小气泡大发现（上）——惰性气体元素发现的思考

□王震元

小气泡大发现（上）
——惰性气体元素发现的思考

□王震元

一个真正的科学家，是不会轻易放过实验中所出现的每个反常现象的。惰性元素的发现充分显示了坚持科学精神的重要性。人们往往认为，科学发现的起点是细心观察，其实不尽然，科学精神还表现为与时俱进，不断开拓创新……

科学怪人“怪”实验 空管何来“小气泡”

十八世纪末，英国伦敦住着一位“科学怪人”，他就是卡文迪许。卡文迪许的“怪”，不但是因为他一辈子没有结婚，更主要的是，他身为一个贵族，虽然很有钱，却不喜欢交际，甚至一见到妇女就说不出话来。卡文迪许的钱都用来买科学仪器和图书，还在自已家里建立了实验室。

1784年的一天，卡文迪许取来两只酒杯并装满水银，然后把一根U型玻璃弯管的两端和起电器的两根导线分别插入两杯水银里，接着摇动起电器，使圆玻璃板和毛皮不断地摩擦，这样摩擦产生的电通过导线积累在水银杯里。过了一段时间，玻璃弯管内就出现了闪电火花，同时出现红色的烟雾，这是因为管内空气中的氧气和氮气有一小部分化合成了二氧化氮之故。

卡文迪许将苛性钠溶液滴到玻璃管中后，二氧化氮被吸收，红色烟雾消失了。这时候弯管内的气体体积就缩小了一些。卡文迪许和他的仆人轮流不停地摇着起电器，让玻璃管内不断地放电。最后，空气中的氧气全部与氮气化合，而生成的二氧化氮又都被苛性钠溶液吸收了。玻璃管中气体的体积缩小到一定程度就不再缩小了。

这时候，卡文迪许向玻璃管内又送进一些氧气，再开始放电。新加入的氧气又与剩余气体化合，体积又缩小了些。他们连续工作了三个星期。最后，弯玻璃管中只剩下一个很小的气泡。这个小气泡很顽固，无论怎样放电都不肯跟氧气化合，当然它也不可能是剩余的氧气。因为卡文迪许在玻璃管中加入了一点多硫化钾，把多余的氧全部吸收掉了。

卡文迪许的实验记录十分详细。他写道：“在弯玻璃管里剩下来一个小气泡，这是由于某种特殊原因不与氧气化合而剩下来的浊气（氮气）。它不像普通的浊气，而是另一种浊气，因为什么样的电火花都不能使它与氧气化合。”最后他作出结论：“空气中的浊气不是单一的物质，还混有一种不与氧气化合的浊气，总量不超过全部空气的1/120。”

这个“小气泡”究竟是什么气体？不但与卡文迪许同时代的科学家们都不明白，而且百多年来也无人能回答。随着这位“科学怪人”的离去，他那篇《关于空气的实验》的论文也被打入了历史的“冷宫”……

故纸堆里忽顿悟 一丝不苟大突破

1892年，英国出版的世界闻名的《自然》杂志9月号突然刊登了一封读者来信。全文如下：

今有一事特向贵刊和贵刊的读者求教。我最近多次用两种方法制取氮气，但它们的密度总不一样，既是同一物质，为什么会有两种密度呢？

瑞 利

1892年9月24日

瑞利是英国著名的物理学家。他信中提到的氮气“密度总不一样”是怎么一回事呢？这就说来话长了。瑞利私人实验室里有当时最精密的天平，其灵敏度能精确到0.1毫克。

当时，瑞利正在用这种精密天平测量气体的密度。测量时，首先需要用几种不同的方法制取同一种气体，然后分别测定其密度。如果它们之间的误差极小，说明实验结果可靠，就能被得到公认。

瑞利用三种不同的方法制取氧气，分别测得的密度值完全相等。但是，他在测定氮气密度时却得到一个非常奇怪而又值得怀疑的结果。按照惯例，他用两种不同的方法制取氮气。一种是让空气通过赤热的铜粉，使其中的氧气跟铜化合而除去，再用碱吸收二氧化碳并除去水气，就能得到纯净的氮气。另一种是让氨和氧混合气体通过赤热的氧化铜（催化剂），氨就被氧化而生成氮气和水。除去反应物中的水蒸气后，也能够得到纯净的氮气。

在测定中，瑞利用第一种方法制得氮气的密度是1.2572克/升，用第二种方法制得氮气的密度是1.2508克/升。两种方法制得的都是纯净的氮气，为什么它们的密度却不同呢？第二种方法比第一种方法大约小0.5%，两者竟相差0.0064克/升。瑞利用的天平的灵敏度是万分之一克，它绝对不会给实验结果带来这样大的误差。

他反复做了多次实验，依然一无所获。

瑞利百思不解，最后只好在《自然》杂志上公开征求答案，可是一封回信也没有收到，怎么办？

一个真正的科学家是不会轻易放过实验中出现的反常现象的。问题得不到解答，瑞利就继续把实验做下去。他改用赤热的铁屑去除掉空气中的氧气，又用新制成的氢氧化亚铁去除空气中的氧气。用这两种方法由空气中制得氮气，和用赤热的铜屑除掉空气中的氧气而制得氮气一样，密度仍然是每升1.2572克。

瑞利用加热亚硝酸胺的方法制造氮气，用赤热的铁屑还原一氧化氮和笑气（氧化亚氮）制造氮气，用次溴酸钠分解尿素制造氮气，结果是这些化合物分解出来的氮气，其密度与从氨气分解出来氮气的密度一样，都是每升1.2508克。

他又埋头做了两年的实验。这些实验准确地证明了：由氮的各种化合物制成的氮气密度都一样，比由空气中分离出来的氮气轻0.5%。

1894年4月19日，瑞利在英国皇家学会上作了报告，详细地介绍了实验过程和结果，特别是他的“困惑”。

报告结束后，化学家拉姆塞主动来找瑞利，说两年前就看到过他那封信。但当时还不清楚为什么氮气会有两种不同的密度。现在明白了：他推断空气中的氮气一定还含有一种较重的气体，并表示愿意与瑞利合作。

在这次会议上，物理学家杜瓦更向他们提供了一个重要线索，也就是本文开始时介绍的卡文迪许实验。瑞利听后喜出望外，因为他目前就在以这位老前辈命名的实验室工作。他立即回去查到了那篇纸色已经发黄的论文，并进行重复实验。当然，由于时代的进步，瑞利已经可以用振荡线圈产生高压电代替费劲的手摇起电器了，并改进了装置。几个月之后，他就得到了足够实验用的“小气泡”。

拉姆塞用的是另一种方法，他将已经除去水汽、二氧化碳和氧气的空气通过装有赤热镁屑的瓷管，结果大部分气体跟镁化合成氮化镁，只剩下一小部分气体。他把剩下的气体再一次通过赤热的镁屑，气体的体积又缩小了些。在第三次通过赤热镁屑之后，拉姆塞把剩下的气体拿出来测定它的密度。普通氮气的密度是氢气的14倍，而这种剩下的气体，密度却是氢气的14.88倍，果然是一种比氮气重的气体。

他并没有满足这个初步成绩，而是把剩下的气体一次又一次地通过装有赤热镁屑的瓷管，结果每通过一次气体的体积总要缩小点，密度总要增大点，逐步变成氢气的17倍、18倍、19倍；最后体积不再缩小了，密度增大到氢气的20倍也不再变了。拉姆塞计算了一下，剩下的气体的体积是原来空气中氮气体积的1/80。

卡文迪许的小气泡得到了。这是一种什么气体呢？拉姆塞把这种气体装在密闭的玻璃管里，玻璃管的两端封有两根白金丝做的电极，这就是气体放电管。通上了高压电，玻璃管中的气体就闪闪发光。用分光镜检查，发现光谱中有橙色和绿色的谱线。这是已知的元素所没有的谱线，这种方法叫做元素光谱分析，既灵敏又准确，表明这种剩下的气体确实是一种新的元素。

瑞利在两年前提出的问题，现在完全弄清楚了。用氮的化合物制成的是纯粹的氮气，它的密度为每升1.2508克。而由空气中得到的氮气并不纯粹，里面混有少量密度为每升1.9086克的未知气体，因而这种不纯的氮气的密度是每升1.2572克。

就这样，物理学家和化学家紧密合作，取得了惊人的发现。由于这种新气体既不跟氧化合，也不跟镁化合，因而才使它跟氮气分开。

进一步研究表明，这种新气体跟氢、氯、氟、碳、硫以及各种金属，都不发生化学反应。不管加温、加压、用电火花或者用铂黑作催化剂，它还是不跟任何物质起反应。根据这种特性，科学家给这种新气体元素起了个名字叫做argon（希腊文“懒惰”的意思）——我国译作“氩”。

1895年1月31日，伦敦大学大讲堂里座无虚席。瑞利和拉姆塞进一步运用物理方法——“扩散法”当场向科学家们证明了氩气的存在。（未完待续）