气体化学之父,那多少个雅观的赛璐珞装置

化学之美,在于那些精密的分子结构,在于那些五光十色的化学反应,更在于那些拿在手上的“瓶瓶罐罐”。太多人沉迷于微观的化学结构和宏观的化学反应,而忽视了手中化学装置的精美。

| 导语 |

不断努力学习,及时对知识点进行归纳,才能让自己的知识更加丰富,下面是查字典化学网为大家整理的空气知识点梳理,欢迎大家阅读。

普利斯特里1733年3月13日出生在英国利兹,从小家境困难,由亲戚抚养成人。175年进入神学院。毕业后大部分时间是做牧师,化学是他的业余爱好。他在化学、电学、自然哲学、神学等方面都有很多著作。他写了许多自以为得意的神学著作,然而使他名垂千古的却是他的科学著作。1764年他31岁时写成《电学史》。当时这是一部很有名的书,由于这部书的出版,1766年他就当选为英国皇家学会会员。

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在认真调研历史资料的基础上,美丽化学和上海映速再次联手,用国际一流水准的CG图形复原了1660-1860年间15部重要的化学装置。请您欣赏(视频版):[History

气体化学之父,那多少个雅观的赛璐珞装置。一、空气成分的发现

1722年他39岁时,又写成了一部《光学史》。也是18世纪后期的一本名著。当时,他在利兹一方面担任牧师,一方面开始从事化学的研究工作。他对气体的研究是颇有成效的。他利用制得的氢气研究该气体对各种金属氧化物的作用。同年,普利斯特里还将木炭置于密闭的容器中燃烧,发现能使五分之一的空气变成碳酸气,用石灰水吸收后,剩下的气体不助燃也不助呼吸。由于他虔信燃素说,因此把这种剩下来的气体叫“被燃素饱和了的空气”。显然他用木炭燃烧和碱液吸收的方法除去空气中的氧和碳酸气,制得了氮气。此外,他发现了氧化氮,并用于空气的分析上。还发现或研究了氯化氢、氨气、亚硫酸气体、氧化二氮、氧气等多种气体。1766年,他的《几种气体的实验和观察》三卷本书出版。该书详细叙述各种气体的制备或性质。由于他对气体研究的卓著成就,所以他被称为“气体化学之父”。

随着科学技术的发展,化学装置渐渐由繁至简,往往由机械批量制造。但在人类刚刚迷上化学的化学革命时代,那些化学大家们纯手工打造的化学装置其实有着惊人之美。为了留住这些化学装置的美丽,美丽化学团队(beautifulchemistry.net)与上海映速艺术家合作,在保证科学准确性的基础上,用一流的电脑图像还原了化学史资料中的原始化学装置,力争达到照片效果。

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    Instrument]()

1、18世纪70年代,瑞典科学家舍勒和英国化学家普利斯特里,分别发现并制得了氧气。

在气体的研究中最为重要的是氧的发现。1774年,普利斯特里把汞烟灰放在玻璃皿中用聚光镜加热,发现它很快就分解出气体来。他原以为放出的是空气,于是利用集气法收集产生的气体,并进行研究,发现该气体使蜡烛燃烧更旺,呼吸它感到十分轻松舒畅。他制得了氧气,还用实验证明了氧气有助燃和助呼吸的性质。但由于他是个顽固的燃素说信徒,仍认为空气是单一的气体,所以他还把这种气体叫“脱燃素空气”,其性质与前面发现的“被燃素饱和的空气”差别只在于燃素的含量不同,因而助燃能力不同。同年他到欧洲参观旅行,在巴黎与拉瓦锡交换好多化学方面的看法,并把用聚光镜使汞银灰分解的试验告诉拉瓦锡,使拉瓦锡得益匪浅。拉瓦锡正是重复了普利斯特里有关氧的试验,并与大量精确的实验材料联系起来,进行科学的分析判断,揭示了燃烧和空气的真实联系。可是直到1783年,拉瓦锡的燃烧与氧化学说已普遍被人们认为是正确的时候,普利斯特里仍不接受拉瓦锡的解释,还坚持错误的燃素说,并且写了许多文章反对拉瓦锡的见解。这是化学史上很有趣的事实。一位发现氧气的人,反而成为反对氧化学说的人。然而普利斯特里所发现的氧气,是后来化学蓬勃发展的一个重要因素。因此各国化学家至今都还很尊敬普利斯特里。

团队负责人梁琰先生告诉科学人,复原工作首先要选择化学革命前后的12位重要的科学家并泛阅读化学史资料和科学家原始著作,从中选择最有代表性的化学仪器。接下来在原著中的原始插图上添加详细的文字标注。
最后与上海映速艺术家合作,在保证科学准确性的基础上,用一流的电脑图像还原化学装置,力争达到照片效果。

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2、1774年法国化学家拉瓦锡用定量的方法研究了空气的成分,第一次明确提出了空气是由氧气和氮气组成,其中氧气约占空气总体积的1/5。拉瓦锡是第一个对空气组成进行探究的化学家,第一个用天平进行定量分析。

1791年,他由于同情法国大革命,作了好几次为大革命的宣传讲演,而受到一些人的迫害,家被抄,图书及实验设备都被付之一炬。他只身逃出,躲避在伦敦,但伦敦也难于久居。1794年他六十一岁时不得不移居美国。在美国继续从事科学研究。1804年病故。英、美两国人民都十分尊敬他,在英国有他的全身塑像。在美国,他住过的房子已建成纪念馆,以他的名字命名的普利斯特里奖章已成为美国化学界的最高荣誉。

波义耳真空泵(1660)

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上图展示的是著名化学家罗伯特·波义耳( Robert Boyle) 1660
年的著作《关于空气弹性及其效应的物理-力学新实验》(New Experiments
Physico-Mechanical, Touching the Spring of the Air, and Its
Effects
)中的真空泵(复原图)。它能使观察者看到玻璃试管内部的情况,并允许人们引导甚至控制实验的发展。波义耳通过这台真空泵进行了很多有关空气属性的实验。

波义耳真空泵,1660。

3、1892年英国物理学家瑞利与英国化学家拉姆赛合作发现空气中还存在着一种极不活泼的气体—氩

梅奥燃烧装置(1674)

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上图展示的是英国化学家约翰·梅奥(John Mayow) 1674
年的著作《医学生理学研究》(Tractatus Quinque
Medico-Physici
)中研究物质燃烧的实验装置(复原图)。梅奥曾证明了空气对燃料和生命的重要作用。并通过实验得出空气经燃烧和呼吸后,残存下一种不活泼气体,用水吸收后呈酸性;空气至少包括两种成分的结论。

Reproduced based on Robert Boyle’s book, New Experiments
Physico-Mechanical, Touching the Spring of the Air, and Its Effects
(1660).

二、空气中氧气含量的测定

梅奥动物呼吸测试装置(1674)

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上图展示的是梅奥 1674 年的著作《医学生理学研究》(Tractatus Quinque
Medico-Physici
)中研究动物呼吸的实验装置。梅奥发现,动物呼吸与物质燃烧一样,会消耗空气中的一部分气体(复原图)。

梅奥研究蜡烛燃烧实验装置,1674。

1、测定空气中氧气含量的实验原理:在一个密闭的容器

黑尔斯发酵法制备气体(1727)

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上图展示的是植物生理学和空气化学专家斯蒂芬·黑尔斯(Stephen Hales)1727
年的著作《植物静力学》(新浦京www81707con ,Vegetable
Staticks
)中通过发酵方法制备和收集气体的实验装置(复原图)。可以通过倒立容器中水位的变化确定绿豆等被测物在发酵过程中产生气体的体积。

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里,用足量的红磷与容器内氧气反应,生成一种白色固体,

普里斯特里气体装置(1774)

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上图展示的是英国化学家约瑟夫·普里斯特里(Joseph Priestley) 1774
年的著作《不同气体的实验和观察》(Experiments and Observationson
Different Kinds of
Air
)中使用的进行各种气体实验的实验装置(复原图)。普利斯特里的重大贡献是发现氧和其他气体。1772年发现了二氧化氮;1773年发现氨;1774年发现二氧化硫。

Reproduced based on John Mayow’s book, Tractatus Quinque
Medico-Physici(1674).

燃烧结束时,温度降至室温时,瓶内气压减小,如果打开

舍勒氧气制备装置(1777)

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上图展示的是著名化学家卡尔·威廉·舍勒(Carl Wilhelm Scheele) 1777
年的著作《论空气和火的化学》(Chemische Abhandlung von der Luft unddem
Feuer
)中用于制备氧气的装置。装置中的曲颈瓶中装有硝酸钾与浓硫酸的混合物,在火炉加热下释放出一种无色气体,被固定在曲颈瓶瓶口用动物膀胱做成的口袋收集。他对这种气体的性质作了研究,发现它可以帮助燃烧,所以他把这种气体叫做“火气”,并且通过硫肝(主要成分是硫化钾和多硫化钾)对氧气的吸收和白磷在氧气中燃烧,测出了“火气”占空气体积的约五分之一,实际上这种火气就是氧气。

梅奥研究动物呼吸实验装置,1674。

与外界相连的止水夹,烧杯中的水在大气压强作用下,流

拉瓦锡探究红磷在氧气中燃烧(1789)

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上图展示的是拉瓦锡(Antoine-Laurent de Lavoisier) 1789
年的著作《化学概论》(Traité Élémentaire de
Chimie
)中研究红磷在氧气中燃烧的实验装置。

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入密闭容器内,进入水的体积就是消耗氧气的体积。

伏打电堆(1800)

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上图展示的是亚历山德罗·伏特(Alessandro Volta) 1800
年的论文《论仅由不同导电物质相接触而产生的电力》(On Electricity
Excited by the Mere Contact of Conducting Substances of Different
Kinds
)中著名的伏打电堆。伏打电堆(Voltaic
pile),又名伏打堆,是最早出现的化学电池。由亚历山德罗·伏打发明,伏打电堆由很多个单元堆积而成,每一单元有锌板与铜板各一,其中夹着浸有盐水的布或纸板。

Reproduced based on John Mayow’s book, Tractatus Quinque
Medico-Physici(1674).

磷+氧气→五氧化二磷

戴维灯(1816)

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上图展示的是英国化学家汉弗里·戴维( Humphry Davy)1818
年的著作《煤矿工人安全灯和火焰研究》(On the Safety Lamp for Coal
Miners, with Some Researches on
Flame
)中的煤矿安全灯。这种灯在矿井里点燃不会引起瓦斯爆炸。

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2、实验装置:

李比希元素定量分析装置(1837)

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上图展示的是德国化学家李比希 1837 年的著作《有机物分析》(Anleitung zur
Analyse Organischer
Körper
)中用于测量有机物中碳、氢、氧含量的元素分析的实验装置。李比希提出,由各种元素含量推知元素结构,从而得出化学式。

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从原始图片到细节标注再到电脑图像还原,每一步都讲述着化学是一项精细而美丽的科学。(编辑:wuou)

黑尔斯研究物质发酵产生气体的装置,1727。

Ⅰ)、仪器:集气瓶、燃烧匙、导气管、烧杯、弹簧夹。

本文图片及部分图片说明来自美丽化学团队(beautifulchemistry.net)。如果你也热爱化学,请期待美丽化学团队的新书《美丽的化学反应》。

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Reproduced based on Stephen Hales’ book, Vegetable Staticks(1727).

Ⅱ)、药品:红磷、水。

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3、实验步骤:

普利斯特里气体实验装置,1774。

Ⅰ)、先在集气瓶内加入少量水,并做上记号。

Reproduced based on Joseph Priestley’s book, Experiments and
Observations on Different Kinds of Air(1774).

Ⅱ)、连接装置。

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Ⅲ)、用弹簧夹夹紧乳胶管。

普利斯特里用电火花引发气体化学反应的装置,1774。

Ⅳ)、检查装置的气密性。

Reproduced based on Joseph Priestley’s book, Experiments and
Observations on Different Kinds of Air(1774).

Ⅴ)、点燃红磷,伸入集气瓶内。

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Ⅵ)、燃烧结束冷却后,打开弹簧夹。

舍勒制备氧气实验装置,1777。

4、实验现象:产生大量浓厚的白烟(白烟是五氧化二磷的小颗粒),放出大量的热量,冷却后打开止水夹,进入水的体积约占集气瓶内空气总体积的1/5。

Reproduced based on Carl W. Scheele’s book, Chemische Abhandlung von der
Luft und dem Feuer (1777).

5、实验成功的关键:

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Ⅰ)、红磷要过量

卡文迪许研究氢氧混合爆炸的装置,1784。

Ⅱ)、装置必须密封

Reproduced based on Henry Cavendish’s paper, Experiments on Air (1784)
and photos of this apparatus on Science Museum’s website.

Ⅲ)、导管内先注满水

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Ⅳ)、冷却到室温后,打开弹簧夹。

拉瓦锡水银氧化实验装置,1789。

6、实验分析与结论:

Reproduced based on Antonine Lavoisier’s book, Traité Élémentaire de
Chimie (1789).

红磷燃烧生成的五氧化二磷固体极易溶于水,不占气体体积,磷的燃烧消耗了集气瓶内的氧气,冷却后,大气压把烧杯内的水压进集气瓶,压进的水约是集气瓶内消耗的氧气的体积,由此证明,空气中氧气约占空气总体积的1/5.

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7、讨论与思考

拉瓦锡红磷燃烧实验装置,1789。

Ⅰ)、为什么红磷必须过量,熄灭后瓶内还有没有残余的氧气?如果红磷的量

Reproduced based on Antonine Lavoisier’s book, Traité Élémentaire de
Chimie (1789).

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不足,测得空气中氧气的体积分数偏大还是偏小?

拉瓦锡研究物质发酵产生气体的装置,1789。

红磷过量,燃烧时才能比较完全地消耗瓶内空气中的氧气,但不能完全消耗,因为氧气含量低时,红磷在这样的条件下不能继续燃烧,所以红磷熄灭后,瓶内仍有少量残余的氧气。如果红磷的量不足,则不能将集气瓶内空气中的氧气完全反应掉,集气瓶内水面上升不到原剩余空气体积的1/5,导致测得的空气中氧气的体积分数偏小

Reproduced based on Antonine Lavoisier’s book, Traité Élémentaire de
Chimie (1789).

Ⅱ)、装置气密性不好,测得氧气的体积分数偏大还是偏小?

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装置的气密性不好,当集气瓶内氧气耗尽时,瓶内压强减小,瓶外空气会进入集气瓶内,导致进入水的体积减小,测得的氧气的体积分数偏小。

伏打电堆,1800。

Ⅲ)、导管事先未注满水,会引起测量结果如何改变?导管未注满水,燃烧冷却后,进入的水有一部分存在于导管中,所以集气瓶内水的体积减少,故氧气的体积减少,测量结果偏低。

Reproduced based on Alessandro Volta’s research paper, On Electricity
Excited by the Mere Contact of Conducting Substances of Different Kinds
(1800) and photos of voltaic piles on the internet.

Ⅳ)、装置未冷却就打开弹簧夹,测量结果偏高还是偏低?

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因为温度较高时,气体压强较大,进入瓶内水的体积减少,引起测量结果偏低。

戴维安全灯,1816(左),1818(右)。

Ⅴ)、能否用硫、木炭、铁丝等物质代替红磷?

Reproduced based on Humphry Davy’s research paper, On the Fire-Damp of
Coal Mines, and on Methods of Lighting the Mines so as to Prevent Its
Explosion (1816) and his book, On the Safety Lamp for Coal Miners, with
Some Researches on Flame (1818).

因为硫或木炭燃烧后生成的是二氧化硫和二氧化碳,会弥补反应所消耗的氧气的体积,导致测量结果误差加大;而铁丝在空气中难以燃烧,瓶内空气的体积几乎不会变化,因而集气瓶内水面不会上升。

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也不能用镁条代替红磷,原因是镁能与氮气反应,生成固体,使测得结果偏大。

李比希有机物元素分析装置,1837。

Ⅵ)、该实验选择可燃物的条件:

Reproduced based on Justus von Liebig’s book, Anleitung zur Analyse
Organischer Körper (1837) and photos of this apparatus on Liebig Museum
website.

①、该物质在空气中就能燃烧

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②、该物质燃烧后生成的物质为固体

基尔霍夫光谱仪,1860。

Ⅶ)、实验结果偏小的原因(氧气体积分数﹤21%):

Reproduced based on Gustav Kirchhoff’s research paper, Chemical Analysis
by Spectrum-Observations (1860).

①、红磷的量不足

上面仪器CG复原工作得到了上海网晟网络科技有限公司刘辉先生的慷慨资助,在此我们深表感谢!欢迎访问“美丽化学”新版网站,发现更多精彩内容。网址:

②、装置气密性不好

www.BeautifulChemistry.net

③、未冷却室温就打开止水夹

原载美丽科学(ID:beautifulscience),作者梁琰;本文获授权刊发,略有修订。

Ⅷ)、实验结果偏大的原因(氧气体积分数﹥21%):

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①、点燃红磷在插入集气瓶时赶走了瓶里部分空气

知识分子,为更好的智趣生活。

②、点燃红磷前未夹紧止水夹,使瓶里空气沿导管跑出

投稿、授权事宜请联系:zizaifenxiang@163.com。

③、选用了能与氮气反应的物质如镁条。

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自己的化学符号;混合物没有化学符号。

五、空气是一种宝贵的资源:

1、氮气的性质和用途

Ⅰ)、N2物理性质:是一种无色无味的气体,难溶于水,密度比空气得略小

Ⅱ)、N2化学性质:很不活泼,一般情况下不支持燃烧,也不能燃烧,不供

给呼吸,在一定条件下可与某些物质反应,如:合成氨、制氮肥、生物固氮等。

Ⅲ)、N2用途:

①是制氮肥和硝酸的重要原料。

②作保护气,如焊接金属时常用作保护气、灯泡中充氮气以延长使用寿命、食品包装时充氮气以防腐。③医疗上用液氮治疗一些皮肤病和在液氮冷冻麻醉条件下做手术。

④超导材料在液氮的低温环境下能显示超导性能

2、稀有气体:

Ⅰ)、稀有气体是氦、氖、氩、氪、氙、氡等气体的总称,是混合物。

Ⅱ)、物理性质:是一种无色无味的气体,难溶于水。

Ⅲ)、化学性质:极不活泼,曾被称为惰性气体。

Ⅳ)、用途

①保护气,如焊接金属用稀有气体来隔绝空气等。

②电光源,稀有气体在通电时发出不同颜色的光。,

③用于激光技术

④氦气可做冷却剂

⑤氙气可作麻醉剂

3、空气的污染及防治措施

Ⅰ)、大气污染引发的三大环境问题

温室效应——使全球变暖

酸雨——使土壤酸化、破坏建筑物等。

臭氧空洞——使紫外线危害人类和动植物。

Ⅱ)、空气污染物及来源

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Ⅲ)、空气污染防治措施

①加强空气质量监测:空气质量日报

②消除污染源:

a、减少化石燃料的使用,更多使用清洁能源。

b、革新工艺,使工厂减少废气排放。

③治理废气:

a、汽车尾气安装净化装置。

小编为大家整理的空气知识点梳理,大家阅读了吗?,最后祝大家有好的成绩。

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