化学家研究历程课件

氮气和稀有气体的发现一、氮气的发现氮气在大气中虽多于氧气，由于它的性质不活泼，所以人们在认识氧气之后才认识氮气的。不过它的发现却早于氧气。１７５５年英国化学家布拉克（Black,J.1728-1799）发现碳酸气之后不久，发现木炭在玻璃罩内燃烧后所生成的碳酸气，即使用苛性钾溶液吸收后仍然有较大量的空气剩下来。

后来他的学生Ｄ·卢瑟福（Rutherford,D.1749-1819）继续用动物做实验，把老鼠放进封闭的玻璃罩里直至其死后，发现玻璃罩中空气体积减少１／１０；若将剩余的气体再用苛性钾溶液吸收，则会继续减少１／１１的体积。Ｄ·卢瑟福发现老鼠不能生存的空气里燃烧蜡烛，仍然可以见到微弱的烛光；待蜡烛熄灭后，往其中放入少量的磷，磷仍能燃烧一会，对除掉空气中的助燃气来说，效果是好的。把磷燃烧后剩余的气体进行研究，Ｄ·卢瑟福发现这气体不能维持生命，具有灭火性质，也不溶于苛性钾溶液，因此命名为“浊气”或“毒气”。

在同一年，普利斯特里作类似的燃烧实验，发现使１／５的空气变为碳酸气，用石灰水吸收后的气体不助燃也不助呼吸。由于他同Ｄ·卢瑟福都是深信燃素学说的，因此他们把剩下来的气体叫做“被燃素饱和了的空气”。1774年普利斯特里利用一个直径为一英尺的聚光镜来加热各种物质，看看它们是否会分解放出气体，他还用汞槽来收集产生的气体，以便研究它们的性质。他如法加热汞煅灰（即氧化汞），发现蜡烛在分解出的“空气”中燃烧，放出更为光亮的火焰；他又将老鼠放在这种气体中，发现老鼠比在同体积的寻常空气中活的时间约长了4倍。可以说，普利斯特利发现了氧。遗憾的是他和卢瑟福等都坚信当时的“燃素说”。从而错误地认为：这种气体不含燃素，所以有特别强的吸收燃素的能力，因而能够助燃，当时他把氧气称之为“脱燃素空气”，把氮气称之为“被燃素饱和了的空气”。１７７２年化学家舍勒也从事这一研究。他用硫酐（硫酸与铁粉的混合物）吸收空气中的助燃气而取得了氮气。经实验得出这样的结论：这种气体较空气轻；能灭火，颇似碳酸气，其效力没有碳酸气显著。他是第一个认为氮气是空气成分之一的人。只要把空气中的助燃气吸收，就能制得较纯的氮气。“氮”这个名字，是后来拉瓦锡给它取的，意思是无益于生命。二、稀有气体的发现大约氮气发现的百年之后，英国化学家瑞利（Rayleigh,J.W.S.1842-1919），一方面从空气中除掉氧气、二氧化碳、水蒸气得到氮气；另一方面从氮化物分解制得氮气。他把这两种来源不同的氮气进行比较，发现在正常状态下前者的密度是１．２５７２克／升，后者的密度是１．２５０８克／升.为什么空气中的氮气密度要大些呢？是不是其中还有较重的不活泼气体？英国化学家莱姆塞（Ramsay,W.1852-1916）用燃烧的镁与空气中的氮气作用，以除去空气中的氮，结果剩下少量的稀有气体。经光谱检验，证明是一种新的气体元素叫做氩。后几年他用分级蒸馏法，从粗制的氩中分离出其它三种稀有气体──氖、氪、氙。１８９５年，莱姆塞用硫酸处理沥青油矿，产生一种气体，用光谱鉴定为氦。由于他先后发现氦、氖、氪、氩、氙，获得了１９０４年诺贝尔化学奖。波义耳研究酸、碱的故事

和三种重要的酸碱理论

酸、碱、盐是古代人们早已知道的。醋酸可以说是古代人知道最早的酸。一般食醋中的含量不过3－5％。古时的人常认为果汁中含有的酸都是醋酸，其实各种果汁所含的酸是不同的。食盐、硝、明矾、绿矾、锅灰等物质也是古代人们知道的。如１５世纪德国炼金术家费来丁（Valentine,B.）提出物质是由汞、硫、盐三种元素组成的观点，其中就有盐。关于酸、碱、盐的系统研究，则是１７世纪中叶英国化学家波义耳开始的。他发现酸碱指示剂，对酸、碱进行了识别和分类，使人们形成了酸和碱的统一概念。有一天，波义耳的园丁把一篮美丽的紫罗兰送到书房里，当他欣赏紫罗兰的鲜艳和芳香后，随手摘了一束向实验室走去。他一边走一边沉思着:

现在实验室里可能正在蒸馏矾类（重金属的硫酸盐）制取矾油（浓硫酸），不知道进行得怎样了？走到实验室把门推开，只见缕缕浓烟不断地从蒸馏器流到玻璃接受器。象往常一样他每天照例要检查实验人员的工作，这时候顺手把紫罗兰放在桌上，然后去倾注硫酸。一下子刺激性的硫酸蒸汽从瓶口冒出，很快漫延到桌子的周围。蒸馏完毕后，他拿起紫罗兰准备回到书房。这时他发现紫罗兰也在微微冒烟，因为酸沫溅在上面去了。他想应该把这些酸沫洗掉否则紫罗兰会遭到腐蚀，于是把花放在水盆里浸洗，自己坐在窗前。过了一会儿发现盆子中出现奇迹！这些紫罗兰竟然变成了红色。波义耳把书本扔到一边，立刻拿起花篮回到实验室。要求实验员准备几个杯子，在每个杯子中装一种酸并注入一些水，然后他把紫罗兰分成若干小束分别放入各种酸溶液中。他静静地注意观察着，发现花朵的紫蓝色逐渐变成浅红色，过了一会儿全部变成红色了。波义耳认为这种现象十分有意义，他根据许多种已知酸使紫罗兰变成红色的事、实，概括出这样的规律：不仅盐酸、硫酸能使紫罗兰变成红色，其它的所有酸也同样可以把紫罗兰从蓝色转变成红色，其它的所有酸也同样可以把紫罗兰从蓝色转变成红色。他认为这是一个很重要的发现，以后只需要把紫罗兰的花瓣放进一种溶液中能轻而易举地确定它是是不酸性。他们用水或酒精分别制取紫罗兰的水浸液或酒精浸液作为检查酸的溶液，比直接用紫罗兰花朵方便得多。科学研究往往有这样一类现象:由一种事物或理论的发现，而引起了对其它事物或理论的发现。

波义耳研究各种酸对紫罗兰的作用，从而联想到，紫罗兰对碱溶液是不是也有某种特殊的反应呢？是不是还有其它的有色植物，比紫罗兰的效果更好呢？如果要解决这个问题，也只有用实验室来回答。不畏疲劳、善于深思的波义耳为了寻求科学真理，进一步研究了有关鉴别酸、碱溶液的方法。他发现不仅紫罗兰、玫瑰花等或它们的浸液可以鉴别酸、碱溶液，其它不少的药草、地衣、有色树皮和植物的根都具有区别酸、碱溶液的作用。其中以石蕊的效果最好，遇酸变红，遇碱变蓝。他们不仅把石蕊制成浸液，而且用浸液把纸浸透、烤干，制成石蕊试纸。他把能区别酸、碱的这些药剂，称为酸碱指示剂，用石蕊制成的纸，称为石蕊试纸。把这种纸片放进被检验的溶液中，只要纸片改变了颜色，就能证明这种溶液是酸性还是碱性的。不仅用酸碱指示剂可以区分出酸、碱，而且根据变色的程度可以粗略地反映出酸性、碱性的程度。波义耳还指出:

酸除了具有酸味、能使指示剂变色外，还是一种强有力的溶剂；碱除了能使指示剂变色外，具有滑腻感和除垢的性质，它能溶解油类和硫磺，还具有与酸对抗和破坏酸的能力。波义耳驳斥了当时流行的一种酸碱论，即德国化学家塔亨尼乌斯（Tachenius,1620-1690）等人的观点，他们简化生命过程的化学现象，把生命机体中发生的化学反应都归结为酸碱反应，因此他们认为所有的物质不是酸就是碱。波义耳指出，物质可以分为三类：除了酸碱外，还有盐。波义耳的观点虽然也不很全面，却较其它的分类方法合理得多。酸碱离子理论酸碱离子理论是阿累尼乌斯（Arrhenius）根据他的电离学说提出来的。他认为在水中能电离出氢离子并且不产生其它阳离子的物质叫酸。在水中能电离出氢氧根离子并且不产生其它阴离子的物质叫碱。酸碱中和反应的实质是氢离子和氢氧根离子结合成水。这个理论取得了很大成功，但它的局限性也早就暴露出来。例如：气态氨与氯化氢反应迅速生成氯化铵，这个酸碱中和反应并无水的生成；又如氨的水溶液显碱性，曾错误地认为NH3和H2O形成弱电解质NH4OH分子，然后离解出OH-等。由于阿累尼乌斯的酸碱离子理论不能解一些非水溶液中进行地酸碱反应等问题，1923年布朗特（Bronsted）提出了酸碱质子理论，把酸碱概念加以推广。酸碱质子理论认为凡是能给出质子的物质都是酸，凡是能与质子结合的物质都是碱。即酸是质子的给予体，碱是质子的接受体。这样，一个酸给出质子后余下的部分自然就是碱，因为它本身就是与质子结合的。→由于阿累尼乌斯的酸碱离子理论不能解释一些非水溶液中进行地酸碱反应等问题，1923年布朗特（Bronsted）提出了酸碱质子理论，把酸碱概念加以推广。

酸与碱的定义：凡能给出质子的物质是酸，酸失去1个质子后转化成它的共轭碱；凡是能接受质子的物质是碱，碱得到1个质子后转化成它的共轭酸，如HAc和Ac-为共轭酸碱对。既能给出质子，有可得到质子的物质为两性物质，如H2O、HCO3-为两性物质(amphotericsubstance)。酸碱质子理论它们的关系如下：酸碱反应：是质子转移的反应，酸给出质子而碱同时接受质子。如何用该理论解释气态氨与氯化氢反应迅速生成氯化铵？从以上例子可以看出，酸和碱可以是分子，也可以是阳离子和阴离子。还可以看出，像HPO2-4这样的物质，既表现酸，也表现为碱，所以它是两性物质。同理，H2O，HCO-3等也是两性物质。酸碱质子理论不仅扩大了酸碱的范围，还可以把酸碱离解作用、中和反应、水解反应等，都看作是质子传递的酸碱反应。由此可见，酸碱质子理论更好地解释了酸碱反应，摆脱了酸碱必须在水中才能发生反应的局限性，解决了一些非水溶剂或气体间的酸碱反应，并把水溶液中进行的某些离子反应系统地归纳为质子传递的酸碱反应，加深了人们对酸碱和酸碱反应的认识。但是酸碱质子理论不能解释那些不交换质子而又具有酸碱性的物质，因此它还存在着一定的局限性。路易斯酸碱电子理论路易斯提出的酸碱电子理论是目前概括最广的酸碱理论。该理论认为，凡是能给出电子对的物质叫做碱；凡是能接受电子对的物质叫做酸。即酸是电子对的接受体，碱是电子对的给予体。因此，碱中给出