二氧化碳發現史：1500年付出換來超級回報

“好熱好熱！爸爸，我要喝汽水。”放學回到家，女兒就直奔冰箱。半瓶汽水下肚，小家伙冒出一個問題，“為什么喝了汽水會感覺涼快呢？”

“因為你喝進了一種叫二氧化碳的氣體！”我隨口答道。

“二什么碳？它就像冰激凌一樣？”她又來了，打破沙鍋紋（問）到底.

“二氧化碳。它與冰激凌是兩回事。工廠里，工人叔叔們將二氧化碳溶解在汽水里。當你喝進汽水后，腸胃雖然不吸收二氧化碳，但由于體內溫度較高，二氧化碳很快就從嘴巴里排出，并帶走部分熱量，因此你喝了汽水后，就會感到很涼快。”一口氣說完，也不管七歲的她能不能理解。

^{喝汽水讓人感覺舒爽涼快！（網絡圖）}

“雖然聽不懂。但我知道這種氣體很神奇。”果不其然。

“這也算不了什么。知道嗎，昨晚電視劇《西游記》里天宮的云霧，上個月你看到的桂林山水，都是二氧化碳的功勞！”我仔細地說。

“不會吧？”女兒的口頭禪，“爸爸，你要好好講講這種神奇的氣體怎么來的。你不是天天寫文章嗎？”

我也是醉了，“這可得1700多年前說起！”

發現這點東東，居然花了15個世紀！

公元299年秋，西晉洛陽城里，一位六十多歲的官員散朝回府，在院子里發現一個奇怪的現象：只見仆人把一盆水澆在一堆燒白石上，瞬間升起一股白煙。“這是怎么回事？”官員望著白煙，想了半天，也沒弄明白。當時他正在寫一部叫《博物志》的書，書里記載的都是稀奇古怪的東西。因為晚上還有同僚來拜訪他，他便把這種現象寫進《博物志》里，準備空閑后慢慢研究。可惜，當時正值“八王之亂”的末期，他沒法空閑下來。沒過一年，他死于動亂中。

這個老人叫張華，當時的文壇領袖。他記錄下來的燒白石，俗稱石灰石，化學名碳酸鈣。碳酸鈣遇水生成的“煙”，即是二氧化碳。這是關于二氧化碳的最早記錄。

^{西晉文壇領袖張華，最早記錄下二氧化碳（網絡圖）}

時光匆匆，轉眼到了17世紀中葉。一位叫約瑟夫·布拉克的蘇格蘭人遇到張華當年記錄的現象。作為科學家，除了思考外，還用科學的方法——實驗來說話。布拉克先測了石灰石的重量，再稱它與水反應后的重量，結果他發現，石灰石變得十分疏松，重量也減輕了約44%。他又讓鹽酸與石灰石反應，并用一定量的石灰水來捕捉反應時生成的氣體。這時，他發現石灰水捕捉到的這種氣體的重量正好是石灰石的44%。由于這種氣體就好像是固定在石灰石中一樣，因此布拉克稱它為“固定空氣”。布拉克想用排水法收集這種氣體。但由于它溶解在水中，所以未能取得成功。

^{約瑟夫·布拉克（網絡圖）}

10年后，英國著名化學家卡文迪許研究氣體時，對布拉克的實驗產生了興趣。他把這種氣體通入水銀槽，果然在水銀表面上收集到了這種“固定空氣”。卡文迪許對它進行一系列研究，發現“固定空氣”與一般的空氣并不相同，它會無情地扼殺麻雀、老鼠等動物。卡文迪許還測定了“固定空氣”的密度是空氣的1.57倍（實際數據為1.53倍）。后來，他發現，“固定空氣”與動物呼吸、木炭燃燒產生的氣體相同。

又10年后，法國化學家拉瓦錫在用鉆石燃燒實驗時，發現鉆石高溫燃燒后，產生的也是這種“固定空氣”。為了研究“固定空氣”的成分，他讓純氧與純碳進行燃燒試驗，發現生成的氣體就是“固定空氣”。這一實驗有力證明了“固定空氣”是由碳和氧兩種元素組成的化合物。由于拉瓦錫當時研究的東西實在太多，他沒想過測出“固定空氣”組成元素的比值。

真正測出“固定空氣”碳、氧元素之比，則是19世紀20年代的事兒了。當時人們發現了更精確的實驗方法，并在道爾頓、貝采尼烏斯等化學家們的努力下，終于證明了“固定空氣”分子中碳、氧原子個數之比為1:2。于是，“固定空氣”名稱被二氧化碳所代替。

從“白煙”到“固定空氣”再到二氧化碳，前后花了15個世紀。發現時間跨度最長的氣體，非二氧化碳莫屬！

這些東東，居然都離不開它！

“1500年，好漫長喲。對了，你不是說二氧化碳很神奇嗎？到底多神奇？”隔半天，女兒還記得這事。

我再次醉了。還好，我研究過二氧化碳，可以從容談來。

中秋節、國慶節即將到來，以山水甲天下聞名的廣西桂林成為不少游客的首選之地。桂林形態各異的奇峰怪石、不計其數的地下溶洞、洞中巧奪天工的石柱等，都讓游客嘆為觀止。感慨之余，不少人會發出疑問，鬼斧神工的桂林山水到底是怎么形成的呢？其實，這也是二氧化碳的功勞。桂林屬于喀斯特巖溶地貌，這種地貌所含的巖石中，石灰巖占了絕大部分。石灰巖的主要成分是碳酸鈣。碳酸鈣難溶于水，但經二氧化碳分解，可生成水和可溶性的碳酸氫鈣。從天下降下的雨水中含有二氧化碳。二氧化碳數量雖少，但能量不小。帶有這種氣體的雨水流到哪里，以碳酸鈣為主的石灰巖就會被溶蝕，天長日久，就形成了游客看到的桂林的奇峰怪石。

^{綺麗的喀斯特巖溶地貌（中國國家地理）}

或許，有人說，這沒什么，不出游照樣過日子。

那么，呆在家里總得看電視吧。神話影視劇中，經常會出現云霧翻滾，氤氳繚繞的特殊效果，人們在云霧里飛來飛去，讓人感覺神乎其神。比如86版《西游記》中，玉皇大帝、王母娘娘生活的天宮，觀音菩薩住的南海，如果佛祖的大雷音寺等地，成天云霧繚繞，給人超強的視覺享受。那么，這些繚繞的云霧是怎么做出來的呢？其實，這一切得感謝固態二氧化碳——干冰。眾所周知，在常溫和壓強為6079.8千帕壓力下，二氧化碳冷凝成無色的液體；溫度繼續降低，并加強低壓，液體會迅速蒸發，凝結成一塊塊壓緊的冰雪狀固體物質，這便是干冰。當干冰遇熱而變為氣體時，就把附近空氣中的水蒸氣冷凝為無數的小水點，這就是白霧。如果把熱水淋在干冰上，這些白霧就顯得更濃厚，仿佛仙境一般。用在舞臺的特效上，就是在專用機器中放入大量干冰，根據需要開動風扇、鼓風機等一樣的機器，吹動干冰進行升華，造成舞臺上云霧的效果。

^{干冰制造出云霧效果（網絡圖）}

或許，有人說，這也沒什么，不看電視不看電影死不了人。

但是，人在屋中坐，禍從天上來。當你上學、上班、逛商場，甚至在家休息時，發生火災怎么辦？發生火災自然要滅火，滅火又要靠我們這位“大神”——二氧化碳。只要我們稍加留意，就會發現在超市、學校或辦公樓等公共場所里，立著一個個紅色的鋼筒。它們就是泡沫滅火器。泡沫滅火器里有一個小玻璃瓶，里面裝的是硫酸鋁以及用甘草、皂液等抽取的液體，而大鋼筒里則裝著碳酸氫鈉。豎直放置時，它們各自呆在自己的瓶子中，互不相干。一旦滅火器倒置，兩種液體就會混合在一起，發生化學反應，產生大量的二氧化碳，同時夾帶著許多泡沫。化學常識告訴我們，物質燃燒需要兩個必備條件：溫度達到著火點以上，有氧氣存在。這兩個條件只要有一個不能滿足，火就會熄滅。同樣，當鋼筒里的二氧化碳和泡沫浮在燃燒物上面，將燃燒物與空氣（主要是空氣中的氧氣）隔絕，火就被撲滅。

^{釋放二氧化碳的干粉滅火器（網絡圖）}

或許，有人會說，火災的機率那么小，難道會偏偏降到我身上？

那么，我們總要吃飯吃饃吃菜吃肉吧？這些東西怎樣保鮮呢？古人用冰塊來保鮮，但現在，一種新型保鮮劑——干冰在食品行業火了起來。比如，在食品倉庫或火車冷藏庫中放一些干冰，既可以降低溫度，又可以使細菌無法繁殖，從而保持魚、肉、水果的新鮮。干冰有冰塊無法比擬的優點。比如它質量輕，所占重量是同體積水冰的1/18左右。質量輕則有利于運輸。此外，干冰升華后不會留下液體，這樣比水冰冷藏更清潔干凈，不會使食物潮濕；同時，干冰升華后生成的二氧化碳密度大于空氣，因而二氧化碳氣會附在質量重的食物表面，使食物與氧氣隔絕，達到抑制細菌滋生、減緩其新陳代謝的速度等作用，確保果蔬海鮮產品新鮮不變質。值得一提的是，用干冰制作美食，還可以營造溫馨浪漫的氛圍，可以讓食客產生如臨仙境的愉悅感覺。如今，采用干冰來制作美食，已經成為不少高檔酒店的必備。

^{美味酷炫的干冰冰淇淋（網絡圖）}

或許，有人會說，1500多年來，人類都不懂什么二氧化碳，不是一樣過？

回答這個問題前，我們不妨先來看另一問題，就是地球上沒有植物行不行？答案是否定的。植物能提供綠蔭、調整溫度、降低風速、減少噪音和防止水土流失等等。沒有植物，這個世界不可想象。

植物之所以能茁壯成長，就是因為它們吸收了空氣中的二氧化碳。植物是怎么吸收和利用這種看不見、摸不著的氣體呢？原來，植物中有一種葉綠素，它就是一個“綠色工廠”：吸收空氣中的二氧化碳，與水化合后，放出氧氣，合成供植物生長必需的有機物，如葡萄糖、淀粉等。這一過程，在科學上被稱為“光合作用”，它是生物界賴以生存的基礎。

^{光合作用是生物界賴以生存的基礎（昵圖網）}

從溶進汽水使人涼爽，到幫助植物進行光合作用，二氧化碳滲透到地球的每一個角落，與人類的生存息息相關。這也算是對科學家1500多年付出的超級回報吧。

當然，二氧化碳的作用有目共睹，但是，如果它在空氣中的含量（正常情況下是0.04%）過多，也是會出大事兒的。人吸入高濃度的二氧化碳，會出現昏迷及腦缺氧的癥狀，濃度超過6%時，就會重度缺氧窒息甚至死亡。二氧化碳也被認為是全球變暖的“罪魁禍首”，如何減少大氣中的二氧化碳含量成為科學家們研究的一個重要課題。

發表于 2016-09-29 00:00
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