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1、世界上最难的物理题 世界上密度最小的气体前面介绍了密度最小的金属，现在我们一起来看一下密度最小的气体吧密度最小的气体： 氢气：常温常压下，氢气是一种极易燃烧，无色透亮、无臭无味的气体。氢气是世界上的密度最小的气体，氢气的质量只有空气的 1/14，即在 0时，一个标准大气压下，氢气的密度为 0.0899g/L。所以氢气可作为飞艇、氢气球的填充气体(由于氢气具有可燃性，安全性不高，飞艇现多用氦气填充)。氢气是相对分子质量最小的物质，主要用作复原剂。氢气(H2)最早于 16 世纪初被人工制备，当时使用的方法是将金属置于强酸中。17661781 年，亨利卡文迪许觉察氢元素，氢气燃烧生成水(2H+O=2
2、HO)，拉瓦锡依据这一性质将该元素命名为“hydrogenium”(“生成水的物质”之意， “hydro“是“水”，“gen“是“生成”，“ium“是元素通用后缀)。19 世纪 50 年月英国医生合信(B.Hobson)编写博物编(1855 年)时，把“hydrogen“翻译为“轻气”，意为最轻气第1页 共7页体。现在工业上一般从自然气或水煤气制氢气，而不承受高耗能的电解水的方法。制得的氢气大量用于石化行业的裂化反响和生产氨气。氢气分子可以进入很多金属的晶格中，造成“氢脆”现象，使得氢气的存储罐和管道需要使用特别材料(如蒙耐尔合金)，设计也更加简单。医学上用氢气来治疗局部疾病。争论历史：176
3、6 年由卡文迪许(H.Cavendish)在英国觉察。在化学史上，人们把氢元素的觉察与“觉察和证明白水是氢和氧的化合物而非元素”这两项重大成就，主要归功于英国化学家和物理学家卡文迪许(Cavendish，H.1731-1810)。在化学史上，有一个与这些论文稿有关的好玩的故事。卡文迪许 1785 年做过一个试验，他将电火花通过寻常空气和氧气的混合体，想把其中的氮全部氧化掉，产生的二氧化氮用苛性钾吸取。试验做了三个星期，最终残留下一小气泡不能被氧化。他的试验记录保存在留下的文稿中，后面写道：“空气中的浊气不是单一的物质(氮气)，还有一种不与脱燃素空气(氧)化合的浊气，总量不超过全部空气的 1/1
4、2.一百多年后，1892 年，英国剑桥大学的物理学家瑞利(Ragleigh，L.1842-1919)测定氮的密度时，觉察从空气得来的氮比从氨氧化分解产生的氮每升重 0.0064 克，百思不得其解。化学家莱姆塞(Ramsay，W.1852-1916)认为来自空气的氮气里面能含有一种较重的未知气体。这时，化学教授杜瓦(Duvel，J.1842-1923)向他们提到剑桥大学的老前辈卡文迪许的上述试验和小气泡之谜。他们马上把卡文迪许的科学资料借来阅读，瑞利重复了卡文迪许当年的试验，很快得到了小气泡。莱姆塞设计了一个的试验，除去空气中的水蒸气、二氧化碳、氧气和氮气后，也得到了这种气体，密度比氮气大，用分
5、光镜检查后，确定这是一种的元素，取名氩。这样，卡文迪许当年的工作在 1894 年元素氩的觉察中起了重要作用。从这个故事可看出卡文迪许严谨的科研作风和他对化学的重大奉献。1871 年，剑桥大学建立了一座物理试验室，以卡文迪许的名字命名，这就是著名的卡文迪许试验室，它在几十年内，始终是世界现代物理学的一个重要争论中心。在 18 世纪末以前， 曾经有不少人做过制取氢气的试验，所以实际上很难说是谁觉察了氢，即使公认对氢的觉察和争论有过很大奉献的卡文迪许本人也认为氢的觉察不只是他的功绩。早在 16 世纪，瑞士著名医生帕拉塞斯就描述过铁屑与酸接触时有一种气体产生;17 世纪时，比利时著名的医疗化学派学者海
6、尔蒙特(vanHelmont， J.B.1579-1644)曾偶然接触过这种气体，但没有把它离析、收集起来;波义耳虽偶然收集过这种气体，但并未进展争论。他们只知道它可燃，此外就很少了解;1700 年，法国药剂师勒梅里(Lemery，N.1645-1715)在巴黎科学院的报告上也提到过它。但是，最早把氢气收集起来，并对它的性质认真加以争论的是卡文迪许。1766 年卡文迪许向英国皇家学会提交了一篇争论报告人造空气试验，讲了他用铁、锌等与稀硫酸、稀盐酸作用制得“易燃空气”(即氢气)，并用普利斯特里制造的排水集气法把它收集起来，进展争论。他觉察肯定量的某种金属分别与足量的各种酸作用，所产生的这种气体的
7、量是固定的，与酸的种类、浓度都无关。他还觉察氢气与空气混合后点燃会发生爆炸;又觉察氢气与氧气化合生成水，从而生疏到这种气体和其它的各种气体都不同。但是，由于他是燃素说的虔诚信徒，依据他的理解：这种气体燃烧起来这么猛烈，肯定富含燃素;硫磺燃烧后成为硫酸，那么硫酸中是没有燃素的;而依据燃素说金属也是含燃素的。所以他认为这种气体是从金属中分解出来的，而不是来自酸中。他设想金属在酸中溶解时，“它们所含的燃素便释放出来，形成了这种可燃空气”。他甚至曾一度设想氢气就是燃素，这种推想很快就得以当时的一些出色化学家舍勒、基尔万(Kirwan，R.1735-1812)等的赞同。由于把氢气充到气球中，气球便会缓缓
8、上升，这种现象当时曾被一些燃素学说的信奉者们用来作为他们“论证”燃素具有负重量的依据。但卡文迪许到底是一位非凡的科学家，后来他弄清楚了气球在空气中所受浮力问题，通过准确争论，证明氢气是有重量的，只是比空气轻很多。他是这样做试验的： 先把金属和装有酸的烧瓶称重，然后将金属投入酸中，用排水集气法收集氢气并测体积，再称量反响后烧瓶及内装物的总 量。这样他确定了氢气的比重只是空气的 9%.但这些化学家仍不愿轻易放弃旧说，鉴于氢气燃烧后会产生水，于是他们改说氢气是燃素和水的化合物。水的合成否认了水是元素的错误观念，在古希腊：恩培多克勒提出，宇宙间只存在火、气、水、土四种元素，它们组成万物。从那时起直到
9、18 世纪 70 年月， 人们始终认为水是一种元素。1781 年，普利斯特里将氢气和空气放在闭口玻璃瓶中，用电火花引爆，觉察瓶的内壁有露珠消灭。同年卡文迪许也用不同比例的氢气与空气的混合物反复进展这项试验，确认这种露滴是纯洁的水，说明氢是水的一种成分。这时氧气也已觉察， 卡文迪许又用纯氧代替空气进展试验，不仅证明氢和氧化合成水，而且确认大约 2 份体积的氢与 1 份体积的氧恰好化合成水(发表于 1784 年)。这些试验结果本已毫无异议地证明白水是氢和氧的化合物，而不是一种元素，但卡文迪许却和普利斯特里一样，仍坚持认为水是一种元素，氧是失去燃素的水，氢则是含有过多燃素的水。他用下式表示“易燃空气
10、”(氢)的燃烧：(水+燃素)+(水-燃素)水易燃空气(氢)失燃素空气(氧)1782 年，拉瓦锡重复了他们的试验，并用红热的枪筒分解了水蒸气，明确提出正确的结论：水不是元素而是氢和氧的化合物，订正了两千多年来把水当做元素的错误概念。1787 年，他把过去称作“易燃空气”的这种气体命名为“Hydrogen”(氢)，意思是“产生水 的”，并确认它是一种元素。物理性质氢气是无色并且密度比空气小的气体(在各种气体中，氢气的密度最小。标准状况下，1 升氢气的质量是 0.0899 克，一样体积比空气轻得多)。由于氢气难溶于水，所以可以用排水集气法收集氢气。另外，在 101 千帕压强下，温度-252.87时，
11、氢气可转变成无色的液体;-259.1时，变成雪状固体。常温下， 氢气的性质很稳定，不简洁跟其它物质发生化学反响。但当条件转变时(如点燃、加热、使用催化剂等)，状况就不同了。如氢气被钯或铂等金属吸附后具有较强的活性(特别是被钯吸附)。金属钯对氢气的吸附作用最强。当空气中的体积分数为4%-75%时，遇到火源，可引起爆炸。氢气是无色无味的气体， 标准状况下密度是 0.09 克/升(最轻的气体)，难溶于水。在- 252,变成无色液体,-259时变为雪花状固体。汽化热：305kJ/kg(Hv，-249.5)临界密度：66.8kg/m3 气体密度：0.0899kg/m3(101.325kPa，0)比容：1
12、1.12m3/kg(101.325kPa，21.2)导热系数：0.1289w/(mK)(气体 101.325kPa，0)、1264W/(mK)(液体，-252.8)比热容：Cp=14.30kJ/(kgK)， Cv=10.21kJ/(kgK)(101.325kPa，25，气体)蒸气压力： 10.67kPa(正常态，17.703)53.33kPa(正常态，21.621)119.99kPa(正常态，24.249K)粘度：0.010lmPaS(气体，正常态)101.325kPa(0)0.040mPas(液体，平衡态，- 252.8)化学性质氢气常温下性质稳定，在点燃或加热的条件下能多跟很多物质发生化学反响。可燃性(可在氧气中或氯气中燃烧)： 2H2+O2=点燃=2H2O(化合反响)(点燃不纯的氢气要发生爆炸,点燃氢气前必需验纯，相像的，氘(重氢)在氧气中点燃可以生成重水(D2O)H2+Cl2=点燃=2HCl(化合反响)H2+F2=2HF(氢气与氟气混合马上爆炸，生成氟化氢气体)复原性(使某些金属氧化物复原)H2+CuOCu+H2O(置换反响)3H2+Fe2O3=高温=2Fe+3H2O(置换反响)3H2+WO3W+3H2O(置换反响)