最熟悉的陌生人——空气
每一点知识，都附着在鲜活的历史当中
轻轻的叙述
等你关注
一旦发现了固定空气(二氧化碳)，“在我们面前似乎打开了一个新的，也许是无比宽广的领域。我们不知道大气中有多少种气体，也不知道他们各自的特性”。
——苏格兰化学家布莱克
苏格兰化学家布莱克·J
现在我们当然知道覆盖在地球表面，我们每天都呼吸着的“生命气体”，是一种混合物，而且知道其中氮气的体积分数约为78%，氧气的体积分数约为21%，稀有气体（氦、氖、氩、氪、氙、氡）的体积分数约为0.934%，二氧化碳的体积分数约为0.034%，其他物质（如水蒸气、杂质等）的体积分数约为0.002%。但从一种“单一”的气体到知道定量的组成，对人类来说，也是很晚的事情了。
空气的成分比例
空气，曾经是人类最熟悉的陌生人。
一、歧途
在远古时代，空气曾被人们认为是简单的物质，甚至是当作一种基本的元素，17世纪中叶以前，人们对空气和气体的认识还是模糊的。最早对此有所怀疑的是梅猷，大于在1669年，他根据蜡烛燃烧的实验，推断空气的组成是复杂的。到了18世纪，通过对燃烧现象和呼吸作用的深入研究，人们才开始认识到气体的多样性和空气的复杂性。
燃素学说提出者德国化学家施塔尔
不过，对于空气的认识是从歧途开始。德国化学家施塔尔在1703年提出了一个曾被普遍认同的化学理论，就是“燃素学说”。他认为有一种看不见的所谓的燃素，存在于可燃物质内。例如蜡烛燃烧，燃烧时燃素逸去，蜡烛缩小下塌而化为灰烬，他认为，燃烧失去燃素现象，即：蜡烛－燃素＝灰烬。然而燃素学说终究不能解释自然界变化中的一些现象，它存在着严重的矛盾。第一是没有人见过“燃素”的存在；第二金属燃烧后质量增加，那么“燃素”就必然有负的质量，这是不可思议的。所有的缺陷起先都敌不过专家的名气，燃气说依旧在修修补补中流行于科学界。
二、黎明
跨界往往是革新的最大力量。英国人黑尔斯(S．Hales，1677～1761)，一位号称“不爱好植物学的发明者不是好牧师”的跨界者，为空气成分研究扫除了技术上的障碍——他在1727年发明了集气槽，并改进了水上集气法。由此，人们对于制取的气体便能与原来的空气进行分离，对于气体成分的研究提供了大大的方便。气体研究从此走向高速发展的道路。
最开始闪亮登场的是苏格兰化学家布莱克，在1756年的时候，他发现白镁氧(碱式碳酸镁)和石灰石加热后会产生一种气体，由于只知道是从固体中来的，也没能很好的与空气区分，所以他将这种气体称为“固定空气”，实际上是二氧化碳，后面又还有许多人称它为“碳酸气”。
他的学生丹尼尔·卢瑟福——不是那个有事没事对着金箔放α粒子轰击的欧内斯特·卢瑟福——接着他又有新的发现。
丹尼尔·卢瑟福：我不是欧内斯特·卢瑟福
1772年卢瑟福（D．Rutherford，英，1749～1819）在密闭容器中燃烧磷，除去寻常空气中可助燃和可供动物呼吸的气体，对剩下的气体进行了研究，发现这种气体不被碱液吸收，不能维持生命和具有可以灭火的性质，因此他把这种气体叫做“浊气”或“毒气”。这个实验的做法，后来演变成实验测定空气中氧气体积分数的做法。
英国化学家普里斯特利
同年，英国化学家普里斯特利（J．Priestley，1733～1804）也了解到木炭在密闭于水上的空气中燃烧时，能使五分之一的空气变为碳酸气，用石灰水吸收后，剩下的气体，不助燃也不助呼吸。当然，要做到使五分之一的空气变成为碳酸气也是不容易的事，我们现在一般的实验条件还是很难达到，毕竟，当空气中的氧气减少到一定程度时，木炭是不容易燃烧的。普利斯特里在研究碳酸气的过程中，于1772年发明了“苏打水”。
普里斯特利不仅分析空气的成分，而且他还利用一个直径为一英尺的聚光镜来加热各种物质，看看它们是否会分解放出气体，并且用汞槽来收集产生的气体，以便研究它们的性质。不过，他觉得这些气体都是“空气”，是各种不同的“空气”。1774年8月1日，他用这种方法加热汞煅灰（即氧化汞），发现蜡烛在分解出的“空气”中燃烧，放出更为光亮的火焰；他又将老鼠放在这种气体中，发现老鼠比在同体积的寻常空气中活的时间约长了4倍。可以说，普利斯特利遇见了氧气。遗憾的是，他和卢瑟福等都坚信当时的“燃素说”。从而错误地认为：这种气体不含燃素，所以有特别强的吸收燃素的能力，因而能够助燃，当时他把氧气称之为“脱燃素空气”，把氮气——即实验中去除了氧气的剩余气体——称之为“被燃素饱和了的空气”。
瑞典化学家舍勒
空气研究似乎都集中在1772年。这一年，瑞典化学家舍勒(C．W．Scheele，1742～1786)在卢瑟福和普利斯特里研究氮气的同时，也正从事这一研究，他可算是第一个认为氮是空气成分之一的人。他也曾制得氧气，1773年，他用硝酸盐(硝酸钾和硝酸镁)、氧化物(氧化汞)加热，制得“火气”（fireair），并用实验证明空气中也存在“火气”。与其他两人一样，他也与氧气的研究失之交臂。
综上所述，可见舍勒和普利斯特里虽然都独立地发现并制得氧气，但正如恩格斯指出的：由于他们被传统的燃素说所束缚，“从歪曲的、片面的、错误的前提出发，循着错误的、弯曲的、不可靠近的途径行进，往往当真理碰到鼻尖上的时候还是没有得到真理”（《自然辩证法》）。
三、突破
法国化学家拉瓦锡(A．L．Lavoisier，1743～1794)，当时也是一个包税官。可能是与他收税的职业有关，他研究化学，喜欢与收税一样进行定量进行研究。他是较早地运用天平作为研究化学的工具，在实验过程中重视化学反应中物质质量的变化。
《化学》教材中的拉瓦锡像
拉瓦锡和他的妻子，《红与黑》的封面图，也是被截取后的拉瓦锡的图片来源
当他得知普里斯特利从氧化汞中制取氧气(当时称之为脱燃素空气)的方法后，就做了一个著名的研究空气成分的实验。
拉瓦锡研究空气成分的实验装置
他把少量汞放在密闭容器中加热12天，发现部分汞变成红色粉末，同时，空气体积减少了五分之一左右。通过对剩余气体的研究，他发现这部分气体不能供给呼吸，也不助燃，他误认为这全部是氮气。
拉瓦锡又把加热生成的红色粉末收集起来，放在另一个较小的容器中再加热，得到汞和另一种气体，且这部分气体体积恰好等于密闭容器中减少的空气体积。他把得到的这种气体导入前一个容器，所得气体和空气性质完全相同。
通过实验，拉瓦锡得出了空气由两种性质不同的气体组成，能助燃的气体占其中的五分之一。在测定中，装置中剩余的气体约占空气体积的五分之四，该实验从另一方面说明该气体具有的性质是不能燃烧或不能支持燃烧。
他摆脱了传统“燃素说”的束缚，尊重事实，对实验作了科学的分析和判断，揭示了燃烧是物质跟空气里的一种气体发生了反应，指出物质里根本不存在一种所谓燃素的特殊东西。1777年，拉瓦锡在接受其他化学家见解的基础上，认识到空气是两种气体的混合物，一种是能助燃，有助于呼吸的气体，并把它命名为“氧”(1779年)，意思是“成酸的元素”（拉瓦锡当时认为，非金属燃烧后通常变为酸，氧是酸的本质，一切酸中都含有氧元素）；另一种不助燃、无助于生命的气体，1790年，化学家夏普塔尔(1756～1832)将其改称为“氮”，意思是“不能维持生命”，沿用至今。
在我国，“氧”这个汉字是清末著名化学家徐寿根据汉字特点造出来的。
清末著名化学家徐寿
用水等可见的物质替代不可见的气体来研究空气的成分在早期的研究中颇有成效，我们科学教材中测定空气中气体的体积分数还是这个思路。但历史上还有用这个方法走得更远的。英国化学家卡文迪许(H．Cavendish1731～1810)——一位不愿意与人多交流的科学怪人——就是其中的一位。1785年，他用电火花使空气中氮气跟氧气化合，并继续加入氧气，使氮气变成氮的氧化物，然后用碱液吸收而除去，最后剩余的氧气用红热的铜除去。但每次实验都会残余约1％的气体不跟氧气化合，他当时就认为可能是一种新的气体，但这种见解却没有受到化学家们应有的重视。他把这个实验记录到他的科学笔记中。
英国化学家卡文迪许
空气的组成似乎就此成为定局。
四、新声
氩气发现者：英国物理学家雷利和英国化学家拉姆塞
百余年后，一位爱好用不同方法测定物质密度的英国物理学家雷利(J．W．S．Rayteigh，1842～1919)，发现从含氮的化合物中制得的氮气每升重1.2505g，而从空气中分离出来的氮气在相同情况下每升重1.2572g，虽然两者之差只有6.4毫克，但已超出了实验误差范围。所以他怀疑空气中的氮气中一定含有尚未被发现的较重的气体。雷利查阅了卡文迪许的笔记，并用了相同的放电方法从空气中除去氧和氮，得到了一些气体；而另一位英国化学家拉姆塞(W．Ramsay，1852～1916)把已经除掉CO2、H2O和O2的空气通过灼热的镁以吸收其中的氮气，也得到一些残余的气体。他俩经过多方面试验断定它是一种极不活泼的新元素，定名为氩，原文是不活动的意思。这一年是1892年。
由此之后，拉姆塞在发现稀有气体的道路上一发而不可收拾，越走越远。
1898年，拉姆塞又在液态空气蒸发后的残余物里，先后发现了氪（拉丁文原意是“隐藏的”）、氖（拉丁文原意是“新的”）和氙（拉丁文原意是“生疏的”）。
当然，拉姆塞也没能包揽所有的稀有气体的发现。
1868年8月18日在印度发生了日全蚀，法国天文学家严森(P．J．C．Janssen，1824～1907)从分光镜中发现太阳光谱中有一条跟钠D线不在同一位置上的黄线，这条光谱线是当时尚未知道的新元素所产生的。当时预定了这种元素的存在，并定名为氦（氦是拉丁文的译音，原意是“太阳”）。地球上的氦是1895年从铀酸盐的矿物和其他铀矿中被发现的。后来，人们在大气里、水里，乃至陨石和宇宙射线里也发现了氦。
1900年德国物理学教授道恩(F．E．Dorn，1848～？)在含镭的矿物中发现一种具有放射性的气体，即镭射气，称为氡—219(拉丁文原意是“射气”)。1899年，英国物理学家欧文斯和卢瑟福发现了钍射气，即氡—220。1908年，拉姆塞确定其为新元素。1923年国际化学会议上命名为氡。
氦、氖、氩、氪、氙、氡等气体在发现之初都有一个共同的特点，就是不与其他物质发生化学反应，所以，这些气体有了一个共同的名称：“惰性气体”，但后来，人们也想方法让它们和其他物质发生反应，甚至是在常温条件下也能进行。“惰性气体”终是名不符实。由于这些气体的含量在空气中也算得上稀有，所以，“稀有气体“成了它们共同的通用名称。
五、尾声
1785年荷兰化学家马鲁姆(M．VanMartnn)在密闭的玻璃管中汞面上的氧气通电后，发觉有一股非常强烈的臭味，好像是"电气"的味道。他不知道这股臭味是什么。
德国化学家先贝因
后来，德国化学家先贝因(Schanbein)博士首次提出在水电解及火花放电中产生的臭味，同在自然界闪电后产生的气味相同，先贝因博士认为其气味类似于希腊文的ozonized（意为“难闻”），由此将其命名为臭氧。臭氧层顾名思义，带有微臭，在闪电的时候，有可能会闻到一股怪味，这便是闪电带下来的。
到1840年，德国化学家舍恩拜因在空气中进行放电实验时也嗅到这种“电气”的味道，他继续研究这种气体，在1854年发表的论说中指出，氧气除了普通的氧气外，还有一种ozoniZed氧气，即臭氧。虽然在高空中，臭氧有其不可替代的作用，但在低空中，臭氧的存在却是一种污染。
空气的成分，往往不把臭氧包括进去，因为我们所叙述的空气，指的是我们生存周边的气体，在整个大气层中，空气的成分是有所变化的。
——END——