化学相关:我们周围的空气

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从宇宙起源开始(下面省略101325个字)我们有了如今的大气层。

省略的字当中,有有机物的化学进化导致地球上的所有生物都共用了一套遗传程序,蓝藻产生的氧气差点把所有生物全部杀死,再到生物进化,出现人类,然后一直到现在。

现在,对于我们来说,人类每时每刻都离不开空气,没有空气就没有了生命,也就没有了生机勃勃的地球。

一、拉瓦锡测定空气成分

首先,我们了解一下伟大的化学之父小作坊主,拉瓦锡(A.-L. Lavoisier,1743-1794)。

TL;DR

安托万-洛朗·德·拉瓦锡(Antoine-Laurent de Lavoisier),法国贵族,著名化学家、生物学家,被广泛认为是人类历史上最伟大的化学家。他使化学从定性转为定量,给出了氧与氢的命名,并且预测了硅的存在。他帮助建立了公制。拉瓦锡提出了“元素”的定义,按照这定义,于1789年发表第一个现代化学元素列表,列出33种元素,其中包括光与热和一些当时被认为是元素的化合物。拉瓦锡的贡献促使18世纪的化学更加物理及数学化。他提出规范的化学命名法,撰写了第一部真正现代化学教科书《化学基本论述》(Traité Élémentaire de Chimie)。他倡导并改进定量分析方法并用其验证了质量守恒定律。他创立氧化说以解释燃烧等实验现象,指出动物的呼吸实质上是缓慢氧化。这些划时代贡献使得他成为历史上最伟大的化学家。

他用定量的方法研究了空气的成分。具体的方法是,在一个曲颈甑里加入少量的汞,将其放在火炉上加热。有一个汞槽,里面放着一个玻璃钟罩,曲颈甑的另一头伸在玻璃钟罩内部。

这一次加热连续了12天。他发现,有一部分银白色的液态汞变成了红色的粉末,同时玻璃钟罩里空气的体积差不多减少了五分之一。他研究了剩余五分之四体积的气体发现,这一部分气体既不能供给呼吸,也不能支持燃烧。他认为这些气体全部都是氮气。在命名这一部分气体的时候,他使用了拉丁文,其中的词根包含“不能维持生命”的意思。

他把汞表面生成的红色粉末又收集起来,放在另一个小小的容器里,再次加强热得到了汞(化学符号 \rm Hg)和氧气(\rm O_2)。其中氧气的体积恰好等于玻璃钟罩里所减少的体积。他把得到了氧气加入了玻璃钟罩,所得的气体与空气的性质一模一样。

通过这些实验,拉瓦锡得出了空气由氧气和氮气(\rm N_2)组成,其中氧气约占空气体积的五分之一的结论。

化学符号?

化学符号,就是化学式,是用元素符号与数字的组合来表示物质组成的式子。每一种纯净物只有一个化学式。但一个化学式可能不只代表一种物质。比如说下面这个例子。化学式\rm C_2H_6O,它的意义有

这样,有相同分子式而有不同的原子排列的化合物又称为同分异构体。

二、学生测定空气成分

但是汞具有毒性。汞的蒸气也具有毒性。我们现在仿照历史上这个著名的实验测定,空气中氧气的含量时,使用的药品是红磷。它燃烧产物的毒性要弱上许多,因为用量上也少了很多。

步骤

在集气瓶内加入少量的水,并将水面上放的空间分为五等份,用弹簧夹夹紧胶皮管。点燃燃烧匙内的红磷后,立即伸入瓶中,并把塞子塞紧。观察红磷燃烧的现象。待红磷熄灭冷却以后打开弹簧夹,观察实验现象和水面的变化情况。

还记得上一次的内容吗?在这之前我们需要检查装置的气密性。首先将导管放入水中,然后再手握集气瓶观察是否有气泡冒出。

现象

点燃,我们可以看到红磷发出黄色的火焰,放热,并且生成大量的白烟。由于生成的白烟有毒,我们在瓶中加入的水就是为了吸收它。冷却后,打开弹簧夹水,将会沿导管回流到集气瓶中,并且这一部分的体积约占原瓶内空气体积的五分之一。

在这一反应中,红磷(\rm P)与空气中的氧气反应,生成一种叫做五氧化二磷(\rm P_2O_5)的新物质,这一反应可以用符号表达式表示如下。

\rm P+O_2 \overset{Fire}{\longrightarrow} P_2O_5

若要使用文字来表达的话,只需要将对应的化学符号以及条件(箭头上方的Fire,中文一般写作点燃)换为你的语言中对应的文字就好了。

集气瓶内水平面上升了约五分之一,说明空气中的氧气被消耗了,并且消耗的体积约占空气体积的五分之一。

结论

于是,我们可以得出氧气约占空气体积的五分之一。

红磷熄灭时,我们可以推测,此时瓶内氧气几乎被消耗完毕。

剩下的主要是氮气。我们可以推测,它难溶于水,并且不可燃,不助燃。

分析

这个实验的原理就是利用红磷燃烧消耗氧气,使得瓶内的气压变小形成内外的气压差。

当回到集气瓶里的水小于原瓶内空气体积到五分之一时,我们需要分析发生了什么。

可能是氧气并没有被消耗完。那么我们就有理由怀疑,瓶中红磷的量是不足的。

同样你也可能没有检查装置的气密性。那么装置漏气也是有可能的。

如果你没有等它冷却就打开了弹簧夹开始读数,那么也是会导致体积小于五分之一的。

那么大于五分之一又会是什么情况?

点燃红磷时,伸进瓶内的速度,即塞瓶塞的速度如果过慢,那么,由热胀冷缩可得气体受热时会膨胀逸出。弹簧夹没有夹紧也会导致这个情况。

改进

我们将红磷换成白磷。已知白磷燃烧时需要的空气的浓度较低,也就是说可以进一步消耗氧气,它的着火点也比较低,方便引燃。在原装置的橡皮塞上再加一个孔连接一个导管至一个气球,用来缓解气压。气球先变大后变小。这个装置有以下的优点。

  • 污染小
  • 误差小

我们也可以使用手握装置,也就是传感器来测定气压的变化和氧气含量的变化。


在19世纪末以前,人们和拉瓦锡一样认为空气中仅含有氧气和氮气。后来,人们陆续发现了一系列的稀有气体,即氦,氖,氩,氪,氙,氡(\rm He,Ne,Ar,Kr,Xe,Rn)。这时,人们才意识到空气中除了有氧气和氮气外,还有许多其他的成分。目前人们已经可以用实验的方法精确地测定空气中的成分。

三、物质的分类

通过实验测定空气中的成分按照体积来计算,大约是:

氮气78%,氧气21%,稀有气体0.94%,二氧化碳0.03%,其他气体与杂质0.03%。

饼干会变软,就是因为空气当中含有水蒸气。而食品变质,就是因为氧气。氧气供呼吸,并且助燃。氮气可以用来制硝酸,也可以做冶炼金属,灯泡,食品的保护气,并且液氮可以用来制冷或冷冻麻醉。

稀有气体因为其化学性质稳定,可以用来做保护气。他们也可以做不同颜色的电光源,比如说是试电笔的氖管,或者是人造小太阳中的氙气。

像空气这样由两种或两种以上的物质混合而成的物质叫做混合物。组成混合物的各种成分,保持他们各自的性质。

而像氮气呀,氧气,二氧化碳等分别只由一种物质构成的物质都叫做纯净物。只有纯净可以使用化学符号来表示,比如上面的氮气在括号内已经给出了它的化学符号。氧气呀,二氧化碳(\rm CO_2)等等,也可以用化学符号来表示。上面实验中的红磷和生成的五氧化二磷也都是纯净物。

四、保护空气

空气中存在着因为人类的工业生产产生的污染物。比如说一些有害气体,例如,二氧化硫(\rm SO_2),氮氧化合物({\mathrm{NO}}_x),一氧化碳(\rm CO),臭氧(\rm O_3),等等。同时也包含一些可吸入的颗粒物,更大一点的也叫粉尘。

可吸入颗粒物,粒径在10微米(\rm 10\,\mu m)以下的,记作PM10,即漂尘。同理,粒径在2.5微米(\rm 2.5\,\mathrm{\mu} m)以下的,记作PM2.5

人类排放的二氧化碳过多也会导致温室效应的加剧。但二氧化碳本身并不算污染物,因为二氧化碳提供的温室效应,将地球地表的温度提升到了人类适宜居住的温度。当然,像甲烷(\rm CH_4),氟氯代烷(是一类化合物,即氟利昂的总称,以二氟二氯甲烷为例:\rm CF_2Cl_2)等等也算作温室气体。

通过植树造林,处理工厂排放的废气,加强大气质量监测等方式,可以帮助人类改善地球的空气质量。
下一期讲氧气,记得来看哦。

Lake桑

2018.12.30

发布者

lakejason0

日常潜水~ Blog:https://lakejason0.wordpress.com

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