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世界上密度最小的氣體

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世界上密度最小的氣體

  前面介紹了密度最小的金屬,現(xiàn)在我們一起來看一下密度最小的氣體吧

  密度最小的氣體:

  氫氣:

  常溫常壓下,氫氣是一種極易燃燒,無色透明、無臭無味的氣體。氫氣是世界上已知的密度最小的氣體,氫氣的質(zhì)量只有空氣的1/14,即在0 ℃時,一個標準大氣壓下,氫氣的密度為0.0899 g/L。所以氫氣可作為飛艇、氫氣球的填充氣體(由于氫氣具有可燃性,安全性不高,飛艇現(xiàn)多用氦氣填充)。氫氣是相對分子質(zhì)量最小的物質(zhì),主要用作還原劑。

  氫氣 (H2) 最早于16世紀初被人工制備,當時使用的方法是將金屬置于強酸中。1766–1781年,亨利·卡文迪許發(fā)現(xiàn)氫元素,氫氣燃燒生成水(2H₂+O₂=2H₂O),拉瓦錫根據(jù)這一性質(zhì)將該元素命名為 “hydrogenium”(“生成水的物質(zhì)”之意,"hydro"是“水”,"gen"是“生成”,"ium"是元素通用后綴)。

  19 世紀50 年代英國醫(yī)生合信(B.Hobson)編寫《博物新編》(1855 年)時,把"hydrogen"翻譯為“輕氣”,意為最輕氣體。 現(xiàn)在工業(yè)上一般從天然氣或水煤氣制氫氣,而不采用高耗能的電解水的方法。制得的氫氣大量用于石化行業(yè)的裂化反應(yīng)和生產(chǎn)氨氣。氫氣分子可以進入許多金屬的晶格中,造成“氫脆”現(xiàn)象,使得氫氣的存儲罐和管道需要使用特殊材料(如蒙耐爾合金),設(shè)計也更加復(fù)雜。 醫(yī)學(xué)上用氫氣來治療部分疾病。

  研究歷史:

  1766年由卡文迪許(H.Cavendish)在英國發(fā)現(xiàn)。 在化學(xué)史上,人們把氫元素的發(fā)現(xiàn)與“發(fā)現(xiàn)和證明了水是氫和氧的化合物而非元素”這兩項重大成就,主要歸功于英國化學(xué)家和物理學(xué)家卡文迪許(Cavendish,H.1731-1810)。 在化學(xué)史上,有一個與這些論文稿有關(guān)的有趣的故事??ㄎ牡显S1785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(xué)的物理學(xué)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。化學(xué)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(xué)教授杜瓦(Duvel,J.1842-1923)向他們提到劍橋大學(xué)的老前輩卡文迪許的上述實驗和小氣泡之謎。他們立即把卡文迪許的科學(xué)資料借來閱讀,瑞利重復(fù)了卡文迪許當年的實驗,很快得到了小氣泡。萊姆塞設(shè)計了一個新的實驗,除去空氣中的水蒸氣、二氧化碳、氧氣和氮氣后,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(fēng)和他對化學(xué)的重大貢獻。

  1871年,劍橋大學(xué)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(xué)的一個重要研究中心。 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(xué)派學(xué)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(xué)院的《報告》上也提到過它。

  但是,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(xué)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(guān)。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(shè)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(shè)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(xué)家舍勒、基爾萬(Kirwan,R.1735-1812)等的贊同。由于把氫氣充到氣球中,氣球便會徐徐上升,這種現(xiàn)象當時曾被一些燃素學(xué)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(xué)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(yīng)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(xué)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。 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(fù)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。這時氧氣也已發(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(jié)果本已毫無異議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(fù)了他們的實驗,并用紅熱的槍筒分解了水蒸氣,明確提出正確的結(jié)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“Hydrogen”(氫),意思是“產(chǎn)生水的”,并確認它是一種元素。

  物理性質(zhì)

  氫氣是無色并且密度比空氣小的氣體(在各種氣體中,氫氣的密度最小。標準狀況下,1升氫氣的質(zhì)量是0.0899克,相同體積比空氣輕得多)。因為氫氣難溶于水,所以可以用排水集氣法收集氫氣。另外,在101千帕壓強下,溫度-252.87 ℃時,氫氣可轉(zhuǎn)變成無色的液體;-259.1 ℃時,變成雪狀固體。常溫下,氫氣的性質(zhì)很穩(wěn)定,不容易跟其它物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。但當條件改變時(如點燃、加熱、使用催化劑等),情況就不同了。如氫氣被鈀或鉑等金屬吸附后具有較強的活性(特別是被鈀吸附)。金屬鈀對氫氣的吸附作用最強。當空氣中的體積分數(shù)為4%-75%時,遇到火源,可引起爆炸。 氫氣是無色無味的氣體,標準狀況下密度是0.09克/升(最輕的氣體),難溶于水。在-252 ℃,變成無色液體,-259 ℃時變?yōu)檠┗罟腆w。

  汽化熱:305 kJ/kg(△Hv ,-249.5℃)臨界密度:66.8 kg/m3氣體密度:0.0899 kg/m3(101.325kPa,0℃)比容:11.12 m3/kg(101.325kPa,21.2℃)導(dǎo)熱系數(shù):0.1289 w/(m·K)(氣體101.325 kPa,0 ℃)、1264 W/(m·K)(液體,-252.8 ℃)比熱容:Cp=14.30 kJ/(kg·K),Cv=10.21 kJ/(kg·K)(101.325kPa,25℃,氣體)蒸氣壓力:10.67 kPa(正常態(tài),17.703)53.33 kPa(正常態(tài),21.621)119.99 kPa(正常態(tài),24.249 K)粘度:0.010 lmPa·S(氣體,正常態(tài))101.325 kPa (0 ℃)0.040 mPa·s(液體,平衡態(tài),-252.8 ℃)

  化學(xué)性質(zhì)

  氫氣常溫下性質(zhì)穩(wěn)定,在點燃或加熱的條件下能多跟許多物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 ①可燃性(可在氧氣中或氯氣中燃燒):2H2+O2=點燃=2H2O(化合反應(yīng)) (點燃不純的氫氣要發(fā)生爆炸,點燃氫氣前必須驗純,相似的,氘(重氫)在氧氣中點燃可以生成重水(D2O)) H2+Cl2=點燃=2HCl(化合反應(yīng)) H2+F2=2HF(氫氣與氟氣混合立刻爆炸,生成氟化氫氣體) ②還原性(使某些金屬氧化物還原) H2+CuO Cu+H2O(置換反應(yīng)) 3H2+Fe2O3=高溫=2Fe+3H2O(置換反應(yīng)) 3H2+WO3 W+3H2O(置換反應(yīng))

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