氧气的故事

“看不见，摸不着，不香不臭没味道，说它宝贵到处有，动物植物离不了。”相信你已经猜到谜底就是空气！我们知道空气是由氮气、氧气、二氧化碳、水汽等物质组成的混合物，其中对人类以及其他动物来说最重要的就是氧气。今天我们就要讲讲氧气的故事，看看这种无形无色的气体到底是如何被人类发现的！

氧气的发现之旅自古以来，空气对于生存的重要性几乎无人不知。古希腊哲学家亚里士多德就曾提出“四元素说”，认为水、火、土、气是组成这个世界的基本元素。不过，就像谜语中所说：空气是看不见、摸不着又没有味道的，所以它就像一个喜欢玩捉迷藏的孩子，从不在人们面前显露自己。

对空气充满好奇的人们在研究中发现，除了寻常的空气以外，似乎还有很多“特殊空气”。比如，有能熄灭烛火的空气，还有遇到火焰就会爆炸的空气。不管有多少种空气，在当时的人们眼中，空气就是单一的元素，那些奇怪的空气只是被各种物质污染的产物。

1772年，一位名叫舍勒的药剂师在实验中制取了“氧气”，他将这一实验结果写成《火与空气》一书，并将这种可以使蜡烛燃烧得更加剧烈的空气叫作“火焰空气”。

在舍勒生活的时代，“燃素说”盛行。人们普遍认为，物质在燃烧时会释放一种叫作“燃素”的东西。如果在室外，“燃素”可以四处飘荡，物体中的“燃素”就可以不断释放。但要是在密封的容器中，“燃素”就会不断积累，直至塞满容器，使火焰熄灭。后来，一位名叫普利斯特里的神父也在实验中制取出“氧气”，但是受限于“燃素说”，他只是把自己发现的那种可以使燃烧更加剧烈的气体称作“去除燃素的空气”，而未能发现氧气之于燃烧的真正意义。

1774年，“普神父”与一位将要改变科学史的人相遇了，此人名叫拉瓦锡，比普利斯特里小十岁，做事非常严谨，是法国的一名税务官。他只能在每天早上6点到9点，晚上7点到10点利用空余时间进行科学研究。当他与普利斯特里相遇后，他被普利斯特里天马行空的研究思路吸引，用自己严谨的实验方式继续关于燃烧的实验。

在遇到普利斯特里之前，拉瓦锡已经开始了关于燃烧的实验。他尝试燃烧了很多物质，比如铅和磷等。每次实验过程中，拉瓦锡都会用天平精确地测量试验品在燃烧前后的重量变化。而测量的结果无一例外：每次都是试验品燃烧后的灰烬较原本的试验品重量有所增加。结果很明确：燃烧的过程一定是空气中的什么东西与试验品结合，这才会让试验品在燃烧后变重。

在与普利斯特里交流之后，拉瓦锡又获得了灵感，进行了新的实验。这一次，拉瓦锡取了约110克的纯净水银放入一个曲颈长弯嘴瓶，瓶嘴的一端通过水银槽与一个玻璃钟罩相通，同时他还测量出容器中还有大约820毫升普通空气。准备就绪，拉瓦锡用炭火将曲颈瓶燃烧了12天。瓶中渐渐产生了一些红色物质（氧化汞），直到这些红色物质不再增加，拉瓦锡停止了加热。与此同时，拉瓦锡测量出整个容器中的空气减少了大约150毫升，剩下的空气既不能再支持燃烧，也不能让石灰水变浑浊（二氧化碳会让石灰水变浑浊）。之后，拉瓦锡又重新燃烧了这些红色物质，发现它释放出来的气体与原来空气中消失的气体体积相同。而这些气体与容器中剩余的空气混合就产生了正常的空气。由此，拉瓦锡走到了氧气发现之旅的最后一步：通过精细的实验和测量，他提取出了空气中可供燃烧的物质，而这些物质也正是让生命充满活力的东西。最终，拉瓦锡将这种物质命名为“oxygen”，法语意为“承载酸的东西”。而清代科学家徐寿将它翻译成我们熟知的“氧气”。

呼吸为什么需要氧气发现氧气之后，拉瓦锡就着手研究氧气和生命之间的关系问题。他与后来的天体力学创始人拉普拉斯合作，用豚鼠、冰块和一套非常精妙的仪器进行研究。他们发现：豚鼠的活动量越大，氧气的消耗量越大，释放的热量也就越多。拉瓦锡在论文中写道：“呼吸是种燃烧过程，虽然进行得非常缓慢，却完全可以与煤炭燃烧现象相提并论。”

我们的身体中有几十万亿个细胞。我们能够正常生活就仰仗这些细胞的正常工作。而细胞要工作就需要血液输送各种各样的营养元素来为其提供能量。那么，能量从哪里来呢？能量从我们每天所食的各种食物中来。但是这些食物并不能直接转化为能量被细胞吸收，它们还需要通过氧气的帮助，才能顺利把食物中的“热量”转化为细胞所需要的“能量”，这也就是生物学中的“呼吸作用”。氧气正是通过氧化我们吃进去的有机物，帮助我们产生能量。

物质的燃烧就是发光发热的剧烈的氧化反应。所以在这一点上，拉瓦锡把呼吸比喻成煤炭的燃烧是正确的。但非常可惜的是，做事如此严谨的拉瓦锡赶上了法国大革命，因为税务官的身份遭人陷害，最终被激进的革命党人送上了断头台。拉瓦锡的好友、著名的天文学家拉格朗日听到这个消息后说：“他们在一瞬间就砍下了他的头，然而再过一百年，也未必再有这样的头脑出现。”

说回氧气。氧气对我们的生存如此重要，但是人体的储氧量却极低，我们使用氧气只能“随用随吸”。在我们的身体中，最需要氧气的器官就是大脑。轻微的脑缺氧会使我们的注意力无法集中，如果缺氧严重，还会出现神志不清的情况。但是氧气也不是越多越好，如果吸入氧气过多，人还会产生氧中毒的现象。

航天员在宇宙中呼吸什么我们知道太空是真空的，也就是没有氧气的。那么航天员在太空中靠什么维持呼吸呢？大家可能以为航天员在太空中身背氧气罐，时刻呼吸着纯氧，但实际上，他们在太空中呼吸的气体与我们在地球上呼吸的空气成分几乎是一样的。只有少数一些航天器中的氧气含量与正常的空气存在较大差异。

为什么航天员不能呼吸纯氧？因为纯氧非常活泼，一丁点儿火花就会造成剧烈的爆炸。1967年，阿波罗1号在地面测试时，由于舱内携带的是纯氧，电缆产生火花引发了火灾，致使三名航天员罹难。

不只是太空飞船，潜水员的氧气瓶、潜艇中的空气成分都与我们呼吸的空气成分十分相近。所以，再见到爬山、潜水使用的“氧气瓶”，相信大家不会再误以为里面是百分之百的纯氧了！