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  稀有气体化学的建立、发现、认识、反思         ★★★ 【字体:
稀有气体化学的建立、发现、认识、反思
作者:佚名    文章来源:本站原创    点击数:6667    更新时间:2010-8-14    
      一、稀有气体化学的建立
      稀有气体原来被称为“惰性气体”。它们在元素周期表中分别穿插在每一周期的末尾,构成了由典型非金属向典型金属过渡的一个自然和谐的缓冲带,形成了一个完整而严谨的元素体系,充分体现了自然界统一、简单、和谐的对称美。在结构和性质上的特殊性,使得稀有气体以独特的身份在元素周期表中占有极不寻常的地位。它们对于元素周期律的完善和发展,以及人们对原子结构和化学键理论的认识,都起到了极为重要的桥梁作用。正是由于稀有气体非同寻常的物理化学性质,才使人们在稀有气体的发现和稀有气体化学的建立过程中走了不少弯路,经受了很多波折和反复。这反映了客观世界的复杂性和人类认识上的局限性,在认识论和方法论方面都给了我们不少有益的经验教训和深刻的启迪。本章试图通过对稀有气体化学建立过程的分析,力求揭示人类是如何不断克服认识上的片面性、保守性和形而上学的观念,一步步脚踏实地向真理逼近的,借以展现科学发展和人类认识上的规律性,从中吸取经验教训,以提高科学研究的自觉性和主动性,力争少走弯路,少犯错误。 
      二、稀有气体的发现及对其化学性质的认识        
      人们对气体组成和性质的研究,对化学的确立和发展一直起着极为关键的桥梁作用。在化学发展的早期,人类曾被扑朔迷离的气体困扰了数千年。由于气体具有不同于一般固体和液体的诸多特性,如明显的可压缩性、扩散性、稀薄性、大多不可见性和无确定体积等,很早就引起了自然哲学家的浓厚兴趣和诸多联想。古代哲学家曾把气看做是构成世界万物的本原之一,但却始终对气体充满了神秘感。正是18世纪以来气体化学的快速发展,才真正打开了化学科学的大门,成为近代化学赖以确立和迅猛发展的第一块牢固的基石。化学家们通过对空气组成和性质的研究,终于认识了气体种类的多样性、可感知性和可操作性。特别是氧气的发现,引发了一场化学革命,近代化学才初步建立了自身的理论体系。化学家们又是借助对气体的深入研究,才终于剥去了流传2000多年的元素论和原子论的神秘面纱和思辨哲学的外衣,创立了近代科学元素说和原子论,使化学终于走向科学化和系统化发展的康庄大道。气体化学作为创立化学理论的拐杖,屡建奇功,更加受到人们的青睐。化学家们在气体化学这块肥沃的土地上辛勤劳作,倾注了大量精力和汗水。所以自18世纪人们在空气中发现了氮气和氧气以来,化学家们对空气进行了无数次的分析测定,普遍认为对空气的组成早已了如指掌,无须再研究了。1785年,被称为“科学怪人”的英国科学家卡文迪什曾利用摩擦起电的方法,连续三个星期使空气中的氮气和氧气化合,然后将生成的氧化氮用苛性碱吸收,并用多硫化钾溶液除去剩余的氧气,结果发现残留下一个约为原来空气体积1/120的不活泼微小气泡。他只是忠实记录了实验结果,并没有进一步去研究。卡文迪什的发现也未引起其他化学家的重视,致使这一重要发现被历史尘封了100多年,稀有气体依然是隐藏在茫茫空气中不为人所知。
      1868年,法国和英国的天文学家在印度利用观察日全食的机会,用分光镜从太阳光谱中发现了氦,但却误认为“此曲只应天上有”,天外之物可见而不可得,自然也无法研究它的物理化学性质,而且在元素周期表中也未给氦留下一席之地。
      从1882—1892年间,英国著名实验物理学家瑞利为了验证普劳特假说(该假说认为各种元素的原子都是由氢原子组成的),曾利用各种方法测定气体的密度,然后再计算原子量。当他测定氮气的密度时发现,从空气中分离出来的氮气密度比从化合物中分离出来的氮气密度略重。前者为1.2572克/升,后者为1.2508克/升。两者虽然相差甚微,但已超出了实验误差所允许的范围。瑞利是一位实验技术精湛和细心谨慎的实验物理学家,他没有忽视这一微小的差别。经反复实验,结果都是如此。瑞利曾设想各种可能,但都不能给出令人满意的解释,最后只好求助于化学家。伦敦大学的化学教授拉姆塞欣然与瑞利合作,开始了探索稀有气体的艰苦征程。当时一般学者认为,空气中可能含有少量的N3,才导致从空气中分离出的氮气略重。但拉姆塞头脑机敏,独具慧眼,认为来自大气中的氮气里可能含有一种比氮气略重的未知气体。通过别人的提醒,瑞利和拉姆塞仔细翻阅了100多年前卡文迪什的实验记录,对卡文迪什发现的小气泡产生了强烈的好奇心,思考那个小气泡与空气中分离出的氮气密度反常的内在联系,更加坚信空气中有未知气体的存在,并决心进一步揭示卡文迪什小气泡之谜。19世纪的科学家已不再相信自然哲学的思辨,如果你说发现了一种新元素,就必须提取出来给大家看看,并以准确的实验确定其一系列物理化学性质,才能说服苛刻的化学家。经过认真思考和努力,拉姆塞设计了一套巧妙的实验装置。他用赤热的镁粉反复吸收小气泡中残存的氮气,然后将其充入放电管中,通过光谱分析终于确证了一种未知气体氩的存在。拉姆塞进一步详细研究了氩的物理化学性质,发现无论是加热、加压、火花放电或使用催化剂,它都不与任何活泼非金属或活泼金属元素发生反应,其懒惰之极令人惊讶!
      氩的发现曾在科学史上传为佳话,被誉为是“第三位小数的胜利”。这实际上是对科学家在艰苦实验研究中明察秋毫和锲而不舍精神的最高报偿,是精确测量与创造精神的综合体现。氩被发现后不久,拉姆塞及其助手又从钇铀矿中发现了太阳元素氦,并大胆在元素周期表中开辟了一个新的元素族——零族,预言了其他稀有气体的存在。从1896年末开始,他和他的助手们经过几年艰苦卓绝的努力,通过分馏液态空气,又连克数城,发现和分离出了氖、氪、氙。20世纪初,拉姆塞受到如火如茶的物理学革命的启发和鼓舞,把研究方向转向放射化学新领域,对卢瑟福等人发现的“镭射气”和“钍射气”进行了详细研究,最后确定了这种放射性气体是一种新的惰性气体氡。氡的发现给稀有气体锦上添花,使其作为一个完整的元素群理直气壮地屹立在元素周期系中,并占据着极不寻常的重要地位。
      稀有气体的发现曾一度给化学家带来了许多的惊奇和困惑,其一,百余年来,人们普遍认为对空气的研究早已详尽无遗,但却万万没有想到在大家自以为最熟悉的空气中竟隐藏着一整族的未知元素。是自然界有意捉弄我们,还是人们的认识上出了问题?对此,我国已故著名化学家付鹰先生曾有妙语评述:“自这一段历史我们可以吸收种种教训:(1)有时大家认为已经完全解决了的问题,实际上并未完全解决。在19世纪末,科学家认为空气的组成已经彻底被弄明白了,谁知其中还隐藏有一整族的元素。

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