【元素家族——連載113】高傲的隱士

話說19世紀初，在蘇格蘭化學家湯姆遜主編的《哲學年鑒》上發表了一篇文章，出自一位年輕的英國化學家普勞特。文章指出：各種氣體的密度精確地是氫氣密度的整數倍，他推測氫原子可能是各種元素的「元粒子」。這被稱為「普勞特假說」，也被作為原子論的基礎之一。瑞典大牛貝采尼烏斯舉出氯氣的例子，表示反對。在當時，英國科學界相信「普勞特假說」，而歐洲大陸則拒絕接受。

1879年，電磁學大師麥克斯韋去世，劍橋大學卡文迪許實驗室主任職位空缺，接替的是37歲的瑞利。這個人非常嚴謹，非常重視定量研究。他首先想，如果連「普勞特假說」都證實不了，那化學家們使用的原子量都不能說是準確的，定量分析還有什麼意義呢？因此，他決定從稱量各種氣體的密度開始，驗證「普勞特假說」。

【第二任卡文迪許實驗室主任：瑞利。】

瑞利先稱最輕的氣體：氫，然後是氧氣。他通過加熱高錳酸鉀、氯酸鉀和電解水三種方法得到氧氣，互相驗證。經過十年的測定，他宣布氫和氧的原子量之比實際上不是1：16，而是1：15.882，為「普勞特假說」提供了反例。

接下來，他要去稱量氮氣的質量，那個時代的化學家都知道，空氣里除了氧氣和極微量的水蒸氣、二氧化碳，剩下的就是氮氣。所以瑞利先讓空氣通過紅熱的鐵屑或者銅片，去除氧氣，再通過鹼溶液，去除二氧化碳，最後通過濃硫酸，吸收水蒸氣。瑞利稱量了剩下的氣體，密度為1.2572克/立方厘米，是氫氣的13.984倍。

【瑞利和開爾文在一起。】

很簡單是嗎？是的。

完了嗎？沒有。

瑞利是一個特別嚴謹的人，和小學生做數學題要驗算一樣，他還得通過另一種方法來製取氮氣，驗證一下之前的結果。他選擇讓氨氣和氧氣通過紅熱的銅絲，生成水蒸氣和氮氣，再用濃硫酸吸收剩餘的氨和水蒸氣，也可以得到純凈的氮氣。結果很快也出來了，這種方法得到的氮氣密度是1.2505克/立方厘米，跟之前的方法相差千分之五左右。

你也許會想：「千分之五？這也許是實驗誤差吧，我們在學校做滴定的時候誤差比這大多了。」

可是瑞利不這麼想，對於嚴謹的他來說，千分位上出現誤差是不能容忍的，足以讓他認為這是兩種物質：「重氮」和「輕氮」。

他又採用其他物質來製取氮氣，笑氣、一氧化氮甚至尿。他發現這些氮氣都和從氨氣里得到的「輕氮」一樣重。而無論如何處理空氣，最終留下的「重氮」仍舊比較重。

從1892年到1894年，這些工作讓他花費了整整兩年時間去跟這些氣體搏鬥。人生中能有多少個兩年？瑞利很清楚，在他前面還有幾十種有趣的物理問題在等待著他，可他卻在提純氮氣這個最基本的實驗上陷入泥沼，他從一個物理學家——至少是一個實驗室主任——變成了一個化學實驗員。

【瑞利的祖上是男爵，因此後來瑞利被稱為瑞利勛爵。】

1894年春天，瑞利在英國皇家學會上宣讀了他的報告，提出了「輕氮」和「重氮」的問題。報告結束，蘇格蘭化學家拉姆塞找到瑞利，表示有興趣跟他合作：「不管是什麼原因，一定是因為空氣中提取的氮氣混入了其他氣體，我們要做的就是把雜質給找出來。如果您同意，我願意把您的實驗繼續做下去。」走投無路的瑞利當然同意了他，會議結束之後，他們兩人經常通信，沒有任何隱瞞和保密，成為莫逆之交。

【拉姆塞（左）和瑞利（右）。】

還有一位科學家迪瓦爾也找到瑞利：「去看看卡文迪許的手稿吧，我記得他曾經提到過氮氣的質量問題。」

「卡文迪許？100多年前的那一位？」瑞利想到自己身為卡文迪許實驗室主任，卻沒有對卡文迪許的手稿加以研究，不禁臉紅，「自己竟然落後了100多年！」

回去以後，瑞利立馬走進圖書館，翻找卡文迪許的手稿和18世紀的科學年報，終於在1785年科學年報上找到了那位大隱士的實驗記錄。

原來，卡文迪許寫稿的時候已經發現了燃素化氣體（氮氣）和脫燃素氣體（氧氣），他發現用一個起電盤不斷製造出電火花，就可以讓這兩種氣體化合，並被氫氧化鉀溶液吸收掉。他讓空氣和一些氧氣混合，跟他的僕人就這麼用手一直搖了三個禮拜，終於發現管里的氣體不再反應了，再用一種「硫肝液」（硫化鉀和多硫化鉀的混合液）吸收掉未反應完的氧氣，結果最後還是有一個小氣泡，不參與任何反應。

卡文迪許寫到：「根據這個實驗，我得出了一條結論：空氣里的燃素化氣體（氮氣）不是單一的，其中約有1/120，跟主要部分性質絕不相同。可見燃素化氣體（氮氣）並不是單質，而是兩種物質的混合物。」

【我們的老宅男再次現身，他真算得上超越時代，給人驚喜。】

在瑞利翻找文獻的時候，拉姆塞已經回到實驗室，開始做實驗了。幾年前，很偶然的機會，他發現用灼熱的鎂粉可以有效的吸收氮氣。於是事情變得簡單了，只要用灼熱的鎂粉將「重氮」中的氮氣吸收掉，剩下的隱藏者就不得不現形了。

果然，每經過一次灼熱的鎂粉，剩下的「重氮」都會更重，當這些「重氮」被鎂粉處理過足夠多次以後，它的比重達到了氫氣的20倍，就再也不會變重了。很明顯，「重氮」里所有的氮氣已經都和鎂粉反應了，剩下的是一種未知的物質。

【拉姆塞在講課。】

他花費了整整一個夏天，終於收集到了100立方厘米的新氣體。而瑞利重複卡文迪許的實驗，速度就慢了許多，只得到0.5立方厘米。這已經不重要了，兩位科學家殊途同歸，得到了相同的結果。

這種新氣體究竟是什麼物質？是新元素還是我們的老朋友組成的化合物？分光鏡將給出答案。

他們將氣體放進分光鏡，通電之後，管里發出一陣冷光。他們恨不能把眼睛塞進窺鏡，窺鏡里出現了紅線、綠線和更多顏色的譜線，這些譜線的位置跟之前任何元素的都無法對應。看來，新氣體里有一種新元素是妥妥的。

嚴謹的他倆還想到，氬會不會是氮和鎂高溫之後生成的呢？為了排除這種可能性，他們又使用物理的方法，通過不同分子量氣體的擴散速度不同，也得到了新氣體。

【瑞利模仿卡文迪許實驗，發現氬氣的儀器。】

1894年8月13日，兩位科學家來到牛津，在英國科學協會的年會上宣讀了一份報告：「我們發現了一種新元素，這種元素到處都有，空氣里就有。」

這份報告不啻於在牛津、乃至歐洲上空扔下了一顆大炸彈，科學界一下子炸開了鍋。

「什麼？在空氣里還有新元素？」

「100升空氣裡面就有一升新元素，這怎麼可能？」

「是啊，平時我們每天吸入又呼出這種新元素，可是卻從來沒有感覺。」

「要知道，空氣的分析不說做過一萬次，一千次也肯定有了，無數學校里的學生、工廠里的實驗員都做過精確的定量分析，他們為什麼沒發現呢？」

最終，正是因為這種氣體如此平常，就存在於空氣里，而又如此神秘，隱身了許多年，英國科學協會主席馬登提議，用希臘文中的「慵懶」、「不活躍」將其命名，翻譯成英語就是「Argon」，這就是「氬」的由來。

【在氬氣管通電之後發出的冷光，一些霓虹燈里也有氬氣的身影。】

這真是令人意外的發現，更讓人驚訝的還在後面。

拉姆塞試圖了解氬的化學性質，嘗試讓氬跟最活躍的物質化合，氯氣、白磷、強酸、強鹼，甚至用了電流、王水，但一切都是徒勞，氬好像一位最堅貞的烈女，面對「滿清十大酷刑」，總是不肯屈服。

拉姆塞真是不服氣，作為一名化學家，看物質之間的反應——化合、分解、置換、複分解——是自己的天職，也是化學的樂趣所在。就算是冷艷高傲的貴金屬——黃金、白金——碰到王水也會溶解。氬氣，這空氣中的隱士看起來只是最普通的一團氣體，卻比世界上所有的物質都更高貴嗎？

【冷凍成固體的氬。】

科學是要用事實來驗證的，拉姆塞也好，瑞利也好，世界上所有的化學家也好，都沒找到一種辦法能讓氬和其他物質化合。（事實上，到現在為止，也只發現了氬和氟、氫的化合物：氟氬化氫。）

這真算的上一個大發現，可是門捷列夫的元素周期律卻因此而搖晃起來，氬和拉姆塞後來發現的太陽元素「氦」在元素周期律里找不到自己的位置，沒有什麼元素跟他倆這麼高傲，化學性質如此懶惰。

拉姆塞認為：「一定還有一些元素，跟氦和氬相似，我們應該把它們一一找出來，這些元素可以組成一個新的家庭。它們不是破壞周期律，而是周期律的補充。」果然，沒過多久，拉姆塞和助手特拉弗斯又在空氣里又找到了三種新元素：氖、氪、氙，它們和氦、氬一起組成了新的一族，它們的性質很類似，都很「懶惰」，不願意和其他元素化合，因此被稱為「惰性元素」。

【惰性元素在元素周期表上自成一族。它們現在大多數作為保護氣，出現在工廠里，尤其是氬氣，是液化氮氣、氧氣之後的主要副產物。】

1904年，瑞利和拉姆塞因為氬氣的發現包攬諾貝爾物理學獎和化學獎，成為科學史上一段佳話。

最後讓我們溫習一下瑞利的至理名言：「一切科學上最偉大的發現，幾乎都來自精確的量度。」

【拉姆塞獲得諾貝爾獎的證書。】