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第41章 氧族元素环境保护(3)

氧气的发现人之一——普利斯特里

普利斯特里是一位很有名的化学家,不但在所有的普通化学教科书上都要提到他,而且在美国化学会,以能获得普利斯特里奖章作为最高荣誉。在英国利兹还有他的全身塑像,作为永久纪念。在英、美两国,人们都十分尊敬他。

普利斯特里的全名是约瑟夫·普利斯特里。他于1733年3月13日生在英国利兹,后来又在美国好几年,并在宾夕法尼亚大学任过化学教授。最后病故在宾夕法尼亚州。因此,英、美两国都非常尊重他。美国化学会认为他是最早在美国研究化学的学者之一,美国把他住过的房子改成博物馆,就是为了专门纪念他的。

他一生大部分时间实际上是作牧师,化学只是他的业余爱好,为他写传的人,认为他的贡献可分为化学、电学、自然哲学和神学四个方面。他在这四个方面都写过不少著作。

他的父亲原是裁缝店的店主。他从小母亲病故,由姑母抚养大。他在十八岁的时候,思想就比较激进,抛弃了保守的喀尔文教义,成为英国长老会的成员。他幼时就喜欢读书,在一个私立学校里学了很多外国语文,例如:拉丁语、希腊语、希伯来语、阿拉伯语、意大利语、法语和德语。到了晚年,也还学过一点汉语,可见他在多种语文方面富有杰出的才能。

从19岁起,他就重视科学工作和数学,尽管他的数学水平不是太高,还是能够用来解决当时科学上的问题。

对于当时出名的鼓吹燃素说的化学书,如用拉丁文写的《化学基础》等他都反复阅读,并且自己设计实验。他后来对于化学尽管有很重要的贡献,可是他在理论上却始终是错误的燃素说的拥护者。

他在姑母那里,读了好多宗教书籍,在青年时期就开始担任牧师。从1761年他28岁时起,开始写书。他所写的书涉及面很广,有关于英文文法的、有关于教学法方面的、有关于宗教方面的。至于他写的第一部科学方面的书,却是在1764年他31岁的时候写成的《电学史》,当时这是一部很有名的书,印行了好几版。由于这本书的出版,他在1766年当选为英国皇家学会的会员。

在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方面的研究工作。

在1773年他四十岁时,担任了一位贵族的家庭教师。他和著名的政治家兼科学家富兰克林不但在英国见了面,后来还成了书信来往的好朋友。富兰克林多方鼓励普利斯特里从事科学方面的研究。那时的科学研究和现在不同,既不在大学里,也不是在研究单位里进行的,而只能是在私人家里做的。由于他发表了好些科学方面的论文,不但受到本国科学界的重视,而且在国际上也成了很有名的学者。

在1774年他41岁时,到欧洲去参观旅行。在巴黎,他和拉瓦锡交换了好些化学方面的意见。

在1791年左右,他很同情法国的大革命,做了好几次为大革命宣传的讲演。英国当时有些人是反对法国大革命的。一批反对法国大革命的人聚集起来,烧毁了普利斯特里的住宅和实验室。他不得已搬到伦敦去住,但在伦敦也受到一些人的歧视。1794年他61岁时,不得已移居美国。他到了美国之后,受到美国政府和科学界的欢迎,成了美国的公民,在1804年2月6日病故。他在美国所住的房子,至今仍然是化学界一所名胜古迹。

他的著作很多,其中许多已由英文译成多种外文,如法文、德文和荷兰文等。这使他在18世纪后期成为科学界的著名学者。

在1774年,他写了一部名为《几种气体的实验和观察》的三卷本的书,于1766年出版。在这部书里,他在科学界首次详细叙述了氧气的各种性质。

当时他没有利用氧气这个名称,而从燃素说的角度出发,称它为“脱燃素气”。他和卡文迪许同时学会利用集气槽。

在制取出氧气之前,他就制得了氨、二氧化硫、亚硝酸、二氧化氮等,并且对许多无机酸进行过研究,也初步懂得了光合作用。和同时代的其他化学家相比,他采用了很多新的实验技术,所以在学术界的名声相当大,地位相当高,曾被称为“气体化学之父”。

在1784年,他被选为巴黎皇家科学院的国外院士,当时法国巴黎皇家科学院只有八名外国院士。他还获得很多国家的科学荣誉。

普利斯特里和拉瓦锡在1774年见过面,并且讨论了氧气的问题。他把氧气的性质告诉了拉瓦锡。一直到1783年,拉瓦锡的理论已普通被人们认为是正确的了,而普利斯特里仍不按受拉瓦锡的解释,还坚持错误的燃素说,并且写了很多文章反对拉瓦锡的见解。这说明普利斯特里只相信燃素学说,而不相信正确的氧化说。这是化学史上很有趣的事实,一位发现氧气的人,反而成为反氧化学说的人。他在1794年发表过一篇文章,题目是《实验哲学,包括化学中的几个问题》。他对拉瓦锡的正确见解始终不能接受。

关于普利斯特里的科学成就,后来已经由英国皇家学会全部收集起来并出版发行了。接着又由美国哲学会重行加以整理发表。

现在看来,普利斯特里已经是约二百年前的化学家了,但是他所发现的氧气,却是使后来化学蓬勃发展的一个重要因素。因此,各国的化学家至今都还很尊敬他,这是可以理解的。

后来,人们作了很多的关于普利斯特里的传记,编了一些论文集。

硫的发现简史

由于硫在自然界有天然存在,因此,古代在有历史记载以前,人们就发现了硫。《本草经》(秦汉)中说:“石硫磺……能化金银铜铁,奇物。”说明我国古代学者早已对硫的性质有所研究。我们的祖先首先把硫用来制造火药,火药是我国古代的四大发明之一,当时的火药是硫磺、硝石和木炭的混合物。

硫的基本性质早在1777年就为拉瓦锡所认识。

硫的命名起源于远古时代,中国《本草纲目》中称“石硫磺”,拉丁文称“Sulfur”,在英国写作“Sulphur”。欧洲中世纪炼金术士曾用“ω”符号表示硫。

在西方,古代人们认为硫燃烧所形成的浓厚的烟和强烈的臭味能够驱除魔鬼,在古罗马,人们用硫燃烧产生的二氧化硫清扫消毒住屋或漂白布匹,在庞贝城的发掘中,发现一幅画,画中有一个盛有硫磺的铁盘,在铁盘的上面是悬吊物体的装置。

在1776年,法国化学家拉瓦锡首先确定了硫的不可分割性,认为它是一种元素。它的拉丁名称为sulphur,传说来自印度的梵文sulvere,原意为鲜黄色,它的英文名称为sulfur,化学符号为S。

硫的史话

硫是人类最先知道的化学元素之一,具体时期则很难确定。地中海沿岸好多地方都有硫,古代的希腊和罗马人都很注意它。每次火山爆发都带出大量的硫;当时人们把二氧化硫气和硫化氢的臭味当作地下的火山神活动的标志。早在公元前几世纪,人们就注意到西西里大硫矿里所产的纯净而透明硫晶。特别引起人们兴趣的是这种石块会燃烧生成窒息性的气体。怪不得古代的自然研究者,尤其是炼金术士特别重视硫的作用。他们看来,硫的性质很神秘,一燃烧就生成新物质,所以他们联想到硫一定是哲人石的一个组成部分,因而拼命地炼制这种哲人石,总想用人工方法制造金子,但是,结果一无所得。

俄罗斯化学家罗蒙诺索夫(Lomonosor,M.V.1711—1765年)在1763年发表了《论地层》的文章,其中描述了硫:“一提起地下的火是那么多,念头马上就转到地下的火里含的是什么物质。”“还有什么东西比硫更容易发火呢?火里还有什么比它更有力的呢?”“因为不但火山喷出的气体里面在硫,地底下滚汤沸腾的矿泉里和陆地底下的通气口里也聚结有大量的硫,而且没有一块矿石,几乎没有一块石块,彼此摩擦之后不产生硫的气味,不显露它们的成分里含硫的……大量的硫在地球中心燃烧成沉重的气体,在深坑里膨胀起来,顶着地球的上层,使它升高,向四下做出不同程度的运动,产生各式各样的地震,而地面抵抗力最小的地方就最先断裂开来,破坏了的地面的碎块有些比较轻的给抛到高空,再落下来掉在附近;别的碎块因为太大太笨蛋,飞不起来,就变成山。”罗蒙诺索夫这段话,把地球中硫的运动描写得多么生动、多么科学。火山喷出物的气味不一定相同,意大利南部的火山喷出窒息性气体,勘察加半岛上火山爆发时生成云雾状的二氧化硫气。硫不但可以生成气体喷出,还能溶解在地下水里或在地下裂缝里构成矿物。人们从远古时代,就知道从硫的矿物里开采锌、铅、银和金等。

自产业革命开始,欧洲工业开始蓬勃发展。而硫这种化学物质是造纸、染料、制药酸碱、精炼汽油、橡胶加工等工业所必需的原料,因而硫也就成为资本主义国家发展工业争夺的对象。如意大利王国统治下的西西里岛,在18世纪一直是硫的主要供应地。而产业革命发源地英国的舰队多次炮轰西西岛沿岸,企图侵占硫磺资源。稍后由于瑞典人发明从硫铁矿提取硫和制硫酸的方法。于是西班牙丰富的硫铁矿又成为欧洲国家注意的目标,这时英国舰队又出现于西班牙的沿岸,企图侵占硫和硫酸的资源,而西西里岛的硫却被抛到脑后了。接着美国的佛罗里达半岛发现了世界储量最丰富的硫磺矿床。如果按照旧的方法开采,则成本较高不能跟西班牙的硫铁矿竞争。于是开展了科学研究,创造出最新的开采方法。硫的熔点很低,在119℃溶化为液态。他们就利用硫的这种性质,把过热蒸汽压进地层深处,使地下的硫磺矿熔化,随着过热水流出地面。熔化的硫磺涌到地面上凝成一座座大的山丘。由于产量大,成本低,因而赢得了世界上的产硫霸权。这也说明了,科学上出现了一种新的方法,往往可以打破一系列旧的生产状况。难怪当时意大利有家杂志说,新的方法扼死了西西里岛的居民,强迫他们过着半饥饿的生活。只好在贫瘠的农场上栽种橙子,在太阳晒焦的山坡上放羊。从硫的利用历史,也可以看出科学研究对发展国民经济的重大意义。

硫化氢的发现和应用

人们跟硫化氢气体打交道的时间虽然很久很久了,而且对它非常厌恶,但却无所认识,到了17世纪才逐渐有所了解。1663年化学家波义尔知道它能使银器变黑。1772年化学家舍勒才开始研究它,证明硫在氢气中燃烧可以得到这种气体。这种气体中的硫,可以用硝酸和氯气等氧化剂使它析出来。化学家道尔顿也用实验证明,硫化氢是硫和氢组成的。在他的《新系统》第2卷中说:“电火花通过时,硫化氢不受容量上的变迁,但放出固体硫的事实,已经成立。我曾重做这些实验,而不能察出容量之增减,剩下来的气体乃纯洁氢气。”“当与氧气混合时,若其比例为100容硫化氢和50容氧,此混合物被电火花爆炸生成水,将硫析出,而气体不见了。若用100或以上容量的氧,则在汞上面爆炸后,管中有大约87容量的无水亚硫酸,105容量的氧完全不见,或说已与硫化氢气体中的两种元素化合了。”1796年化学家贝托雷证明,硫化氢不是含氧酸。

硫化氢虽然是一种令人讨厌的气体,但它在分析化学的发展中却立下了汗马功劳。在18世纪,由于冶金、机械工业的迅猛发展,要求提供大量的、品种多的矿石,因而极大地推动了地质学、地球化学的发展,而这些科学的发展又往往要以分析化学的发展为前提。另一方面,许多工业部门为了降低生产成本,合理使用原料和提高产品质量,也积极要求搞分析检验工作。在这种情况下,不少化学家开展了分析化学的研究,于是从分析矿泉水发展到矿物、岩石和金属为主的研究了。

在18世纪末期化学家普罗斯采集了各种各样的矿石,如铁矿石、铜矿石、锌矿石、铅矿石和水银矿石等。化学家要分析矿石的成分,就先把矿石放在硫酸溶液里加热。这时从容器里放出一种极为难闻的硫磺气(硫化氢)。有一次普罗斯正在分解含锌矿石,他发现放在旁边的天蓝色的蓝矾溶液,突然蒙上一层棕褐色的薄膜。他感到非常有趣,便使两个容器尽可能靠近些,然后搅动蓝色的蓝矾溶液,这时溶液慢慢变成棕黑色的沉淀析出。这是怎么一回事?硫磺气居然把蓝矾破坏了。他想,我们能不能够利用这个化学反应来检验未知物的成分呢?于是普罗斯开始研究硫磺气对于别的溶液究竟能起什么作用。他发现,硫化氢与铅盐、钴盐和镍盐的溶液作用后,都产生黑色沉淀;与锑盐溶液作用,则产生黄色沉淀,他认为这是化学中很有价值的发现。硫化氢能产生不同颜色沉淀的这个性质,便成为新的分析方法的重要依据。

稍后,德国化学家汉立希(1773—1852年)认为,不应该把分析化学的研究停留在应用个别方法检验的水平上,而应进行系统的研究以减少分析过程的错误和盲目性。为此,可以对所要检验的溶液先以几种基本试剂进行初步的分组检验。经他的研究认为,可以用来分组的基本试剂中,硫化氢就是最主要的一种。于是开始用硫化氢、硫化铵、黄血盐、硫酸按、氨水等作试剂进行分组研究。1829年德国化学家罗塞(1795—1864)科学地制定了以硫化氢为主的系统定性分析。在盐酸处理后的溶液中通入硫化氢,则金、锑、锡、砷、镉、铅、铋、铜、银、汞等离子都形成硫化物的沉淀,而与其他金属离子分开。这样有步骤地用几种基本的试剂把未知物的成分分为若干组,再分别用特种试剂检验,这样可以正确地确定未知物的各成分。所以,硫化氢是分析化学中很重要的基本试剂,在分析化学发展史中,起了极其重要的作用。

典型的半导体——硒

硒是自然界中分布很广的一种元素,据估计,地壳中的硒储量比锑、银、汞等大几倍到几十倍,比金子加上所有铂族元素的总和差不多还要大一百倍。它和锗、硅的性能相似,是一种典型的半导体,在工业生产中有很大的贡献。

硒是在1817年由瑞典化学家贝采利乌斯发现的。当时他正在研究一种生产硫酸的方法,一次他偶然发现在焙烧一种黄铜矿时,铅室的墙上沉积出一层红色的残泥。

这一奇特的现象,引起了他的兴趣。他决定弄清楚红泥的秘密。

当他把这种红泥加热时,十分意外地闻到了一股腐烂的萝卜臭味,他以为这就是硫,心里十分高兴。他推想这种黄铜矿一定是碲的新矿源,于是就收集了许多红泥,想从中提炼出碲来,可是竹篮打水一场空,他连碲的影子也没见到。

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