yōu)槎栊詺怏w。惰性氣體都是單質(zhì)，而且它們的每個(gè)分子都只含有一個(gè)原子，因此是單原子分子（參看§1-9)。

? ? ? ??此外，空氣里還含有少量的二氧化碳、水蒸氣，以及或多或少的灰塵和別的雜質(zhì)。

? ? ? ??根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定，空氣里所含各種氣體的百分比，按體積計(jì)算是：氧氣約21%，氮?dú)饧s78%，惰性氣體約0.94%，二氧化碳約0.03%，其他氣體和雜質(zhì)約0.03%。這就是說，在100體積的空氣里，大約含有氧氣21體積，氮?dú)?8體積，…等。

? ? ? ??在不同的地區(qū)，空氣里各種氣體的百分比也會稍有不同。例如在人煙稠密的工廠區(qū)，由于那里燃料燒得多【絕大部分燃料（象煤、炭、煤氣、石油等）燃燒時(shí)都有二氧化碳放出】，空氣里的二氧化碳可能就會多些；在森林區(qū)，由于那里綠色植物的光合作用【綠色植物發(fā)生光合作用時(shí)要吸收二氧化碳并放出氧氣】，空氣里的二氧化碳可能就會少些。但空氣是能夠流動(dòng)的，因此，從整個(gè)地球上大氣的成分來看，空氣里各種氣體的百分比幾乎是不變的。

? ? ? ??空氣是無色、無味、無嗅（沒有氣味）的氣體。在0℃和1大氣壓下，每升空氣重1.293克。用增加壓強(qiáng)和降低溫度的辦法，能使空氣變成液態(tài)，稱做“液態(tài)空氣”。

? ? ? ??空氣能夠供給動(dòng)植物呼吸，能夠支持物質(zhì)的燃燒，這是由于空氣里存在著氧氣的緣故。

? ? ? ??空氣里的氮?dú)馐且环N性質(zhì)比較穩(wěn)定的氣體【關(guān)于氮?dú)獾男再|(zhì)，將在化學(xué)第二冊第五章里詳細(xì)討論】，它在空氣里起著“沖淡”氧氣的作用。例如物質(zhì)在純粹氧氣里的燃燒要比在空氣里劇烈得多（見§2-2），這就是因?yàn)榭諝饫锏难鯕庖驯坏獨(dú)狻皼_淡”的緣故。

? ? ? ??空氣里氮?dú)獾倪@種“沖淡”作用，對動(dòng)物的生命來說，有著十分重大的意義。純凈氧氣對動(dòng)物機(jī)體的作用十分劇烈，會嚴(yán)重傷害機(jī)體的組織，它是不適宜于動(dòng)物呼吸的。

? ? ? ??許多金屬在空氣里會生銹。例如，在潮濕的空氣里鐵容易變成棕黃色的鐵銹，銅器表面上容易生成一層銅綠。這是由于空氣里的氧氣、水蒸氣、二氧化碳等氣體的共同作用而發(fā)生的復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果。

? ? ? ??組成空氣的各種氣體，在空氣里都各自獨(dú)立地存在著。空氣的性質(zhì)，實(shí)際上就是這些氣體性質(zhì)的總和。因此，空氣是這些氣體的混和物。

空氣的用途

? ? ? ??空氣是人們生活不可缺少的東西，如果沒有空氣，人的生命連幾分鐘都不能維持。

? ? ? ??空氣能夠支持物質(zhì)的燃燒，在生產(chǎn)和生活中，各種燃料的燃燒大都是在空氣里進(jìn)行的。

? ? ? ??從液態(tài)空氣可以制得氧氣和氮?dú)猓ㄒ姟?-5），氧氣在很多方面有著重要的用途（見§2-4）；氮?dú)馐侵圃斓省⑾跛岬鹊闹匾稀?/p>

? ? ? ??空氣里所含的少量惰性氣體也有很多實(shí)際用途。例如氦氣很輕【氦氣在0℃和1大氣壓下每升重0.178克，是同體積空氣重的1/7左右】，可以充裝氣球（氫氣雖然更輕，但有燃燒爆炸的危險(xiǎn)，不如氦氣安全)。氬氣和氮?dú)饣旌秃?，可以充裝在電燈泡里，使燈泡經(jīng)久耐用。在氖氣里放電可以產(chǎn)生紅色的光，在氬氣里放電可以產(chǎn)生淡藍(lán)色的光，利用氖氣、氬氣等的這種性質(zhì)可以用來制造霓虹燈。

習(xí)題2-1

1、試用原子-分子論的觀點(diǎn)來解釋空氣是混和物。

【山答】空氣中含有氧分子、氮分子等，而分子是能獨(dú)立存在并保持物質(zhì)性質(zhì)的最小微粒，因此氧分子和氮分子是獨(dú)立存在的不同物質(zhì)分子，故空氣是混合物。

2、空氣里所含各種主要成分的用途是什么？

【山答】

氧氣：維持生命，支持燃燒。

氮?dú)猓褐圃斓?、硝酸等化學(xué)品。

氦氣：充氫氣球。

氖氣、氬氣：制作霓虹燈。