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1766年由卡文迪許(H.Cavendish)在英國(guó)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(xiàng)重大成就主要?dú)w功于英國(guó)化學(xué)家和物理學(xué)家卡文迪許(CavendishH.1731-1810)。
在化學(xué)史上有一個(gè)與這些論文稿有關(guān)的有趣的故事。卡文迪許1785年做過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)他將電火花通過(guò)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(shí)驗(yàn)做了三個(gè)星期后殘留下一小氣泡不能被氧化。他的實(shí)驗(yàn)記錄保存在留下的文稿中后面寫(xiě)道“空氣中的濁氣不是單一的物質(zhì)氮?dú)膺€有一種不與脫燃素空氣氧化合的濁氣總量不超過(guò)全部空氣的1/12.一百多年后1892年英國(guó)劍橋大學(xué)的物理學(xué)家瑞利(RagleighL.1842-1919)測(cè)定氮的密度時(shí)發(fā)現(xiàn)從空氣得來(lái)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(RamsayW.1852-1916)認(rèn)為來(lái)自空氣的氮?dú)饫锩婺芎幸环N較重的未知?dú)怏w。這時(shí)化學(xué)教授杜瓦DuvelJ.1842-1923向他們提到劍橋大學(xué)的老前輩卡文迪許的上述實(shí)驗(yàn)和小氣泡之謎。他們立即把卡文迪許的科學(xué)資料借來(lái)閱讀瑞利重復(fù)了卡文迪許當(dāng)年的實(shí)驗(yàn)很快得到了小氣泡。萊姆塞設(shè)計(jì)了一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)除去空氣中的水蒸氣、二氧化碳、氧氣和氮?dú)夂笠驳玫搅诉@種氣體密度比氮?dú)獯笥梅止忡R檢查后肯定這是一種新的元素取名氬。這樣卡文迪許當(dāng)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(gè)故事可看出卡文迪許嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲凶黠L(fēng)和他對(duì)化學(xué)的重大貢獻(xiàn)。1871年劍橋大學(xué)建立了一座物理實(shí)驗(yàn)室以卡文迪許的名字命名這就是有名的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室它在幾十年內(nèi)一直是世界現(xiàn)代物理學(xué)的一個(gè)重要研究中心。
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水的合成否定了水是元素的錯(cuò)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(wàn)物。從那時(shí)起直到18世紀(jì)70年代人們一直認(rèn)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(jìn)行這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)這種露滴是純凈的水表明氫是水的一種成分。這時(shí)氧氣也已發(fā)現(xiàn)卡文迪許又用純氧代替空氣進(jìn)行試驗(yàn)不僅證明氫和氧化合成水而且確認(rèn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果本已毫無(wú)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(jiān)持認(rèn)為水是一種元素,氧是失去燃素的水,氫則是含有過(guò)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(shí)驗(yàn)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(lái)把水當(dāng)做元素的錯(cuò)誤概念。1787年他把過(guò)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(rèn)它是一種元素。
氫氣常溫下性質(zhì)穩(wěn)定在點(diǎn)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可燃性可在氧氣中燃燒2H?+O?=點(diǎn)燃=2H?O化合反應(yīng)
(點(diǎn)燃不純的氫氣要發(fā)生爆炸,點(diǎn)燃?xì)錃馇膀?yàn)純)
H?+Cl?=點(diǎn)燃或光照=2HCl化合反應(yīng)
②還原性(使某些金屬氧化物還原)
H?+CuO=△=Cu+H?O置換反應(yīng)
3H?+Fe?O?=高溫=2Fe+3H?O置換反應(yīng)
3H?+WO?=△=W+3H?O置換反應(yīng)
含有氫元素的二元化合物稱為氫化物。“氫化物”一詞暗含氫顯負(fù)價(jià)且其氧化態(tài)為-1的意思。氫負(fù)離子記做H-其存在是1916年由吉爾伯特·路易斯預(yù)言的。1920年Moers用電解氫化鋰在陽(yáng)極產(chǎn)生氫氣從而證明了氫化物的存在。對(duì)于非IA或IIA族的元素形成的氫化物“氫化物”一詞并不準(zhǔn)確因?yàn)闅涞碾娯?fù)性并不高。IA族堿金屬的氫化物中有一個(gè)例外即高聚物氫化鋰。氫化鋁鋰中4個(gè)氫原子緊靠鋁原子。雖然氫可與幾乎所有的主族元素形成氫化物但這些氫化物的原子配比卻并不單一例如二元的PW已發(fā)現(xiàn)100多種但氫化鋁只有一種。二元?dú)浠熯€未被發(fā)現(xiàn)但它存在于更大的配合物中。
氫氣是一種極易燃的氣體在空氣中的體積分?jǐn)?shù)為4%至75%時(shí)都能燃燒。氫氣燃燒的焓變?yōu)?286 kJ/mol
2 H?(g) + O?(g) → 2 H?O(l); ΔH = -572 kJ/mol
氫氣占4%至74%的濃度時(shí)與空氣混合或占5%至95%的濃度時(shí)與lv氣混合時(shí)是極易爆炸的氣體在熱、日光或火花的刺激下易引爆。氫氣的著火點(diǎn)為500 °C。純凈的氫氣與氧氣的混合物燃燒時(shí)放出紫外線。
因?yàn)闅錃獗瓤諝廨p所以氫氣的火焰傾向于快速上升故其造成的危害小于碳?xì)浠衔锶紵奈:Α錃馀c所有的氧化性元素單質(zhì)反應(yīng)。氫氣在常溫下可自發(fā)的和lv氣需要光照反應(yīng) 氫氣和氟氣在冷暗處混合就可爆炸生成具有潛在危險(xiǎn)性的酸氯化氫或氟化氫。
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