卡文迪许关于气体的实验

第六节　卡文迪许关于气体的实验

卡文迪许的头一个化学著作是他的论文（《论人工空气》，1766年），论文分成三部分。“人工空气”这词波意耳已经用过。

图34　卡文迪许的操作气体的装置

卡文迪许说：“所谓人工空气的意思是指任何种类的空气，它以非弹性状态含于其他物体中，并可通过人工方法从中提取出来”，并举布莱克的固定空气为例。他描述过的气体的操作方法有：把气体收集到装满水的瓶中（瓶倒置在没有架子的集气槽中，用绳把瓶支住）；使气体通过水下面的漏斗向上流，从而把一个瓶中的气体转移到另一个瓶中；利用虹吸管和静液压力把气体从瓶中转移到膀胱中（图34）。

卡文迪许发现，如空气中含有占总体积高的固定空气就会使蜡烛熄灭，室温下的水可以吸收固定的体积比水本身的体积稍多一些，冷时可吸收更多一些，酒精吸收固定空气的体积是其本身体积的9／2倍。

他注意到固定空气在碱中的溶解度。他在水银面上把固定空气收集到圆筒中。他还用图35所示的装置测定酸从石灰石、大理石、珍珠灰（K₂CO₃）等排出的固定空气的重量。首先放入酸，称瓶及管重再放入称过的固体，然后用杏仁糊和胶构成的封泥封固，干燥管中盛有碎滤纸。

在他关于可燃空气（氢，波意耳已收集过）的实验中，卡文迪许是用稀硫酸和氢氯酸（盐精）与锌、铁、锡作用来制取氢的。他发现“不管用什么酸来溶解同样重量的某种金属，均得到相同量的同样气体”，所以它推断氢来自金属，而不是来自酸，他称之为“从金属来的可燃空气”。卡文迪许是燃素学说的信仰者，他把金属和酸的作用表示为：

卡文迪许说，“它们的燃素（即金属中的燃素）未曾被酸改变其性质而跑掉了，成为可燃空气”。这气体可能不是来自酸，因为富有燃素（同金属类似）的植物腐烂或者干馏也放出可燃空气。金属与热浓硫酸作用放出“硫素蒸气”（SO₂），他认为这是硫酸和燃素的化合物；金属与硝酸作用放出红烟，他认为这是硝酸和燃素的化合物。

图35　卡文迪许的求反应放出的气体重量的装置

可燃空气不溶于水及碱中，这与固定空气不同。卡文迪许发现可燃空气和空气组成爆炸混合物，其中3体积可燃空气和7体积普通空气的混合物爆炸最猛烈（他没有试验2∶5的比例）。他用两种方法测定其密度。第一种方法，他用可燃空气充满称过的“容量”为80盎司（通过测量周长）的膀胱，发现减少了41喱，根据以前实验家测得的普通空气的密度的数值，可算出可燃空气比普通空气轻7倍或10倍（正确的数值应为14．4）。第二种方法，他用图35的装置，把已知重量的金属溶解于酸，求出减少的重量。在这种情形下，把干燥管用珍珠灰充满，用来吸收水气和溅出的酸，珍珠灰与酸作用生成二氧化碳且固定成为碳酸氢钾。用这种方法，卡文迪许求出可燃空气比普通空气轻11倍。

卡文迪许把铜丝和盐精一起加热，直到所有空气从容器中排出，他发现，“突然，热量并没有什么改变，水猛烈地冲入……瓶中，几乎把瓶充满”。他说，由酸生成的蒸气“一接触水，马上就失去弹性”。这点提示了普里斯特利，使他在水银面上收集“酸性空气”。

1781年，卡文迪许发现测量空气“好坏”的办法。试把空气与氧化氮在水面上混合，普里斯特利得到各式各样的结果，他却做得能得出可靠的结果（如果加以标准化）。他报告，“1781年下半年，我大约花了60天试验空气……虽然这些天里，风和天气是多种多样、千变万化的，有些天晴朗，有些天下雨，有些天有浓雾，但是我可以肯定，没有发现空气有什么差别”。又一次在伦敦和肯兴敦（当时是“乡下”）试验空气，他得到同样结果。虽然卡文迪许不容许自己把空气看成是脱燃素空气（氧）和燃素化空气（氮）的混合物，“如舍勒先生和拉瓦锡先生设想那样”，他得出的结果是20．83%体积的氧和79．17%体积的氮，却非常接近现代数值。卡文迪许也是第一个（1784年）分析上层大气的人，他用气球取样，发现上层大气和地球表面的大气实际上是一样的。

卡文迪许在1764年发现砷酸（这比舍勒要早），他是用砒霜（三氧化二砷）与硝酸共煮制取的，但没有发表自己的结果。他也发现酒石（酒石酸氢钾）的本性及它和可溶性酒石（正酒石酸钾）的关系，后者是酒石与钾碱制成的。他关于当量、关于水和硝酸的组成的研究，将在以后谈到。可见，早在拉瓦锡之前，卡文迪许就继范·海尔孟、波意耳和布莱克之后进行精密的定量实验了。