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本科生科研指南(55):气体定律之黑尔斯的气体收集技术 澳门星际娱乐场xj5656

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已有 3458 次阅读 2020-7-31 10:02 |个人分类:本科科研|系统分类:教学心得| 本科生, 科研, 创新思维

 

本科生科研指南(55):气体定律之黑尔斯的气体收集技术

 

张宇宁

华北电力大学(北京)

 

气体的产生自古有之,欧洲杯投注:但如何将其有效地进行收集却一直是一个难题。同时,气体的收集也是进行后续研究的重要一步。实际上,正是气体收集技术的提出和改进为众多的科学家独立地开展关于气体的研究工作提供了可能,从而极大地提升了人们对于气体性质的认识。以空气为例,人们早期把它看做是一种物质(例如西方哲学中的“四元素说”,详见本科生科研指南(54):气体定律之赫尔蒙特的气体发现)。后续,通过定量地观察在空气中进行的燃烧等化学反应和分析残余气体的成分,人们才逐步地认识到原来空气竟然是一种混合物,里面含着有助于燃烧的氧气和不参与燃烧的氮气等等。在气体的研究过程中,黑尔斯发明的集气槽气体收集装置发挥了重要的作用。由此可见,气体收集技术对于气体性质认识的提升以及化学科学发展的重要性。

 

一、科学问题

 

通过各种各样的方法,人们可以获得很多种类的气体。人们自然很好奇地希望进一步地了解以下科学问题:通过不同的方法和渠道收集得到的气体具有怎么样的性质?它们是否是同一种气体?

在解决上述科学问题以前,首先需要突破的是气体收集装置方面的技术问题,即如何有效地将各种过程中产生的气体收集起来并进行存储?因为只有经过气体收集之后,科学家才可以进步地对其进行研究和比较。在18世纪,科学家将收集到的气体存放在用动物的膀胱等制作而成的、可充气的囊袋之中。

 

二、研究历程

 

在人们的日常生活中,气体的生成司空见惯。例如,啤酒在发酵过程中会产生二氧化碳等气体,动物粪便的发酵会产生可燃的甲烷(赫尔蒙特在早期对此进行了实验,详见本科生科研指南(54):气体定律之赫尔蒙特的气体发现)。基于实践,1772年,普里斯特利(Joseph Priestley,1733-1804)还基于二氧化碳溶解于水的原理发明了“苏打水”,并作为一种可口的饮料至今畅销不衰。

在生活实践中,人们很早便注意到加热是从物质中生成气体的一种有效的方法。早期,布莱克(Joseph Black,1728-1799)通过加热碳酸镁获得了二氧化碳,又进一步通过加热石灰石再一次获得了二氧化碳。舍勒(Carl Wilhelm Scheele,1742-1786)的很多气体相关的发现也是基于加热的方法获得并收集特定的气体,如通过加热二氧化锰和浓硫酸的混合物获得氧气,通过加热硝酸钾或者氧化汞再一次制备得到氧气等等。这些工作极大地改变了人们对气体的认识,蓦然发现很多物质里面竟然蕴含着多种的气体。在此之前,对于气体的研究更多的是从物理的视角进行,而气体的化学变化过程的发现大大地引起了人们的好奇,这对于化学学科的发展至关重要。

另外,燃烧也可以获得气体。早期,赫尔蒙特(Jan Baptist van Helmont,1580-1644)便发现木材燃烧后会发出某种气体(即二氧化碳)。舍勒也发现白磷等燃烧后也会产生很多种类的气体。

虽然气体的生成技术自古有之,但是如果希望较为系统地进行研究,科学家迫切需要一种简单、易操作的方法,实现实验过程中产生气体的收集。在这方面,黑尔斯所著的《植物静力学》(英文书名:Vegetable Staticks)一书对后世的影响甚大,因为该书详细地介绍了一种将物质加热并收集该过程中放出气体的详细方法,即集气槽(pneumatic trough)气体收集装置。一个典型的集气槽由四部分组成。

l  一个水槽:用来盛装一定量的液体,一般是水;

l  一个集气瓶:主要用于收集得到的气体,一般将其口朝下倒立放置;

l  一个支撑台:主要用来固定集气瓶,也可以将其悬吊起来;

l  管道:将集气瓶的瓶口与气体的发生装置相连。

 

图四 黑尔斯的纪念碑碑文

该碑位于英国特丁顿的圣玛丽教堂

 




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