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一、18世紀的英國化學家卡文迪許

　　卡文迪許是一位百萬富翁，但他生活十分樸素，用自己的錢在家里建立了一座規(guī)模相當大的實驗室，一生從事于科學研究。曾有科學史家說：卡文迪許“是具有學問的人中最富的，也是富人當中最有學問的�！彼�觀察事物敏銳，精于實驗設計，所做實驗的結果都相當準確，而且研究范圍很廣泛，對于許多化學、力學和電學問題以及地球平均密度等問題的研究，都作出了重要發(fā)現(xiàn)。但他篤信燃素說，這使他在化學研究工作中走過一些彎路。他在五十年中只發(fā)表過18篇論文，除了一篇是理論性的外，其余全是實驗性和觀察性的。在他逝世以后，人們才發(fā)現(xiàn)他寫了大量很有價值的論文稿，沒有公開發(fā)表。他的這些文稿是科學研究的寶貴文獻，后來分別由物理學家麥克斯韋和化學家索普整理出版。在化學史上，有一個與這些論文稿有關的有趣的故事。卡文迪許1785年做過一個實驗，他將電火花通過尋�？諝夂脱鯕獾幕旌象w，想把其中的氮全部氧化掉，產(chǎn)生的二氧化氮用苛性鉀吸收。實驗做了三個星期，最后殘留下一小氣泡不能被氧化。他的實驗記錄保存在留下的文稿中，后面寫道：“空氣中的濁氣不是單一的物質(zhì)（氮氣），還有一種不與脫燃素空氣（氧）化合的濁氣，總量不超過全部空氣的1/12。一百多年后，1892年，英國劍橋大學的物理學家瑞利（Ragleigh,L.1842-1919）測定氮的密度時，發(fā)現(xiàn)從空氣得來的氮比從氨氧化分解產(chǎn)生的氮每升重0.0064克，百思不得其解�；瘜W家萊姆塞（Ramsay,W.1852-1916）認為來自空氣的氮氣里面能含有一種較重的未知氣體。這時，化學教授杜瓦（Dewar,J.1842-1923）向他們提到劍橋大學的老前輩卡文迪許的上述實驗和小氣泡之迷。他們立即把卡文迪許的科學資料借來閱讀，瑞利重復了卡文迪許當年的實驗，很快得到了小氣泡。萊姆塞設計了一個新的實驗，除去空氣中的水汽、碳酸氣、氧和氮后，也得到了這種氣體，密度比氮氣大，用分光鏡檢查后，肯定這是一種新的元素，取名氬。這樣，卡文迪許當年的工作在1894年元素氬的發(fā)現(xiàn)中起了重要作用。從這個故事可看出卡文迪許嚴謹?shù)目蒲凶黠L和他對化學的重大貢獻。1871年，劍橋大學建立了一座物理實驗室，以卡文迪許的名字命名，這就是著名的卡文迪許實驗室，它在幾十年內(nèi)，一直是世界現(xiàn)代物理學的一個重要研究中心。

二、氫的發(fā)現(xiàn)和氫的性質(zhì)的研究

　　在１８世紀末以前，曾經(jīng)有不少人做過制取氫氣的實驗，所以實際上很難說是誰發(fā)現(xiàn)了氫，即使公認對氫的發(fā)現(xiàn)和研究有過很大貢獻的卡文迪許本人也認為氫的發(fā)現(xiàn)不只是他的功勞。早在16世紀，瑞士著名醫(yī)生帕拉塞斯就描述過鐵屑與酸接觸時有一種氣體產(chǎn)生；17世紀時，比利時著名的醫(yī)療化學派學者海爾蒙特（van Helmont,J.B.1579-1644）曾偶然接觸過這種氣體，但沒有把它離析、收集起來。

　　波義耳雖偶然收集過這種氣體，但并未進行研究。他們只知道它可燃，此外就很少了解。1700年，法國藥劑師勒梅里（Lemery,N.1645-1715）在巴黎科學院的《報告》上也提到過它。最早把氫氣收集起來，并對它的性質(zhì)仔細加以研究的是卡文迪許。

　　1766年卡文迪許向英國皇家學會提交了一篇研究報告《人造空氣實驗》，講了他用鐵、鋅等與稀硫酸、稀鹽酸作用制得“易燃空氣”（即氫氣），并用普利斯特里發(fā)明的排水集氣法把它收集起來，進行研究。他發(fā)現(xiàn)一定量的某種金屬分別與足量的各種酸作用，所產(chǎn)生的這種氣體的量是固定的，與酸的種類、濃度都無關。他還發(fā)現(xiàn)氫氣與空氣混合后點燃會發(fā)生爆炸；又發(fā)現(xiàn)氫氣與氧氣化合生成水，從而認識到這種氣體和其它已知的各種氣體都不同。但是，由于他是燃素說的虔誠信徒，按照他的理解：這種氣體燃燒起來這么猛烈，一定富含燃素；硫磺燃燒后成為硫酸，那么硫酸中是沒有燃素的；而按照燃素說金屬也是含燃素的。所以他認為這種氣體是從金屬中分解出來的，而不是來自酸中。他設想金屬在酸中溶解時，“它們所含的燃素便釋放出來，形成了這種可燃空氣”。他甚至曾一度設想氫氣就是燃素，這種推測很快就得以當時的一些杰出化學家舍勒、基爾萬（Kirwan,R.1735-1812）等的贊同。由于把氫氣充到膀胱氣球中，氣球便會徐徐上升，這種現(xiàn)象當時曾被一些燃素學說的信奉者們用來作為他們“論證”燃素具有負重量的根據(jù)。但卡文迪許究竟是一位非凡的科學家，后來他弄清楚了氣球在空氣中所受浮力問題，通過精確研究，證明氫氣是有重量的，只是比空氣輕很多。他是這樣做實驗的：先把金屬和裝有酸的燒瓶稱重，然后將金屬投入酸中，用排水集氣法收集氫氣并測體積，再稱量反應后燒瓶及內(nèi)裝物的總量。這樣他確定了氫氣的比重只是空氣的9%。但這些化學家仍不肯輕易放棄舊說，鑒于氫氣燃燒后會產(chǎn)生水，于是他們改說氫氣是燃素和水的化合物。

三、水的合成否定了水是元素的錯誤觀念

　　在古希臘：恩培多克勒提出，宇宙間只存在火、氣、水、土四種元素，它們組成萬物。從那時起直到18世紀70年代，人們一直認為水是一種元素。1781年，普利斯特里將氫氣和空氣放在閉口玻璃瓶中，用電火花引爆，發(fā)現(xiàn)瓶的內(nèi)壁有露珠出現(xiàn)。同年卡文迪許也用不同比例的氫氣與空氣的混合物反復進行這項實驗，確認這種露滴是純凈的水，表明氫是水的一種成分。這時氧氣業(yè)已發(fā)現(xiàn)，卡文迪許又用純氧代替空氣進行試驗，不僅證明氫和氧化合成水，而且確認大約２份體積的氫與１份體積的氧恰好化合成水（發(fā)表于1784年）。這些實驗結果本已毫無疑義地證明了水是氫和氧的化合物，而不是一種元素，但卡文迪許卻和普利斯特里一樣，仍堅持認為水是一種元素，氧是失去燃素的水，氫則是含有過多燃素的水。他用下式表示“易燃空氣”（氫）的燃燒：（水＋燃素）＋ （水－燃素）─→水

易燃空氣（氫） 失燃素空氣（氧）

　　1782年，拉瓦錫重復了他們的實驗，并用紅熱的槍筒分解了水蒸汽，才明確提出正確的結論：水不是元素而是氫和氧的化合物，糾正了兩千多年來把水當做元素的錯誤概念。1787年，他把過去稱作“易燃空氣”的這種氣體命名為“H-ydrogne”（氫），意思是“產(chǎn)生水的”，并確認它是一種元素。

四、氫、氧等氣體液化的研究

　　初中化學教材在敘述氧氣和氫氣的性質(zhì)時指出：在１個標準大氣壓時，氧氣在約－183℃（90K）時變?yōu)榈�藍色液體，氫氣在－252℃（21K）時變?yōu)闊o色液體。人們認識到這些氣體的液化溫度是很不容易的，經(jīng)歷了一個曲折而艱巨的過程，這個過程是和低溫物理的發(fā)展聯(lián)系在一起的。

　　關于氣體液化的研究始于18世紀末。早在1799年，已經(jīng)通過降溫和壓縮的方法使氨和二氧化硫液化。1823年，杰出的英國物理學家和化學家法拉第（Faraday,M.1791-1867）用冰凍的混合物使加壓的氣體降溫，液化了硫化氫、氯化氫、氯。1835年，蒂洛勒爾（Thilorier）制得了大量的液態(tài)和固態(tài)的二氧化碳，并把固態(tài)二氧化碳和乙醚混合起來獲得了更低的溫度。但是，對于氫、氧、氮、一氧化碳這幾種氣體，直到19世紀六十年代，科學家們盡管已經(jīng)嘗試了一切當時采用的手段（當時壓力已可加到2790大氣壓），都沒有能使它們液體。因此這些氣體被稱為“永久性氣體”，這個名稱一直沿用了四分之一的世紀。

　　1863年，英國物理學家安德魯斯（Andr ews,T.1813-1885）把裝有液態(tài)的和氣態(tài)的二氧化碳的玻璃容器加熱到88°Ｆ（30.92℃）時，液體和氣體之間的分界面就完全消失；當溫度高于這個數(shù)值時，即使壓力增大到300或400個大氣壓，也不能使二氧化碳氣液化。他把這個溫度稱為二氧化碳的臨界溫度，并設想每種氣體都有自己的臨界溫度。在1869年他提出：液化“永久性氣體”的失敗大概是由于他們臨界溫度比迄今已經(jīng)獲得的最低溫度還要低得多。只要能夠?qū)崿F(xiàn)更低的溫度，它們也是可以被液化的。為此必須尋找獲得更低溫度的方法。

　　1852年 ，英國物理學家焦爾（Joule,J.P.1818-1889）和丹麥物理學家湯姆遜（Thomsen,H.P.J .J.1826-1909）已證明，當非理想氣體發(fā)生真空絕熱膨脹時，由于要克服分子間的引力而作功，溫度可能大大降低。1877年兩個法國人分別獨立地利用焦爾－湯姆遜原理制得了少量液態(tài)氧。1875年至1880年間，德國工程師林德（Linde,K.1842-1934）利用焦-湯效應，并采用循環(huán)對流冷卻，制成了氣體壓縮式制冷機，可得到更代的溫度。1883年奧匈帝國的烏羅布列夫斯基（von Wroblewski,S.F. 1848-1888）和奧耳舍夫斯基（Olszewski,K.S.1846-1915）用林德制冷機使氧氣和氮氣大量液化。英國的杜瓦發(fā)明了低溫液體容器──杜瓦瓶，并于1898年成功地實現(xiàn)了氫的液化，它在１大氣壓下的液化溫度是－253℃。上世紀末達到的最低溫度是－259℃。荷蘭物理學家昂乃斯（Onnes,H.D.1853-1926）在１９０８年成功地實現(xiàn)了有重大影響的氦的液化，從而消除了最后一種“永久性氣體”，并達到了4.3－1.15Ｋ之間的低溫。昂乃斯及其合作者還對極低溫度下出現(xiàn)的各種現(xiàn)象（包括超導現(xiàn)象）進行了廣泛的研究。昂乃斯“由于他對低溫下物質(zhì)性質(zhì)的研究，并且制成液氮”而獲得1913年諾貝爾物理學獎。