正文 第1章 神奇的化學元素(1)(1 / 3)

化學元素是指自然界中一百多種基本的金屬和非金屬物質,它們隻由一種原子組成,其原子中的每一核子都具有同樣數量的質子,用一般的化學方法不能使之分解,並且能構成一切物質。到2007年為止,總共有118種元素被發現,其中有94種是存在於地球上的。本部分精選一些有趣的化學元素,介紹它們最有趣的知識內容及應用,以提高我們對化學元素的認識和興趣。

氫——最輕的氣體

氫氣的發現

在18世紀末以前,雖然不少人做過製取氫氣的實驗,所以實際上很難說是誰發現了氫,即使公認對氫的發現和研究有過很大貢獻的卡文迪許本人也認為氫的發現不隻是他一個人的功勞。

但是在化學史上,人們把氫元素的發現與“發現和證明了水是氫和氧化合物而非元素”這兩項重大成就,主要歸功於英國化學家和物理學家卡文迪許。因為他是最早把氫氣收集起來,並對它的性質仔細加以研究的人。

卡文迪什非常喜歡化學實驗,在一次實驗中,他不小心把一個鐵片掉進了鹽酸中,他正在為自己的粗心而懊惱時,卻發現鹽酸溶液中有氣泡產生。這個情景一下子吸引了他,剛才不愉快的心情全沒了。他在努力地思考:這種氣泡是從哪兒來的呢?它原本是存在鐵片中的呢,還是存在於鹽酸中呢?他接著又做了幾次實驗,把一定量的鋅和鐵投到充足的鹽酸和稀硫酸中(每次用的硫酸和鹽酸的質量不同),發現所產生的氣體量是固定不變的。這說明這種新的氣體的產生與所用酸的種類沒有關係,與酸的濃度也沒有關係。

卡文迪什用排水法收集了新氣體,他發現這種氣體不能幫助蠟燭的燃燒,也不能幫助動物的呼吸,如果把它和空氣混合在一起,遇到火星就會爆炸。卡文迪什是一位十分認真的化學家,不久他測出了這種氣體的比重,接著又用純氧代替空氣進行試驗,不僅證明氫和氧能夠化合成水,而且確認了大約2份體積的氫和1份體積的氧恰好化合成水,這些實驗結果毫無疑義地證明了水是氫和氧的化合物。但卡文迪什受了虛假的“燃素說”的欺騙,堅持認為水是一種元素,不承認自己無意中發現了一種新元素。

不過,雖然卡文迪許做了專門的研究,但對於點燃這種氣體為什麼會爆炸,以及燃燒的產物是什麼,卻沒有回答出來。

1776年,法國化學家馬柯也做了這樣的實驗,依然沒有對最後的結果做仔細深入的研究。

1783年拉瓦錫重複了他們的實驗,並用紅熱的槍筒分解了水蒸氣,明確提出正確的結論:水不是元素而是氧和氫的化合物,糾正了兩千多年來把水當做元素的錯誤概念。1787年,拉瓦錫給“可燃性空氣”確定了一個新的、正確的名稱──氫。意思是“產生水的物質”。至此,氫才算被人們真正認識。

氫氣概述

氫是無色、無嗅的可燃氣體。“體重”還不到空氣的十四分之一,是已知最輕的氣體。

氫原子由一個質子和一個電子組成,是最輕的和最簡單的原子。

在環境溫度下,雖然氫相對而言不是十分活潑,但在高溫下,它可以和幾乎所有別的元素發生反應。通常氫和氧在高溫下的反應異常激烈升高溫度,氫可以還原金屬氧化物。

主要用途及應用行業

氫氣的應用領域很廣,其中用量最大的是作為一種重要的石油化工原料,用於生產合成氨、甲醇以及石油煉製過程的加氫反應。此外,在電子工業、冶金工業、食品加工、浮法玻璃、精細化工合成、航空航天工業等領域應用也非常廣泛。

氫氣用量最大的用處是合成氨,世界上60%的氫是用在合成氨上,我國的比例更高。

為了改善環境的要求,目前對汽、柴油的質量要求在不斷提高,煉油過程的加氫裂化和加氫精製過程,也需要應用大量的氫氣,煉油廠重整等過程副產的氫氣是遠不夠用的。

在航天領域主要應用的是液氫,作為火箭推進的主要燃料。

除以上常規用途之外,目前越來越多的科研機構在著力於研究氫能的開發和利用。以氫為能源的燃料電池有希望解決我們所麵臨的幾乎每一個能源問題。在住宅辦公室裏,燃料電池會在電網無法辦到的時候使電燈保持明亮;由氫電池驅動的汽車不會汙染空氣;如果有一天,人類徹底放棄礦物燃料,以氫為基礎的能源將意味著全球變暖壓力的減輕,什麼溫室現象、臭氧層破壞、厄爾尼諾現象等麻煩會立即減小到最低程度,甚至不會再出現。專家們樂觀的估計,不久的將來,燃料電池汽車將成為氫經濟的主力軍。由於燃料電池技術新的發展,氫氣作為燃料電池的燃料,展現了極廣泛的和潛在的市場。如何從規劃及技術上準備和迎接這一必然要到來的發展,將是一項極為重大的事情。

鋰——最輕的金屬

鋰鋰是自然界中最輕的金屬元素,也是非常活潑的堿金屬元素。鋰從被認定是一種元素到工業化製取前後曆時76年。現在,鉀被廣泛用於工業的各個部門中。