氯气，从化合物到单质

一、舍勒对软锰矿的分析

氯气的发现应归功于瑞典化学家舍勒(C．W．Scheele，1742~1786)，发现时间是1774年。当时舍勒正在研究软锰矿(主要成分是二氧化锰)，他发现该矿石不溶于稀硫酸和稀硝酸，但却能溶于盐酸中。舍勒在研究过程中惊奇地发现，当时MnO2 和浓盐酸混合加热时，很快就产生了一种黄绿色的气体，舍勒简直兴奋到了极点，因为当时人们很少看到有色气体，但很快兴奋变成了难受。这种黄绿色气体源源不断地产生，强烈的刺激性气味几乎使舍勒窒息。

之后，舍勒着手于研究这种气体的。他还发现这种气体能腐蚀金属，使兰色纸条变白，也能使有色花朵和绿叶永久性褪色；更奇怪的是，在这种气体中昆虫会立刻死亡，火也立即熄灭。由此，舍勒断定这是一种新的物质。由于王水在约公元九世纪已经被发现，而王水很不稳定，会释放出大量的氯气。因此相当长时间内，炼金术士或早期的化学家应该已经接触过氯气，但是似乎没有人意识到这是一种新的物质。

当时由于舍勒深受燃素说影响，而燃素说把盐酸中所含的氢称为燃素。浓盐酸和二氧化锰的反应，可以理解为“脱燃素的锰”(二氧化锰)从盐酸中夺去了燃素而产生了氯气，所以舍勒称氯气为“脱燃素的盐酸”。但是舍勒并不清楚这种气体究竟是游离态的气体还是化合态的气体。

当时，法国化学家拉瓦锡提出了“氧是成酸元素”的论点，认为一切酸的成分都有氧，和硫酸、磷酸相似。按照拉瓦锡的观点，盐酸是一种氧化物的水化物，也就是说盐酸是某种基跟氧和氢的化合物，即盐酸＝X(某种基)＋氧＋氢。舍勒用浓盐酸与二氧化锰作用制得的黄绿色气体是氧化盐酸，因此氯气是盐酸和氧之间“联合松驰的化合物”。

二、贝托雷的氯水光解实验

舍勒虽然发现了氯气，也知道它的一些性质，究竟它是什么形态的气体，仍然没有清楚。1774年，当法国化学权威贝托雷了解到舍勒的发现后，就积极着手对这一新气体进行研究，发现黄绿色气体确实如舍勒所言，具有漂白作用。于是，他立即将其介绍给纺织工业，以代替陈旧的日晒漂白法，从而推动了漂染工业的迅速发展。

为了详细研究氯气的漂白机制，需要进一步研究氯气水溶液的性质。1785年，贝托雷首先将氯气通入一个冷的空玻璃瓶里，让氯气里的含酸蒸气受冷凝结，再将除去酸蒸气的氯气依次通入三个盛满水的瓶子使氯气溶于水。他发现溶有氯气的水溶液，在有光照的地方可以分解成盐酸和氧气。(现在化学知识解释，氯和水反应生成的次氯酸在光照下分解:Cl?+ H?O=HCl+HClO，2HClO=2HCl + O?)。贝托雷以此得出了氯气是盐酸和氧结合成的的结论，即氯＝盐酸＋氧基。

贝托雷在这里犯了一个严重错误，忽略了溶液环境即水在分解过程中的作用。但是这只是他得出这个错误判断的表面原因。但更深层的原因，是他深受拉瓦锡“所有的酸中都含有氧基”结论的影响。由于当时人们还没有弄清氯气的组成，贝托雷的实验只是这方面的开端，而且其理论解释又迎合了正在蒸蒸日上的氧化理论，因此他的观点很快得到了众多科学家的支持。

三、盖·吕萨克的合成实验

证明氯气中含有氧元素的直接方法，就是利用反应直接夺取氧。然而，当人们在其后20多年中，作用各种强有力的药剂或其它手段来分解纯净黄绿色气体时，却无法得到盐酸和氧气。许多化学家想尽各种办法，利用金属、红热木炭、磷等任何一种吸氧剂进行实验，企图从氯中分解出氧来。但是，人们的任何努力都是徒劳无益的，都没有从黄绿色气体的分解中见到氧的踪迹。

1809年，盖·吕萨克和泰纳总结了前人有关氯研究的经验教训，不从分解的角度进行思考，而将纯黄绿色气体与氢气混合，结果无论是静置数日，还是稍稍加热，或露置日光下，发现都生成了氯化氢，并且无任何水份产生，这个实验有力地证明了氯化氢是氢气和氯气的化合物，而且是这两种气体化合而成的唯一物质，其变化应该表示为：氯＋氢＝氯化氢，从而否定了贝托雷的“氯＝盐酸＋氧基”观点。

为了证实“氯＋氢＝氯化氢“的观点，盖·吕萨克和泰纳研究了金属钾与氯化氢反应。那时金属钾已被证明是一种单质。实验发现，在常温下时，金属钾对于氯化氢的反应很慢；但熔融态的钾时立刻燃于氯化氢中发光，得到氯化钾和氢。在这个实验中收集的氢气之量，恰与钾和水接触时发生的相等。这个实验证明，不是氯气分解成氯化氢和氧，而是氯化氢分解成氯和氢。

盖·吕萨克和泰纳的实验，对氯化氢的组成作出了正确的结论，但是氯气在他们的眼里仍然是一种化合物。但是，由于受拉瓦锡氧化理论中“一切酸中均含有氧”的观点之影响，他们并没有尊重自己做过的实验事实，而认为氯气是某种“基”的氧化物，与氮、硫、碳生成的酸根相似，仍然坚持氯不是一种元素而是一种化合物，与本可以发现氯元素的大好机会失之交臂。

四、戴维的氯气分解实验

英国科学家戴维在研究碲的化学性质时发现碲化氢是一种酸，但是它并不含有氧，使他开始怀疑氧是否存在于所有的酸中。为了寻找更多的证据，戴维开始研究起氯化氢。当时电解法是分解化合物最有力的方法。1810年，戴维在铜管中用电池将木炭烧至白热，让氯气通过其表面，结果象其他失败者一样，也不能使氯气发生任何变化，没有得到氧气。但是，经此失败却使他对氯中含有氧的说法产生了怀疑。既然实验中没有发现氯气或氯化氢中有氧存在，为什么我们硬要说它们含有氧呢？

1810年11月，戴维在英国皇家学会宣读了他的论 ，正式提出氯是一种元素。戴维宣称，只要不存在水，氯气所发生的一切反应都不会产生氧，他认为最好把氯气看成是一种不能被分解的物质——单质。戴维将这种单质命名为chlorine，意为黄绿色的。我国早年的译 将其译作“绿气”，后改为氯气。他认为事实表明，拉瓦锡的见解，表面看起来很漂亮，也能令人满意，但是从现在已经掌握的知识来考察，它不过是建立在假设基础上的理论。同时，他也对酸的本质问题进行了积极思考，认为氯化氢的主要成分是氢，氯气中并不含有氢，在酸中氧是非本质性的，无氧酸中不含氧；但是酸中都含有氢，氢在酸中具有重要意义，氢有可能是使物质显酸性的主要原因。

1813年，法国人库特瓦(B．Couptois，1777~1838)从海藻植物中发现碘之后，戴维和盖·吕萨克先后又独立地确证它是一种单质，其性质与氯相似。于是，氯和碘分别是一种元素，盐酸和氢碘酸都是无氧酸便很快得到了科学界的认可。以后，化学发展过程中的许多新事实都充分证明了戴维这一结论的正确性。1837年，德国化学大师李比希对酸类进行了全面的综合分析研究之后，放弃了酸的二元论(酸基+水)。

戴维在确认氯是一种单质而非化合物的同时，出色地发展了拉瓦锡的燃烧的氧化理论。他同时指出所有的剧烈发光、发热的反应（如铁丝、铜丝、氢气在氯气中的燃烧）都是氧化反应，氯和氧一样都可以助燃，氧化反应不一定非要有氧气参加。

氯气自1774年被舍勒发现，到1810年被戴维确认为是一种单质，其间经历了36年。这期间，氯气一直被当作一种化合物。这个漫长的过程，既因为实验方法的局限，也因为化学思维的局限。