氧气的错误
zhuyaohua2008/06/29化学 IP:广东
历史学家麦考莱(Macaulay)傲慢地说:“连小学生都知道,
蒙提祖马二世于1520年死于对抗西班牙征服者Hernando Cortés的
战争。”后世的麦考莱或许会更加振振有词地说:“连小学生都
知道,氧气是由英国化学家普利斯特列(Joseph Priestley)首先发
现的。”无可否认,这种说法将见诸于所有的初等化学课本及课
堂,化学教师们认为这是正确的。

  毫无疑问,氧是一种关系极为重大的元素。我们几个星期不
吃东西、几天不喝水还能撑过去,但只要几分钟不呼吸就会呜乎
哀哉。氧化(化学物质与氧结合)大概是所有化学反应中最重要
的一种,是几乎所有活物的终极能量之源。氧化过程可以很快,
从而迅速地释放能量,譬如燃烧;也可以很慢,譬如人体细胞里
酶催化下的反应。为了活着,人体必需得到持续不断的氧气供应。
这一供应来自于大气,被血液迅速运送到每一个细胞。我们呼吸
的空气中有20%是氧,78%是氮,还有微量的稀有气体,和0.03%
的二氧化碳。氮是一种不活泼的气体,通常不对人体产生作用。
只有在人体暴露于高压气体环境中、氮气大量溶解于体液时,才
会起到重要作用③。

  普利斯特列(1733~1804)是一位杰出的科学家,可惜犯了
个巨大的判断错误。离奇的是,尽管他终生坚持的化学理论——
燃素论——最终被他自己的研究所推翻,他本人却从未放弃过这
一理论。不过,他终是对科学有着显著贡献。普利斯特列对气体
特别有兴趣,他被酿啤酒时释放的气体(现在我们知道那是二氧
化碳)所吸引,便收集了许多,并通过实验表明,这种气体在高
压下易溶于水。这是苏打水和发泡软饮料工业的开端,风行的
“汽水”(这名字并不恰当)热的源头。几乎所有淡而无味的流
体,包括白开水,溶解了二氧化碳之后都会变得非常可口。当前
的商家正把二氧化碳溶入“天然矿泉”水,造出美味的饮料,赚
进大笔的银子。
              
  基本上,燃素说是指任何能够燃烧的东西都含有一种特殊的
物质,称为燃素。在燃烧过程中,燃素被释放到空气中。普利斯
特列做了许多实验,用很大的放大镜聚焦阳光,加热金属氧化物
(矿石),观察“燃素”的性质。1772年,他发现植物能释放出
一种动物生存必需的气体。两年后,他通过加热汞和铅的红色氧
化物制取出了同样的气体。他试着呼吸这种气体,发现它不仅无
害,而且使人感到轻快舒畅。他在在封闭的容器里分别充入等量
的普通空气和这种新气体,发现老鼠在新气体里的清醒程度比在
空气里还高一倍④。普利斯特列得出结论说,他发现了一种不含燃
素的新气体,并把它称之为“无燃素气”。当然,事实上他是发
现了氧气。

  瑞典药剂师及化学家舍勒(Karl Wilhelm Scheele,1742~1786)
几乎籍籍无名,不过现在正逐渐被科学史家认为是18世纪最伟大
的化学家。他非常了不起,在化学上做出了许多发现,科学史上
几乎无人能比。舍勒致力于追求科学的一生,可能还因为喜欢他
尝尝新发现的物质的味道而被缩短了。他分离出了砷、钡、氯、
镁、钼和氮,制造出了几十种重要的新型化合物,包括氧化溴、
苯甲酸、柠檬酸、亚砷酸铜(绿色颜料舍勒绿)、没食子酸、氰
化氢、硫化氢、氟化氢、乳酸、苹果酸、多种高锰酸、四氟化硅、
酒石酸、钨酸和尿酸。事实上,他对化学的贡献可能超过了同时
代任何其他科学家。1775年他被选为瑞典皇家科学院院士,这对
一位药剂师的助手来说,实在是一桩独特的荣誉。
              
  舍勒还发现,某些银盐遇光会发生变化,从而提早50年预见
到了摄影术的基础。他注意到石墨与二硫化钼的结构相似性,从
那以后二硫化钼便开始作为一种比石墨优越的固体润滑剂得到广
泛使用。

  1771年,舍勒在加热氧化汞时,发现了一种具有奇特性质的
新型气体。它无色、无臭,身处其中的小动物如老鼠非常活泼。
带火星的木条放进这种气体,会立刻冒出火焰。舍勒把这种气体
称为“火气”,成为第一个发现空气中含有两种气体、一种能够
支持燃烧而另一种不能的人。他立刻写了一本叫做《论空气和火
的化学》的书,描述了这些实验。舍勒之所以被科学史家所忽略,
很大程度上该归咎于他的赞助人、瑞典化学家伯格曼(Torbern
Bergman, 1735~1784)太懒。伯格曼答应给舍勒的书写序言,生性
安静恬退的舍勒可能是太羞怯,也可能是太专注于其它的研究,
不愿去向伯格曼唠叨。结果伯格曼拖了很久才把序言写出来,舍
勒的出版商(有时候他也会因为这本书出得太迟而受到指责)直
到1777年才得以出版这本书。这时候,普利斯特列类似实验的结
果已经发表很久了,他获得了发现氧气的荣誉。

  这还不是故事的结局。1774年,普利斯特列去拜访伟大的法
国化学家拉瓦锡(Antoine Laurent Lavoisier,1743~1794),把自己
的实验结果告诉了他。傲慢的拉瓦锡把普利斯特列当作一个业余
科学家,他立刻重复了普利斯特列的实验,证实了这一发现,并
马上认识到其重要性,想到这种新气体是空气的重要组成部分。
在经过一番有点儿混乱的思考之后,他决定把它称做氧气(Oxygen),
希腊文的意思是“酸素”(其实不是)。拉瓦锡错误地认为,所
有的酸都含有这种新气体。不过,他也像舍勒一样指出,空气中
含有两种主要气体,一种支持燃烧(氧),一种不支持(氮)。
他还研究了呼吸氧气的动物产生的热,证明呼吸作用与燃烧有关
系。
              
  这些发现实在太重要了,拉瓦锡决定以新元素的发现者进入
历史,便声称这发现是自己作出的,完全抹杀了普利斯特列的功
劳。至于氧气真正的发现者舍勒,自然更是被忽视和遗忘
来自:数理化 / 化学
9
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~~空空如也
zhuyaohua 作者
16年7个月前 IP:未同步
32482
临界希望
许多年——大概是15年吧——以来,超导研究是一个与元素
周期表中某些怪异名字打交道的美梦或恶梦:钇钡铜氧化物超导体、
镧钡铜氧化物半导体、铋系氧化物半导体等等。

  超导,是指材料冷却到一定温度(临界温度)时,电阻变为零
的现象。理论上,在一个超导环路里面,电流永远也不会损失能量,
能够持续到宇宙终结的时候。

  通过把各式粉末混在研钵里磨来磨去、然后放到炉子里烧一烧,
科学家已经大大提高了这些复杂物质的临界温度,也有人开始尝试
制造实用化的超导电缆或线圈。然而,或许是因为能够承载的电流
不够强罢,或许是因为这些化合物太贵了罢……总之十多年前许诺
的超导时代似乎仍与十多年前一样遥远。

  因此,脱离复杂的工艺,返朴归真地发现一种简单的、仅由两
种元素构成的、稳定的、便宜得可以随意地在化学试剂商店买到的
东西具有超乎寻常的超导性能,实在不能不让物理学家们奔走相告,
并且议论纷纷。

  二硼化镁,MgB2, 一种在三十多年前学术界寻找简单化合物
超导体的热潮中被忽略的物质。日本青山学院大学理工学部的物理
学教授秋光纯和他的研究小组发现,高纯度二硼化镁被冷却到39K
(零下234℃)时,能够表现出明显的超导特性。
  

  他们以超乎寻常的短篇幅,在今年3月1日的英国《自然》杂志
上撰文报告了这一发现。不需要再多说什么,立刻全世界都有研究
人员开始摆弄二硼化镁。

  39K不算什么骄人的成绩,如果是与铜氧化物们160K的临界温
度相比的话。然而,此前从来没发现任何一种简单化合物的临界温
度高于30K。 许多人相信,按照著名的BCS超导理论,不会有什么
简单化合物能做到这一点——这也是当年大家逐渐抛弃了简单化合
物、转而研究那些复杂物质的一个原因。

  以往的经验表明,往材料里掺一点儿别的东西,有可能显著提
高临界温度。如果二硼化镁的起点就这么高,人们可以想当然地认
为,给它掺点儿什么,能够把临界温度升得更高。如果可以做到这
一点,再克服一些其它的弱点,便宜的二硼化镁,作为超导产业实
用化的希望,比铜氧化物要高得多了。

  大概3个月之后——5月31日, 《自然》发表了3篇与二硼化镁
研究进展有关的文章。两篇是关于抗磁性能的,一篇是关于二硼化
镁导线制造工艺的。

  磁场会严重影响二硼化镁的超导性能,大大降低它所能承载的
最大电流即临界电流强度(超过这一电流强度,超导能力就完蛋了)。
而超导材料在实际应用中不可避免地要接触磁场,这实在是非常要
命。

  美国威斯康星大学的科学家无意地在二硼化镁中掺入了一点氧,
结果发现其抗磁能力大大增加,临界电流强度也有所提高。英国帝
国理工学院的科学家则使用质子束轰击二硼化镁,打乱晶体中原本
有规则的原子结构,也成功地使磁场对二硼化镁超导性能的影响力
下降。

  美国朗讯技术公司的研究人员说,他们成功地制造出了二硼化
镁导线。二硼化镁是一种硬而脆的物质,延展性非常差(从图片中
可以看到,它通常是一种瓶装的粉末)。可以把它压碎成粉末后包
裹在金属管里,再压制成长条。但二硼化镁易与铜、镍等普通金属
发生反应。科学家使用铁管来装二氧化镁粉末,然后压制成条状,
所得到的“导线”拥有与整块二硼化镁的超导性能相当。

  还会有什么呢?期待中。
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