空气中到底有哪些主要成分,它们是如何被发现的呢?

红磷燃烧实验

许多的科学家做过的实验,都与空气中的成分有关。

18世纪,英国化学家布拉克(Black,J.-)的学生D·卢瑟福用动物做实验研究空气成分,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了,又向其中加入少量的磷,除掉了空气中的助燃气体。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,能灭火,因此命名为“浊气”或“毒气”。

年,瑞典化学家舍勒对空气进行研究,他用硫磺和铁粉混合,在空气中燃烧,消耗掉钟罩中空气中的氧气而制得氮气,当时他称它为“浊气”或“用过的空气”,或能使人死亡的气体。舍勒明白了,原来当时人们认为空气是一种元素的观点是错误的。他猜想:空气是两种不同物质的混合,一种是浊气,能使人死亡的空气;一种是能使人活命的空气,能帮助燃烧,在燃烧中消失。他把红热的木炭扔到充满“能活命的气体”的瓶中,木炭迅速燃烧,光亮耀眼,比在普通空气中燃烧得更快更亮。舍勒将1/5的这种气体和4/5浊气混合于瓶中,蜡烛能正常燃烧,老鼠也同在普通空气中一样呼吸。由此他确定这种气体是一种纯净的能活命的气体。舍勒给这种气体命名为“火空气”。舍勒习惯亲自“品尝”一下发现的化学元素。从他死亡的症状来看,他似乎死于汞中毒。

年,英国化学家普利斯特里利用一个大凸透镜,把阳光聚焦起来,加热氧化汞,用排水集气法收集产生的气体,并研究了这种气体的性质。他发现蜡烛在这种气体中以极强的火焰燃烧;老鼠在瓶中存活时间为相同容积的普通空气的两倍。他并用玻璃吸管从放满这种气体的大瓶里吸取它,感到十分轻松舒畅,他将它命名为“脱燃素空气”,后来他将此方法告诉了拉瓦锡。

1汞受热实验

为了验证空气的成分,法国科学家拉瓦锡和助手,用炉子昼夜不停地加热曲颈甑中的水银。在水银的表面,很快出现了红色的物质。加热持续了二十昼夜,红色物质仍不增多,才结束了实验。

拉瓦锡发现,实验结束时,钟罩里的空气的体积,大约减少了五分之一。

如果用化学的语言----文字表达式和化学反应式来表示这一过程:

那个瓶颈弯曲的瓶子,叫做“曲颈甑”(zeng4声)。瓶中装有水银。瓶颈通过水银槽,与一个钟形的玻璃罩相通。玻璃钟罩内是空气。(图片来自于网站:美丽化学)

红色的氧化汞:

他收集了红色的物质,用高温加热。分解了,重新释放出气体。拉瓦锡得到的气体体积,正好与原先钟罩中失去的气体体积相等。至于剩下来的气体,既不能帮助燃烧,也不能供呼吸用。

拉瓦赐发现,占空气总体积五分之一的气体,能合成多种酸,故命名为“酸气”。拉瓦锡错误地认为,所有的酸都含有这种新气体。氧气的中文名称是清朝中国化学家徐寿命名的。他认为人的生存离不开氧气,所以就命名为“养气”即“养气之质”,后来为了统一就用“氧”代替了“养”字,便叫这“氧气”。

至于剩下的占空气总体积五分之四的气体,拉瓦锡称它为“氮气”(拉丁文原意是“不能维持生命”)。

2红磷燃烧实验

在实验室中,我们为了迅速消耗氧气,改进D·卢瑟福的方法,用红磷来替代汞,用点燃来替代加热。

将红磷放入燃烧匙,并放在酒精灯上点燃,迅速放入集气瓶并塞好,观察现象。

实验现象

(1)产生大量白烟;

(2)水倒吸入集气瓶,约占集气瓶总体积的1/5。

A.实验原理:利用红磷在空气中燃烧,消耗空气中的氧气,使瓶内气体减少,压强减小,使水倒吸进入集气瓶。

B.此验证实验为什么用红磷(P)而没有用别的可燃物?

(1)必须在空气中能够燃烧;

(2)生成物必须为固态物质;

(3)只能与空气中的氧反应而不与其他物质反应。

实验结论

直接结论:氧气约占空气总体积的1/5;

间接结论:氮气不燃烧也不支持燃烧,且难溶于水。

3注意事项

如何才能保证实验成功呢?

1.装置气密性必须良好;

2.集气瓶中预先加入少量水,用于吸收生成的白烟(五氧化二磷,化学式P2O5),并降低温度;

3.待体系温度恢复到室温再打开弹簧夹;

4.红磷必须过量,有利于尽量多的消耗集气瓶中的氧气;

5.若用其他物质代替红磷,则这种替代品必须在空气中能够燃烧,生成物必须为固体(或能够迅速被吸收),只能与空气中的氧气反应。

这个实验,有时候进入的集气瓶的水小于总体积的1/5,可能是什么原因导致的?

1-装置气密性不好;

2-红磷的量不足;

3-未待装置冷却就打开弹簧夹;

4-氧气含量降低到一定程度,红磷无法继续燃烧,瓶中还有少量氧气。

红磷燃烧产生的白烟,是五氧化二磷,它是一种有毒的物质,而且这个演示实验需要的条件比较苛刻,比如需要在通风环境下演示,且对橡胶塞等器材有要求,导致成功率一般(实际情况是笔者动手能力还需要大幅提高)。

综上,从环保和效果这个实验还有很大的改进空间。

4小结-思维导图



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