发明传奇：化学仪器的故事.pdf

CMYCMMYCYCMYK发明传奇.pdf 1 2016/9/18 18:46:31CMYCMMYCYCMYK发明传奇 扉页.pdf 1 2016/9/18 18:37:59发明传奇化学仪器的故事陈越编/r ITI n 4非等法原民私北京2016.9(发明传奇ISBN 978-7-03-050008-3 1.化11.陈III.化学实验实验仪器通俗读物N.(j)O陆-32中国版本图书馆CIP数据核字(2016)第228753号责任蝙辑:牛玲张莉李丽娇/责任校对s郑全红责任印制:张倩/封面设计:有道文化联革电话:010剧。35853E-mai1:，斜等必然#出版北京东黄辘棍北街16号邮政编码，I仰717http/Iwww.剧团。.回m且何审.直命刷嘈侬官司印刷科学出版社发行各地新华书店经销*2016年10月第一版开本，720 x10001/16 2016年10月第一次印刷印张，63/4 字数，100000 定价:29.80元(如有印装质量问题，我社负责调换 PREFACE 剧仁=1科学实验装置(仪器设备)是现代科学发展的一个重要工具，对促进科学发展和技术进步有着极其重要的作用。与其他发达国家相比，我国在科学实验装置(仪器设备)的自主研发方面落后很多，尤其在先进实验设备的原始创新方面差距较大。两百多年前，一些发达国家的科技工作者就发明了具有实用价值的化学实验仪器，这些仪器至今仍在实验室和工业生产中被广泛使用，它们对科学技术的发展和人类社会的进步起着重要的促进作用。本书选取了十五种经典的化学实验仪器，重点介绍了它们的主要功能、仪器构造、发明历史、发明者小传及其他相关知识。这十五种经典的化学实验仪器包括:杜瓦瓶、贝克曼温度计、赫希漏斗、球形冷凝管、席格蒙迪超显微镜、旋转蒸发仪、锥形瓶、阿贝折射仪、迪安-斯塔克分水器、真空干燥枪、本生灯、莫瓦桑电炉、三颈圆底烧瓶、提士威特色谱柱、巴斯德滴管。这些经典的化学实验仪器，不仅为化学学科的发展做出了巨大的贡献，也为其他学科(如物理学、光学、环境科学、生命科学、信息科学)的快速发展起到了积极的促进作用。同时，这些仪器的发明也造福于人类，为人类的生活带来了方便和改善。例如，我们现在使用的保温瓶、热水瓶等，其设计制作原理就来源于杜瓦瓶的发明;而我们现在使用的煤气灶，其设计原理则得益于本生灯的发明。本书旨在通过一些经典化学实验仪器的发明故事，启发相关科技工作者对科学实验装置(仪器设备)的感悟，提升他们对新型科学实验装置(仪器设备)的发明创造力。更为重要的是，希望借助本书帮助青少年培养对科学实验装置(仪ul什发明传奇:化学仪器的故事器设备)的兴趣，传播相关的科学知识，开阔其视野，赋予其想象力，并为我国科学实验装置(仪器设备)的自主创新发挥积极作用。固于作者的能力和时间的有限，本书难免有不妥之处，敬请专家、学者和各位读者不吝指正。本书的出版得到了中国科学院科学传播局的资助，在此深表感谢。陈章毒2016年5月于北京目录杜瓦瓶/1 贝克曼温度计/9 赫希漏斗/15 球形冷凝管/23 席格蒙迪超显微镜/31 旋转蒸发仪/36 锥形瓶/42 阿贝折射仪/48 迪安-斯塔克分水器/54 真空干燥枪/60 本生灯/66 莫瓦桑电炉/73 三颈圆底烧瓶/80 提土威特色谱柱/86 巴斯德滴管/93 杜瓦瓶华中文名杜瓦瓶牛英文名Dewars flask 丰民发明者詹姆斯杜瓦(JamesDewar)咽主要功能保温，储藏液态气体，可用于低温研究和晶体元件保护。中仪器构造双层玻璃容器(见右图)，两层玻璃胆壁都涂满银，可以防止辐射散热。两层玻璃胆壁间的空气被抽掉，形成真空，能防止对流和传导散热，因此盛在杜瓦瓶里的液体，较易保温。杜瓦瓶2 n-发明传奇:化学仪器的故事她相J芙资料杜瓦瓶是由苏格兰物理学家和化学家詹姆斯杜瓦爵士发明的。1892年，杜瓦吩咐玻璃工伯格用玻璃吹制一个特殊的玻璃瓶，伯格改进后用银制造外壳，防止玻璃瓶胆破碎。在今天的英国伦敦研究所内，还保存着早期的杜瓦真空瓶。1893年1月20日，杜瓦宣布发明了一种特殊的低温恒温器一一后来称之为杜瓦瓶。1898年，杜瓦先是用杜瓦瓶实现了氢(H2)的液化，温度可达-252.7C。次年，又实现了氢的固化，通过抽出固体氢表面的蒸气，温度可达-261.5C0 1906年，杜瓦又发明了可储存液态氧(02)的金属杜瓦瓶，可以储存-240C的液态氧。为铁路运输而设计的金属杜瓦瓶的容量可达110000L。发明者小传詹姆斯杜瓦于1842年出生在苏格兰。少年时期，因为滑冰，杜瓦不慎摔坏了腿，为了康复摔伤的腿，杜瓦不得不在病床上躺了整整两年的时间。为了打发这难熬的时间，杜瓦学习了制作小提琴。这一经历为他以后展现出的令人惊讶的仪器设计与手工制作能力奠定了基础。杜瓦早年就读于苏格兰著名学府爱丁堡大学。大学毕业后，杜瓦在苏格兰待了16年时间。在这期间，杜瓦先后做过科学家里昂佩雷费尔(Lyon Playfair)和克拉姆布朗(Crum Brown)的助手。杜瓦的研究范围很广，包括苯分子结构的测定(这一工作他没有成功)、太阳温度的测量、光线对动物视网膜的作用、吭吭分子结构的测定，以及一些简单物质的化学分析。1875年，杜瓦被英国剑桥大学任命为杰克逊式教授(J acksonian Professor)，然而，杜瓦并不为此而感到高兴。他在剑桥大学几乎没有办公的地方，这里相当沉闷和保守的学术气氛也让他十分郁闷。虽然如此，他还是坚持与同事利文(C.D.Living)合作，从事原子和分子光谱杜瓦瓶口叫3研究。这种合作研究持续了多年，他们的合作成果最后发展成为现代的紫外光谱和红光光谱。社瓦除了与利文合作研究原子和分子光谱外，还从事金属在巴在吸附氢气过程中引起给变的测量工作。在这种烽变的测量研究中，杜瓦经常要用到一种容器一一真空双层铜量热器一一这就是现在被我们称为杜瓦瓶的前身。在剑桥大学度过了两年并不愉快的时间后，社瓦接受了伦敦英国皇家研究所提供的教授职位。他不喜欢按常规的提纲教学方式上课，而是采用自由讨论的形式授课。他风趣的教学方式和渊博的知识使他的课很受学生欢迎，他是一位优秀的老师。1878年，当拉乌尔皮克泰(Raou1Pictet)和路易斯-保罗凯泰(Louis-Pau1 Cailletet)开始研究空气液化时，社瓦看到了一个令人激动的研究课题一一绝对零度(-273.15C)01895年，杜瓦第一次将氢气压缩成液体，即液态氢。为了保存液态氢，他需要一种不容易散热的容器，可当时并没有保温瓶，于是他就开始自己研制。他反复试验，并利用焦耳-汤普森效应来获取更低的温度。社瓦根据J-T效应，设计出了具空双层玻璃瓶，即杜瓦瓶。其设计原理基于以下三个方面:用双层玻璃瓶制造，双层玻璃瓶中间抽真空，用以隔绝空气的对流和热传导:玻璃瓶壁表面涂上一层水银，用于反射光线，把辐射的热量反射回玻璃瓶内;玻璃瓶口上加上瓶盖(塞)，阻止热量从瓶口散发出去。用这种玻璃瓶子可以长时间储存液态氢。后来这种玻璃瓶也用于保存液态氧，并得到了广泛的应用。婚变指物体婿的变化量.恰是物体的一个热力学能状态函数，即热函，是一个系统中的热力作用，等于该罩统内能加上其体积与外界作用于该瀑统的压力的乘积的且和.简称J.T效应.宫描述的是高压气体扩展到低压区域的一种畸却现章，即气体在膨胀过程中温度下降.4 n-发明传奇:化学仪器的故事瓶壁涂了水银的杜瓦瓶杜瓦成功发明了这一非常有用的保温容器。但令人遗憾的是，杜瓦当时并没有重视真空瓶的发明，而是对抽出空气的理论非常重视，并为这一理论申请了专利，而对真空双层玻璃容器这一设计没有申请专利保护。1904年，德国的一个玻璃制造工赖因霍尔德伯格偶然发现他的孩子喝的热牛奶装在这种容器中可以保存几个小时都不会变冷，由此看到了真空瓶潜在的广阔市场，于是开始推销这种真空瓶，并把它命名为瑟莫斯(thermos，希腊文，即保温瓶)。两年后，伯格申请到了保温瓶的专利，并开始制造、销售这种保温瓶。他发现玻璃瓶胆很容易碎裂，就用媒制造外壳来保护瓶胆。起初，瑟莫斯主要在实验室、医院和探险队中使用，后来被改造成人们生活中的日用品一一保温瓶和热水瓶。旦旦翌品5保温瓶热水瓶小资料:绝对零度绝对霉度(absolutezero)是热力学的最低温度，其温标单位是开尔文(K),OK约等于-273.15C。物体在这个温度下没有热能，物质的温度取决于物质内部所包含的原子、分子等粒子的动能。根据麦克斯韦-玻尔兹曼分布原理，粒子动能越大，物质温度就越高。在理论上，物质可以达到绝对零度:但在实际中，绝对零度是不存在的。这是因为在任何空间都存有热量和能量，并且能量、热量可以不断进行相互转换，但不会消失。在绝对零度下，原子和分子具有量子理论允许的最小能量。热力学温标和摄氏温标之间的换算公式为:T(K)=t(C)+273.15。6 n-发明传奇:化学仪器的故事加液氢和液氧的作用(1)由液氢与液氧组成的双组元低温液体推进剂的能量极高，在发射通信卫星、宇宙飞船和航天飞机等运载火箭时广泛运用。(2)液氢可与液氟组成高能推进剂。(3)液氧的主要作用是助燃。加现代氢气的存储方式(1)气态氢存储:气态氢气一般采用高压储氢方式储存在钢瓶中，钢瓶瓶身的颜色为淡绿色，通过开启减压阀释放氢气。(2)液态氢存储:通过氢气绝热膨胀，先将气态氢转化为液态氢进行存储。液态氢一般存储在液态氢储存罐中。(3)固态氢存储:固态氢一般采用储氢合金来存储。其原理是:在一定的温度和压力下，某些特殊的金属吸收大量氢气，反应生成金属氢化物，当加热这些金属氢化物时，会发生分解反应，储存在金属中的氢就会被释放出来。加紫外光紫外光(ultravioletlight,UV)又叫紫外线，是指波长小于400nm(纳米)的光。它分为三个区段:短波长紫外区，波长为190280nm;中波长紫外区，波长为280320nm;长波长紫外区，波长为320400nmo 可见光可见光(visiblelight,VIS)是指波长为400700nm的光。可见光由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光组成。不同颜色的光对应不同的波长范围:红色:620700 nm;橙色:590620 nm;黄色:560590 nm;绿色:490 560nm;蓝色:420480 nm;紫色:380420 nmo ii C旦峙7加红外光(红外线)红外光(infraredlight,IR)又叫红外线，是指波长为O.7500阳n(微米)的光。根据波长范围不同，红外光又可划分为近红外(O.72.5JlIIl)、中红外(2.525m)和远红外(25500m)。人的眼睛对红外光不敏感，要借助特殊的仪器或眼镜才能看到红外线。紫外-可见光谱在紫外一可见光谱(ultra-visiblespectroscopy,uv)中，横坐标表示波长，单位通常用纳米(nm);纵坐标表示吸光度，通常用OD(optical density)值表示。紫外光的波长范围分为两个区段，波长在1O200nm的称为远紫外区，这种波长能够被空气中的氮、氧、二氧化碳和水所吸收，因此只能在真空中进行，这个区域的吸收光谱被称为真空紫外:波长在200380nm的称为近紫外区，一般的紫外光谱是指这一区域的吸收光谱;波长在400750nm的称为可见光谱。常用的分光光度计一般包括紫外及可见两部分，波长为200lOOOnm。0.4 0.3 1m 升0.2)。lV AV 300 400 500 600 700 波长/nm紫外可见光谱图如红外光谱分子的振动形式可以分为伸缩振动和弯曲振动两大类。前者是指原子沿键8 n-发明传奇:化学仪器的故事轴方向往复运动，键长在振动过程中发生变化:后者是指原子垂直于化学键方向振动。组成分子的各种基团都有自己特定的红外特征吸收峰。从理论上来说，每一个基本振动都能吸收与其频率相同的红外光，在红外光谱图对应的位置上出现一个吸收峰。通常将红外光谱(infraredspec位oscopy，IR)分为三个区域:近红外区(O.752.5m)、中红外区(2.525j.tm)和远红外区(25300m)。由于绝大多数有机物和无机物