【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的备注。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。 

第二章氧和氢

§2-1空气

引言

        在第一章里，我们学习了有关物质的一些最重要的基本概念，例如，分子、原子、元素、单质、化合物等。从这一章开始，我们就将运用这些基本概念来研究物质。

        自然界里物质的种类是非常多的，我们不可能都一一拿来研究。我们知道，一切物质都是由相同的或不相同的元素所组成，而组成物质的元素的种类却并不太多。在§1-7里讲过，现在已经知道的元素，一共有105种，而且其中大约只有三十种左右是常见的，它们在自然界里存在的量比较多，和人们的关系比较密切。我们在生产上和生活上经常接触到的各种物质，绝大部分都是由这三十种左右的元素组成的。因此，在化学上研究物质，是以元素为基础的，首先是研究那些由最常见和最重要的元素所组成的单质和化合物。

        氧、氢、碳是三种最重要的元素，和人们的关系特别密切。在我们经常接触到的许多物质里，例如水、空气、岩石、泥土、矿物、各种燃料（象煤、石油、天然气等）以及动植物机体等，大都含有这些元素。因此，我们首先来研究这几种元素。

氧

        氧是地壳里含量最多的一种元素，它既以游离态又以化合态而存在着。我们所熟悉的氧气是游离态的氧，各种含氧化合物里的氧是化合态的氧。水是最重要的含氧化合物之一，此外，在所有岩石和矿物里，在动植物机体里，大都也含有氧。

        氧气是一种什么样的物质呢？在小学里，我们已经知道，空气里含有氧气和氮气，空气的许多性质，例如空气能够供给动植物呼吸，能够维持许多物质的燃烧等，实际上就是它里面所含的氧气的作用。因此，在研究氧气以前，我们先来研究一下空气的成分、性质和用途。

空气的成分和性质

        人类一直就生活在空气里，但人们对空气的成分和性质的认识还不过是近一二百年来的事情。

        最初人们曾错误地认为空气是一种简单物质，后来才知道它并不是一种单纯的气体，而是氧气和氮气两种气体的混和物。

山笺：拉瓦锡与空气组成

（1）拉瓦锡与拉瓦锡夫人

        拉瓦锡Antoine Lavoisier（1743-1794），法国化学家，其通过对气体的研究，使化学从定性科学转变为定量科学；并发现了物质守恒定律；还发现了氧气在燃烧反应中的作用； 其测定空气的成分，并用化学反应解释呼吸……由于其在现代化学领域的卓越贡献，被后世誉为近代化学之父。

        但可惜，也许正如华朝通辽可汗所说的那样——当先师，下场都不会太好——1794年时，法国大革命都已经到尾声了，但拉瓦锡终究还是没有躲过厄难。一位持燃素论观点的革命者，竟然仅仅因为科学理念不同，就公报私仇的将拉瓦锡推上了断头台。

        这简直是人类的灾难，一位人类的智者甚至是先知，就这样倒下了。大数学家拉格朗日，不无叹息的说到：“暴徒们一瞬间就可以砍掉他的脑袋，但人类一个世纪都难以再长出这样的一个脑袋”【山注：此处翻译成“暴徒”不是在夹带私货，而是看的文献就是这样写的。It took the mob only a moment to remove his head; a century will not suffice to reproduce it.当然我看的是英语文献，拉格朗日的原话应该是法语写的。】

        拉瓦锡夫人Marie-Anne Paulze Lavoisier，是拉瓦锡的妻子，但可惜很少有人知道她的事迹。这样说吧，如果没有拉瓦锡夫人，拉瓦锡的很多成果根本就没有可能面世。

        首先拉瓦锡夫人是拉瓦锡科研的强力合作者。她多才多艺，不仅精通化学（尤其是化学实验），而且擅长绘画，更掌握了多门外语，她不仅为拉瓦锡的实验提供最强的后勤保障，而且为拉瓦锡翻译外国学术文献，并为拉瓦锡的著作绘制插图，其为拉瓦锡的科学研究提供了强大的支持。

        其次是拉瓦锡夫人的坚韧与勇敢。拉瓦锡被送上断头台后，拉瓦锡夫人的人生发生巨变，但其没有崩溃，而是勇敢无畏的撑起了拉瓦锡的未尽事业。其悉心整理了拉瓦锡的遗稿，并不断推动拉瓦锡成果文献的出版工作，可以说，后世人能看到拉瓦锡全面的科研成果，要归功于这位外柔内刚的奇女子。

【相关文献段落节选——《Chemistry: Atoms First 2e》openstax】

        French nobleman Antoine Lavoisier, widely regarded as the “father of modern chemistry,” changed chemistry from a qualitative to a quantitative science through his work with gases. He discovered the law of conservation of matter, discovered the role of oxygen in combustion reactions, determined the composition of air, explained respiration in terms of chemical reactions, and more. He was a casualty of the French Revolution, guillotined in 1794. Of his death, mathematician and astronomer Joseph-Louis Lagrange said, “It took the mob only a moment to remove his head; a century will not suffice to reproduce it.”

         Much of the knowledge we do have about Lavoisier's contributions is due to his wife, Marie-Anne Paulze Lavoisier, who worked with him in his lab. A trained artist fluent in several languages, she created detailed illustrations of the equipment in his lab, and translated texts from foreign scientists to complement his knowledge. After his execution, she was instrumental in publishing Lavoisier's major treatise, which unified many concepts of chemistry and laid the groundwork for significant further study.

（2）空气成分组成的发现

        拉瓦锡采用定量的方法研究了空气的成分组成。研究过程简单的说就是首先在密闭容器中加热银白色的液态汞，从而得到红色粉末（HgO）。然后取出粉末再加强热，重新得到汞和气体（O₂）。最后对密闭容器剩余气体以及粉末生成的气体进行研究测量从而得出结论。
        通过实验，拉瓦锡得出了空气是由氧气和氮气组成的，其中氧气约占空气总体积的1/5。当然此时氮气和氧气的属性和名字都还没有形成公论，毕竟此时“燃素论”还有很强的势力。并且由于时代局限，拉瓦锡并未区分出二氧化碳、惰性气体等和氮气有同样阻燃属性的气体。

（3）初学者实验验证方法

        拉瓦锡的实验方法没有问题，不过对于普通人，操作难度太大，并且汞是有毒物质，不易处理。因此目前初学者要验证这个实验结论，一般采用燃烧红磷法。

        将一密闭容器与烧杯用导管相连，烧杯中倒入足量的水，而密闭容器中放入少量的水（防止红磷燃烧物落下烧坏容器），实验前用夹子阻断导管。然后将点燃足量红磷深入密闭容器中，待燃烧熄灭后，放开导管夹，由于瓶中消耗掉部分空气，从而使瓶内压强低于大气压，则烧杯中的水会被大气压入密闭容器中，待流动结束后，观察密闭容器中水的比例，这就大致是燃烧掉氧气的体积。

        到了19世纪末，经过仔细研究，发现空气里除了氧气和氮气以外，还含有少量氦气、氖气、氩气、氪气和氙气，它们几乎完全不能和其他物质发生化学反应，所以总称它们为惰性气体。惰性气体都是单质，而且它们的每个分子都只含有一个原子，因此是单原子分子（参看§1-9)。

        此外，空气里还含有少量的二氧化碳、水蒸气，以及或多或少的灰尘和别的杂质。

        根据实验测定，空气里所含各种气体的百分比，按体积计算是：氧气约21%，氮气约78%，惰性气体约0.94%，二氧化碳约0.03%，其他气体和杂质约0.03%。这就是说，在100体积的空气里，大约含有氧气21体积，氮气78体积，…等。

        在不同的地区，空气里各种气体的百分比也会稍有不同。例如在人烟稠密的工厂区，由于那里燃料烧得多【绝大部分燃料（象煤、炭、煤气、石油等）燃烧时都有二氧化碳放出】，空气里的二氧化碳可能就会多些；在森林区，由于那里绿色植物的光合作用【绿色植物发生光合作用时要吸收二氧化碳并放出氧气】，空气里的二氧化碳可能就会少些。但空气是能够流动的，因此，从整个地球上大气的成分来看，空气里各种气体的百分比几乎是不变的。

        空气是无色、无味、无嗅（没有气味）的气体。在0℃和1大气压下，每升空气重1.293克。用增加压强和降低温度的办法，能使空气变成液态，称做“液态空气”。

        空气能够供给动植物呼吸，能够支持物质的燃烧，这是由于空气里存在着氧气的缘故。

        空气里的氮气是一种性质比较稳定的气体【关于氮气的性质，将在化学第二册第五章里详细讨论】，它在空气里起着“冲淡”氧气的作用。例如物质在纯粹氧气里的燃烧要比在空气里剧烈得多（见§2-2），这就是因为空气里的氧气已被氮气“冲淡”的缘故。

        空气里氮气的这种“冲淡”作用，对动物的生命来说，有着十分重大的意义。纯净氧气对动物机体的作用十分剧烈，会严重伤害机体的组织，它是不适宜于动物呼吸的。

        许多金属在空气里会生锈。例如，在潮湿的空气里铁容易变成棕黄色的铁锈，铜器表面上容易生成一层铜绿。这是由于空气里的氧气、水蒸气、二氧化碳等气体的共同作用而发生的复杂的化学反应的结果。

        组成空气的各种气体，在空气里都各自独立地存在着。空气的性质，实际上就是这些气体性质的总和。因此，空气是这些气体的混和物。

空气的用途

        空气是人们生活不可缺少的东西，如果没有空气，人的生命连几分钟都不能维持。

        空气能够支持物质的燃烧，在生产和生活中，各种燃料的燃烧大都是在空气里进行的。

        从液态空气可以制得氧气和氮气（见§2-5），氧气在很多方面有着重要的用途（见§2-4）；氮气是制造氮肥、硝酸等的重要原料。

        空气里所含的少量惰性气体也有很多实际用途。例如氦气很轻【氦气在0℃和1大气压下每升重0.178克，是同体积空气重的1/7左右】，可以充装气球（氢气虽然更轻，但有燃烧爆炸的危险，不如氦气安全)。氩气和氮气混和后，可以充装在电灯泡里，使灯泡经久耐用。在氖气里放电可以产生红色的光，在氩气里放电可以产生淡蓝色的光，利用氖气、氩气等的这种性质可以用来制造霓虹灯。

习题2-1

1、试用原子-分子论的观点来解释空气是混和物。

【山答】空气中含有氧分子、氮分子等，而分子是能独立存在并保持物质性质的最小微粒，因此氧分子和氮分子是独立存在的不同物质分子，故空气是混合物。

2、空气里所含各种主要成分的用途是什么？

【山答】

氧气：维持生命，支持燃烧。

氮气：制造氮肥、硝酸等化学品。

氦气：充氢气球。

氖气、氩气：制作霓虹灯。