一、科学家们的空气探索之旅

空气覆盖在地球的表面。它透明，无色、无味，平时我们几乎不会注意到它，甚至常常忘记它的存在。其实，生活中有许多常见现象的发生都有空气家族成员的参与，如植物的生长、新鲜蔬菜速冻、动物呼吸、铁制品生锈、苏打水和汽水起泡、闪烁的霓虹灯放射出五彩缤纷的光芒等。

由于空气是无色、透明的，肉眼不容易观察，加上研究工具和方法的限制，人类对空气家族“成员”的探索及不同成员“脾气性格”的认识经历了漫长而艰难的过程。

1.“活泼调皮”的氧气

氧气可以说是我们最熟悉的气体之一了，氧气约占空气体积的21%，构成人体的物质中约有2/3是氧元素，可以说没有氧就无法构成生命。氧气的发现过程可谓异常曲折，且听我细细道来。

在18世纪，德国化学家施塔尔（1660—1734）等人提出“燃素理论”，认为一切可以燃烧的物质由灰和“燃素”组成，物质燃烧后剩下来的是灰，而燃素本身变成了光和热，散到空中了。这个学说忽略了空气中存在与燃烧有关的物质的可能性，却在当时被大多数科学家相信了。在1771—1772年间，瑞典化学家舍勒（1742—1786）在加热红色的氧化汞、黑色的氧化锰、硝石等时制得了氧气，把燃着的蜡烛放在这个气体中，火烧得更加明亮，他把这个气体称为“火空气”。1774年8月，英国科学家普利斯特里（1733—1804）在用一个直径达一英尺（1英尺=0.30米）的聚光透镜加热密闭在玻璃钟罩内的氧化汞时得到了氧气，他发现物质在这种气体里燃烧比在空气中燃烧更强烈，他称这种气体为“脱去燃素的空气”。舍勒和普利斯特里是两位非常伟大的科学家，却因为一时的墨守成规，无法打破“燃素说”的桎梏，虽然制出了氧气却不知道它的“真面目”。

相较而言，法国化学家拉瓦锡（1743—1794）却敢于挑战“权威”，他在研究燃烧实验时对“燃素说”产生了质疑。正好普利斯特里来到巴黎，向拉瓦锡分享了他之前有关氧气的实验，拉瓦锡立刻意识到这个实验的重要性，于是拉瓦锡做了更精细的实验。由于这个实验连续进行了二十天，所以被人们称为“二十天实验”。实验装置如下图所示。

那个瓶颈弯曲的瓶子，叫做“曲颈甑”，瓶中装有水银。瓶颈通过水银槽，与一个钟形的玻璃钟罩相通。玻璃钟罩内是空气。

拉瓦锡用火炉昼夜不停地加热曲颈甑中的水银。在水银发亮的表面，很快出现了红色的渣滓，红色的渣滓越来越多。直到第十二天，拉瓦锡和助手发现，红色渣滓不再增多了。他们继续加热，一直到第二十天，红色渣滓仍不增多，才结束了实验。实验结束时，玻璃钟罩里空气的体积大约减少了1/5。这个“马拉松”式漫长的实验，成为化学史上著名的实验。拉瓦锡收集了红色的渣滓，用高温加热。渣滓分解了，重新释放出气体，得到的气体体积正好与原先玻璃钟罩中失去的气体体积相等。

拉瓦赐把那约占空气总体积1/5的气体，称为“氧气”。剩下的约占空气总体积4/5的气体，既不能帮助燃烧，也不能供呼吸用，拉瓦锡称它为“氮气”。

1775年4月，拉瓦锡向法国巴黎科学院提出报告——公布了氧的发现。就这样，千百年来被人们当作“元素”的空气，终于被拉瓦锡揭开了真面目——原来，空气是由氧气、氮气等气体混合组成的。

德国著名思想家、哲学家恩格斯，在《资本论》第二卷序言中提到：“普利斯特里和舍勒析出了氧气，但不知道他们所析出的是什么。他们为‘既有的’‘燃素说’范畴所束缚。这种本来可以推翻全部燃素说观点并使化学发生革命的元素，在他们手中没有能结出果实。”拉瓦锡一生虽然没有发明过新化合物和新化学反应，但他是历史上最杰出的化学家之一，他杰出的才能表现在他能看到旧理论的主要弱点，并能把有用的事实与更正确、更全面的新理论结合起来。

2.“稳重低调”的氮气

氮气不像“气体明星”——氧气那样为人熟知，却是空气最主要的成分，约占空气体积的78%。氮气性质稳定，但是含氮的化合物却很多，例如麻醉用的“笑气”、TNT炸药、各种肥料以及氨基酸等。对于生物来说，氮同氧一样都是不可缺少的，氮气的发现也与氧气有着千丝万缕的关系。

1771—1772年，瑞典化学家舍勒做了一系列实验制取了氧气，他根据自己的实验，认识到空气是由两种彼此不同的成分组成的，即支持燃烧的“火空气”和不支持燃烧的“无效的空气”。1772年，英国科学家卡文迪什（1731—1810）也曾分离出氮气，并称其为“窒息的空气”。同年，英国科学家普利斯特里通过实验也得到了这种既不支持燃烧，也不能维持生命的气体，他称之为“被燃素饱和了的空气”，意思是说，因为它吸足了燃素，所以失去了支持燃烧的能力。

然而，这三位科学家都没有意识到自己发现了什么，更没有将其发现公诸于世。直到1772年9月，苏格兰化学家丹尼尔·卢瑟福（1749—1819）发表了一篇极有影响的论文——《固定空气和浊气导论》（原稿现保存在英国博物馆）。他在论文中描述了氮气的性质，这种气体不能维持动物的生命，既不能被石灰水吸收，又不能被碱吸收，有灭火的性质，他称这种气体为“浊气”或“毒气”，此时氮终于走入了人们的视野。

可以看到，历史总是惊人的相似，丹尼尔虽然发现了氮气，却和普利斯特里、舍勒等科学家一样受到“燃素说”的影响，都没有认识到“浊气”是空气的一个组成成分。“浊气”“被燃素饱和了的空气”“窒息的空气”“无效的空气”等名称都没有被接受作为氮的最终名称。氮这个名称是1790年由法国化学家沙普塔（1756—1832）提出的。今天的“氮”的拉丁文名称Nitrogenium来自英文Nitrogen，是“硝石的组成者”的意思，化学符号为N。我国清末科学家徐寿（1818—1884）在第一次把氮译成中文时曾写成“淡气”，意思是说，它“冲淡”了空气中的氧气。

3.“举足轻重”的二氧化碳

二氧化碳是一种无色、无味、不可燃烧的气体，它仅约占空气体积的0.03%，却是支持植物光合作用的重要因素，也是空气中常见的温室气体，我们的呼吸与它息息相关。二氧化碳的发现史比较漫长，从发现它的存在到探寻出它的性质，经历了许多科学家不懈的研究。

早在公元300年以前，我国西晋时期的张华就在他所写的《博物志》一书中作了烧白石作白灰有气体发生的记载（即白石灰高温加热会分解产生二氧化碳气体）。17世纪初，比利时化学家范·海尔蒙特（1580—1644）发现在一些洞穴中有一种可以使燃烧着的蜡烛或火把熄灭的气体，并且它与木炭燃烧、麦子发酵、葡萄发酵后产生的气体一样。但是，这种气体是由什么组成的，为何来源不同性质却相同，海尔蒙特也只知其然，不知其所以然。

1755年，英国化学家布拉克（1728—1799）开始定量地研究这种气体。他一次次把石灰石放到容器里煅烧，烧透后再一次次仔细称量剩余固体质量，发现每次都减轻了44%；改用酸与石灰石反应，并用一定量的石灰水来捕捉反应时生成的气体，发现石灰水能很好地捕捉住这些气体，而且又刚好是44%；这种气体不烧不出来，好像固定在石灰石中一样，他把它叫作“固定空气”。接着布拉克将燃烧的蜡烛、麻雀、小老鼠等放在这种“固定空气”里，发现这种气体跟一般的空气大不一样，它能熄灭蜡烛，还会无情地扼杀麻雀、小老鼠的生命！布拉克和其他科学家还想进一步在水面上收集一些极纯净的这种气体，但由于这种气体能溶在水里所以始终没取得成功。不过10年以后，英国科学家卡文迪什（1731—1810）想出了一个好方法——他把这种气体通入水银槽，然后再在水银表面上收集到纯净的气体，测量了其密度和溶解性，并证明了它和动物呼出、木炭燃烧所产生的气体相同。

1772年，法国化学家拉瓦锡等人用纯氧与纯炭进行燃烧实验，发现只生成一种气体，得出该气体是由碳、氧两种元素组成的化合物。后来，人们用更精确的实验方法并经约翰·道尔顿（1766—1844）等许多化学家的努力，才证明它的分子中碳原子、氧原子的个数比为1∶2。就这样，经历了约150年，经过许多化学家的不懈努力，人类才真正认识了今天为人熟知的二氧化碳气体。

4.“五彩斑斓” 的稀有气体

夜晚，灯火璀璨的商业楼宇间，霓虹灯闪烁着绚丽多彩的光芒，秘密就是稀有气体！“稀有气体”，顾名思义，在空气中所占比例比较小，所有稀有气体加起来约占空气体积的0.94%。稀有气体指的并不是某一种气体，而是一类气体的总称，主要包括氦、氖、氩、氪、氙、氡，最主要的成分是氩气。

早在1785年，英国科学家卡文迪什在研究空气组成时，发现一个奇怪的现象：当时人们已经知道空气中含有氮、氧、二氧化碳等，卡文迪什把空气中的这些成分清除干净后，发现还残留少量气体。可惜这个现象当时并没有引起化学家们应有的重视。谁也没有想到，就在这少量气体里竟藏着一个化学元素家族！一百多年后，英国物理学家约翰·斯特拉特（1842—1919，第三代瑞利男爵）与化学家威廉·拉姆塞（1852—1916）合作，把空气中的氮气和氧气除去，用光谱分析鉴定剩余气体，终于在1894年发现了氩。1895年3月，威廉·拉姆塞宣布发现氦。后来，其他稀有气体陆续被发现。

翻阅科学历史的篇章，我们已经了解了空气家族的各个“成员”是如何在科学家的努力与智慧下被揭开神秘面纱的！接下来我们需要思考的是，人类如何从空气中分离、收集它们，将其应用到生产生活中呢？