- 趣說化學:自然界的魔法師
- 劉行光 帥猛編著
- 1732字
- 2020-11-18 11:36:28
2.6 小數點后第三位數字的價值
氦是人類發現的第一個惰性元素,它的發現饒有趣味。它是英國物理學家瑞利在對氣體密度作精密測量時發現的。他的發現,是小數點后一個不起眼的小誤差所提供的機遇。
瑞利以善于用較簡單的實驗設備獲得十分精確的數據而著稱。自1882年起,瑞利開始研究大氣中各種氣體的密度。在當時,大氣中的氧和氮都已被發現并確定為元素,科學界大多數人都深信大氣的成分已經研究得很透徹了——主要成分是氧和氮,還有少量碳酸氣和水蒸氣。瑞利分別用電解水、加熱氯酸鉀和加熱高錳酸鉀三種方法制取純凈的氧,測得了它們的密度完全相同,并確定了氫和氧的密度之比為1∶15.882。接著,他在測定氮的密度時發現從大氣中除去氧、碳酸氣和水蒸氣后所得的氮氣的密度為1.2572克/升,而由亞硝酸氨制得的氮的密度是1.2508克/升,兩者相差0.0064克/升。盡管在實驗允許的誤差范圍之內,但瑞利沒有放過這小數點后第三位和第四位數字上的誤差,他以高達萬分之一克靈敏度的天平反復測試,結果證明了這個差別仍然存在。

瑞利
瑞利對這個不起眼的誤差百思不得其解,他撰文在《自然》雜志上公開征答。
瑞利的征答公布后,一位學者向瑞利提供了卡文迪許在100多年前遇到的一個重要實驗事實:卡文迪許曾經在玻璃容器里用電火花使氮和氧化合,他發現不論化合過程延續多久,總有一個小氣泡不能被氧化,從而猜想空氣中的濁氣不是單一的,還有一種不會與氧化合的成分,其總量不超過全部空氣的l/120。另一位有心人、年輕的化學家拉姆塞表示要與瑞利合作。拉姆塞剛發現了化合物氮化鎂具有吸收大量氮的本領,他因此推測,瑞利發現的細微誤差,可能是兩種方法制取的氮不純而引起的。他試圖用氮化鎂來檢查氮的純度,然而實驗結果表明:用空氣中的氮制取氮化鎂之后,剩余的氮越少,測得氮的密度就越大。開始時氮的密度接近14,氮化鎂生成后,又吸附剩余的氮,剩下氮的密度從15一直上升到30。拉姆塞仔細觀察,重復精密稱量,屢試不爽。他因此推斷,也許剩余氣體中存在三原子的氮(N3,密度為21),或者存在其他未知的較重元素。拉姆塞決心與瑞利一起解開這個難題。
瑞利重復了卡文迪許的實驗,發現在電火花使氮和氧化合的過程中,果然有小氣泡不能被氧化,他認為卡文迪許的猜想是有道理的。他和拉姆塞進行了多次測定,以判斷“從化合物中制得的氮”和“從空氣中制得的氮”是不是一回事。他們先把從“化合物中制得的氮”與鎂一起加熱,或與氧混合通以電火花,再用“從空氣中制得的氮”進行同樣的試驗,兩者對照。結果證明前者制得的氮是純氮,后者不是純氮,含有較重的新元素。
1894年8月3日在牛津召開的英國科學振興會上,拉姆塞和瑞利公布了這一發現。新元素被命名為氬(意為“懶惰者”)。他們以辛勤的勞動請出了躲藏在深處的“懶惰者”。
1888年,美國礦物學家將無機酸加入鈾礦中發現有一種不活潑的氣體發生,而誤稱為氮。拉姆賽見到這個報告時,重做了這個實驗,結果發現與存在的太陽元素——氦的譜線相同,證明了氦在地球空氣中也有,但只占空氣成分的1/250000。
由于發現了氬和氦,并確定了它們在元素周期表中的位置,拉姆賽于是斷定在空氣中至少還有三種類似的氣體。他與英國另一位化學家特拉維斯合作,在三年時間內,終于找到了這三種氣體:氖、氪、氙。他們發現的方法是將空氣液化,再進行分離而得到。這三種氣體都少得可憐,例如氙,只占空氣的一億七千萬分之一。拉姆賽根據放射能的研究,在理論上創立了元素的變質論。1910年,拉姆賽與格萊合作,經反復探索,最后發現了具有放射性的惰性氣體——氡,完成了整個惰性元素的發現。
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惰性氣體的化學活性為什么如此懶惰呢?
這是由它們的原子結構決定的。惰性氣體原子的外層電子不多不少恰好排滿,處于最穩定的狀態。它既不肯“貪他人之財”奪取別的元素的電子而顯電負性,又不肯獻出自己的電子而顯電正性。這樣不送出電子也不納入電子,使得它不容易和別的元素發生反應,而樂于保持“光榮的孤立”。就是在同種原子間,彼此也很少來往,不像氫、氧、氮、氯等許多氣體分子那樣呈雙原子存在,而惰性氣體分子呈單原子狀態。因為它們分子間的結合力相當微弱,所以熔點和沸點都比其他分子量相近的物質要低得多。氫氣的沸點就很低了,而氦的沸點比氫還要低,并且根本成不了固體,即使溫度降到接近熱力學零度即-273.16℃仍是液體。