氧氣的故事

于鵬翔

“看不見，摸不著，不香不臭沒味道，說它寶貴到處有，動(dòng)物植物離不了。”相信你已經(jīng)猜到謎底就是空氣！我們知道空氣是由氮?dú)狻⒀鯕狻⒍趸肌⑺任镔|(zhì)組成的混合物，其中對人類以及其他動(dòng)物來說最重要的就是氧氣。今天我們就要講講氧氣的故事，看看這種無形無色的氣體到底是如何被人類發(fā)現(xiàn)的！

氧氣的發(fā)現(xiàn)之旅

自古以來，空氣對于生存的重要性幾乎無人不知。古希臘哲學(xué)家亞里士多德就曾提出“四元素說”，認(rèn)為水、火、土、氣是組成這個(gè)世界的基本元素。不過，就像謎語中所說：空氣是看不見、摸不著又沒有味道的，所以它就像一個(gè)喜歡玩捉迷藏的孩子，從不在人們面前顯露自己。

對空氣充滿好奇的人們在研究中發(fā)現(xiàn)，除了尋常的空氣以外，似乎還有很多“特殊空氣”。比如，有能熄滅燭火的空氣，還有遇到火焰就會(huì)爆炸的空氣。不管有多少種空氣，在當(dāng)時(shí)的人們眼中，空氣就是單一的元素，那些奇怪的空氣只是被各種物質(zhì)污染的產(chǎn)物。

快熄滅的香放進(jìn)裝有氧氣的瓶子就會(huì)復(fù)燃

卡爾·維廉·舍勒

1772年，一位名叫舍勒的藥劑師在實(shí)驗(yàn)中制取了“氧氣”，他將這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果寫成《火與空氣》一書，并將這種可以使蠟燭燃燒得更加劇烈的空氣叫作“火焰空氣”。

普利斯特里和他研究氧氣的儀器

在舍勒生活的時(shí)代，“燃素說”盛行。人們普遍認(rèn)為，物質(zhì)在燃燒時(shí)會(huì)釋放一種叫作“燃素”的東西。如果在室外，“燃素”可以四處飄蕩，物體中的“燃素”就可以不斷釋放。但要是在密封的容器中，“燃素”就會(huì)不斷積累，直至塞滿容器，使火焰熄滅。后來，一位名叫普利斯特里的神父也在實(shí)驗(yàn)中制取出“氧氣”，但是受限于“燃素說”，他只是把自己發(fā)現(xiàn)的那種可以使燃燒更加劇烈的氣體稱作“去除燃素的空氣”，而未能發(fā)現(xiàn)氧氣之于燃燒的真正意義。

1774年，“普神父”與一位將要改變科學(xué)史的人相遇了，此人名叫拉瓦錫，比普利斯特里小十歲，做事非常嚴(yán)謹(jǐn)，是法國的一名稅務(wù)官。他只能在每天早上6點(diǎn)到9點(diǎn)，晚上7點(diǎn)到10點(diǎn)利用空余時(shí)間進(jìn)行科學(xué)研究。當(dāng)他與普利斯特里相遇后，他被普利斯特里天馬行空的研究思路吸引，用自己嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)方式繼續(xù)關(guān)于燃燒的實(shí)驗(yàn)。

安托萬·拉瓦錫

在遇到普利斯特里之前，拉瓦錫已經(jīng)開始了關(guān)于燃燒的實(shí)驗(yàn)。他嘗試燃燒了很多物質(zhì)，比如鉛和磷等。每次實(shí)驗(yàn)過程中，拉瓦錫都會(huì)用天平精確地測量試驗(yàn)品在燃燒前后的重量變化。而測量的結(jié)果無一例外：每次都是試驗(yàn)品燃燒后的灰燼較原本的試驗(yàn)品重量有所增加。結(jié)果很明確：燃燒的過程一定是空氣中的什么東西與試驗(yàn)品結(jié)合，這才會(huì)讓試驗(yàn)品在燃燒后變重。

拉瓦錫的實(shí)驗(yàn)設(shè)備

拉瓦錫的實(shí)驗(yàn)室

在與普利斯特里交流之后，拉瓦錫又獲得了靈感，進(jìn)行了新的實(shí)驗(yàn)。這一次，拉瓦錫取了約110克的純凈水銀放入一個(gè)曲頸長彎嘴瓶，瓶嘴的一端通過水銀槽與一個(gè)玻璃鐘罩相通，同時(shí)他還測量出容器中還有大約820毫升普通空氣。準(zhǔn)備就緒，拉瓦錫用炭火將曲頸瓶燃燒了12天。瓶中漸漸產(chǎn)生了一些紅色物質(zhì)（氧化汞），直到這些紅色物質(zhì)不再增加，拉瓦錫停止了加熱。與此同時(shí)，拉瓦錫測量出整個(gè)容器中的空氣減少了大約150毫升，剩下的空氣既不能再支持燃燒，也不能讓石灰水變渾濁（二氧化碳會(huì)讓石灰水變渾濁）。之后，拉瓦錫又重新燃燒了這些紅色物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)它釋放出來的氣體與原來空氣中消失的氣體體積相同。而這些氣體與容器中剩余的空氣混合就產(chǎn)生了正常的空氣。由此，拉瓦錫走到了氧氣發(fā)現(xiàn)之旅的最后一步：通過精細(xì)的實(shí)驗(yàn)和測量，他提取出了空氣中可供燃燒的物質(zhì)，而這些物質(zhì)也正是讓生命充滿活力的東西。最終，拉瓦錫將這種物質(zhì)命名為“oxygen”，法語意為“承載酸的東西”。而清代科學(xué)家徐壽將它翻譯成我們熟知的“氧氣”。

拉瓦錫做實(shí)驗(yàn)的場景

呼吸為什么需要氧氣

發(fā)現(xiàn)氧氣之后，拉瓦錫就著手研究氧氣和生命之間的關(guān)系問題。他與后來的天體力學(xué)創(chuàng)始人拉普拉斯合作，用豚鼠、冰塊和一套非常精妙的儀器進(jìn)行研究。他們發(fā)現(xiàn)：豚鼠的活動(dòng)量越大，氧氣的消耗量越大，釋放的熱量也就越多。拉瓦錫在論文中寫道：“呼吸是種燃燒過程，雖然進(jìn)行得非常緩慢，卻完全可以與煤炭燃燒現(xiàn)象相提并論。”

我們的身體中有幾十萬億個(gè)細(xì)胞。我們能夠正常生活就仰仗這些細(xì)胞的正常工作。而細(xì)胞要工作就需要血液輸送各種各樣的營養(yǎng)元素來為其提供能量。那么，能量從哪里來呢？能量從我們每天所食的各種食物中來。但是這些食物并不能直接轉(zhuǎn)化為能量被細(xì)胞吸收，它們還需要通過氧氣的幫助，才能順利把食物中的“熱量”轉(zhuǎn)化為細(xì)胞所需要的“能量”，這也就是生物學(xué)中的“呼吸作用”。氧氣正是通過氧化我們吃進(jìn)去的有機(jī)物，幫助我們產(chǎn)生能量。

物質(zhì)的燃燒就是發(fā)光發(fā)熱的劇烈的氧化反應(yīng)。所以在這一點(diǎn)上，拉瓦錫把呼吸比喻成煤炭的燃燒是正確的。但非常可惜的是，做事如此嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦咤a趕上了法國大革命，因?yàn)槎悇?wù)官的身份遭人陷害，最終被激進(jìn)的革命黨人送上了斷頭臺(tái)。拉瓦錫的好友、著名的天文學(xué)家拉格朗日聽到這個(gè)消息后說：“他們在一瞬間就砍下了他的頭，然而再過一百年，也未必再有這樣的頭腦出現(xiàn)。”

說回氧氣。氧氣對我們的生存如此重要，但是人體的儲(chǔ)氧量卻極低，我們使用氧氣只能“隨用隨吸”。在我們的身體中，最需要氧氣的器官就是大腦。輕微的腦缺氧會(huì)使我們的注意力無法集中，如果缺氧嚴(yán)重，還會(huì)出現(xiàn)神志不清的情況。但是氧氣也不是越多越好，如果吸入氧氣過多，人還會(huì)產(chǎn)生氧中毒的現(xiàn)象。

航天員在宇宙中呼吸什么

我們知道太空是真空的，也就是沒有氧氣的。那么航天員在太空中靠什么維持呼吸呢？大家可能以為航天員在太空中身背氧氣罐，時(shí)刻呼吸著純氧，但實(shí)際上，他們在太空中呼吸的氣體與我們在地球上呼吸的空氣成分幾乎是一樣的。只有少數(shù)一些航天器中的氧氣含量與正常的空氣存在較大差異。

電解水產(chǎn)生氧氣的設(shè)備

潛水員靠氧氣瓶中的空氣呼吸

為什么航天員不能呼吸純氧？因?yàn)榧冄醴浅；顫姡欢↑c(diǎn)兒火花就會(huì)造成劇烈的爆炸。1967年，阿波羅1號(hào)在地面測試時(shí)，由于艙內(nèi)攜帶的是純氧，電纜產(chǎn)生火花引發(fā)了火災(zāi)，致使三名航天員罹難。

不只是太空飛船，潛水員的氧氣瓶、潛艇中的空氣成分都與我們呼吸的空氣成分十分相近。所以，再見到爬山、潛水使用的“氧氣瓶”，相信大家不會(huì)再誤以為里面是百分之百的純氧了！