從課本中“消失”的一種經典制氧法

□文/無錫市南長實驗中學 耿雁冰

供圖/視覺中國

中學化學教材中介紹了實驗室制取氧氣的3 種方法。在實際教學中，學生做實驗時采用高錳酸鉀制取氧氣，學習催化劑的概念時采用過氧化氫制取氧氣，而加熱氯酸鉀與二氧化錳的混合物制取氧氣的方法，只是在催化劑概念之后捎帶提及，看上去并不是很重要。其實，這是實驗室制取氧氣的經典方法之一，在制氧史上具有舉足輕重的地位。那么，氯酸鉀、二氧化錳最早是如何被發現的？此二物又是如何聯結在一起并最終被確認為經典制氧方案的呢？

氯酸鉀二氧化錳制氧法誕生前的制氧史

為了便于理解，我們可以先梳理一下在氯酸鉀二氧化錳制氧法誕生之前的氧氣制備簡史。

17 世紀70 年代，英國化學家梅猷揭示空氣中至少含有兩種組分，其中之一為呼吸必需，可以從硝石中得到，命名為“硝石精”。

18 世紀40 年代，英國化學家黑爾斯制得多種“空氣”，包括二氧化碳、氧化氮、氧氣等。他發明了排水法，但并未對所制氣體給出正確認識。

1772 年，瑞典化學家舍勒通過加熱硝石、錳礦石等首次得到了氧氣，稱之為“火空氣”，制氧所用材料包括二氧化錳、硝石、氧化鉛、氧化汞、碳酸銀等。二氧化錳能與濃硫酸反應制取氧氣，與鹽酸反應制得氯氣，這為氯酸鉀等含氯化合物的發現奠定了基礎。

1774 年，英國化學家普利斯特里以凸透鏡加熱氧化汞制取了氧氣，稱之為“脫燃素氣體”。

1785 年，法國化學家貝托萊通過氯氣與水在光照（或高溫）下反應制取氧氣。他發現了氯酸鉀并在1786 年通過單獨加熱氯酸鉀得到氧氣。

1789 年，法國化學家拉瓦錫以類似普利斯特里的方法制得氧氣，并首先正確揭示燃燒的本質，他還以不同的金屬氧化物制取氧氣。

1798 年，德國自然科學家亞歷山大·洪堡在高溫下氧化氧化鋇，制成過氧化鋇。

1810 年，法國化學家蓋-呂薩克和路易·雅克·泰納爾合作制備過氧化鈉和過氧化鉀。

1811 年，蓋-呂薩克首次發現過氧化鋇制氧法。

1818 年，泰納爾用酸處理過氧化鋇，通過蒸餾發現了過氧化氫并研究其分解，發現其在常溫下即可分解產生氧氣，后來發現也可用二氧化錳作為催化劑。

二氧化錳曾被用來大規模制氧

從上文可以發現，二氧化錳在幾個主要制氧方案里均有直接或間接的貢獻。

舍勒、普利斯特里幾乎在同時期制得氧氣，他們曾經嘗試過的制氧原材料包括氧化銀、氧化鋇、氧化鉛、二氧化錳等在內的一系列金屬氧化物，以及包括硝石等在內的更多的天然鹽類。根據普利斯特里自己的說法，他曾用一架可以聚光的凸透鏡作為加熱方法，照射一切可以找到的礦物材料，最終制得了氧氣。而舍勒更是在加熱二氧化錳礦石得到氧氣的同時，認識到了錳以及常與錳伴生的鋇。巧合的是，在隨后的一段時間內，二氧化錳和過氧化鋇都曾被選為大規模制氧的原材料。

在分離液態空氣法與電解水法等大規模制氧方案出現之前，二氧化錳之所以被選中，原因主要在于其成本較低，同時生氧量較大，生產率相對較高。但是，加熱二氧化錳制氧所需的溫度較高，要達到530℃方能放出氧氣。這是它的局限。不過，相比氧化汞等較貴重的原料來說，它很便宜，有很大優勢。

舍勒制備氧氣的實驗裝置

加熱氯酸鉀制氧的模擬圖，試管口向上避免熔化的氯酸鉀流出，堵塞導管

從制氧史來看，過氧化物也是19 世紀早期制氧原材料中的一個大類，如過氧化鋇、過氧化鈉、過氧化氫等。

在認識氧氣之前，18 世紀初期乃至更早，酸類尤其是硫酸已經為人們所熟知并大量制取。用硫酸與其他物質配合以嘗試發現新的反應，正如以加熱的方式觀察新現象一樣，是當時化學上常見的研究路徑。這樣也便有了二氧化錳與濃硫酸反應制氧的方法。以二氧化錳與濃硫酸反應制備氧氣，條件要求較低，而且出氧迅速，因此也是一個較為理想的早期制氧方案。

氯酸鉀制氧是怎么發現的

二氧化錳與濃硫酸反應可以制得氧氣，那么，二氧化錳能與濃鹽酸反應嗎？

化學家又進行了嘗試。雖然這個反應并不直接生成氧氣，但是依照這一思想，舍勒制得了化學史上具有重要地位的氯氣。貝托萊根據自己的想法繼續進行了舍勒關于氯的研究，又有了意外發現。1785 年，貝托萊將氯氣通入水中并借助光照而得到了氧氣。這一方法在1811 年又由蓋-呂薩克重復過，他將氯氣與水汽通過燒紅的陶瓷硅管而得到氧氣。在常溫條件下，氯氣與水反應的產物為次氯酸和鹽酸，并不生成氧氣，不過貝托萊和蓋-呂薩克借助光照或高溫條件，次氯酸受熱不穩定，因此二人也得到了氧氣。但是，此種方法制得的氧氣濃度低，后期處理繁雜，成本高昂。

二氧化錳與濃硫酸的反應，成為次氯酸鹽、氯酸鹽等一系列含氯化合物發現的先導。氯酸鉀也正由此發現。貝托萊發現了氯酸鉀，1786 年，他對氯酸鉀進行加熱操作制取了氧氣。不過，這時貝托萊還僅僅是對氯酸鉀單獨進行操作，并沒有涉及二氧化錳，因此所需的溫度較高，要加熱到 360℃ 左右（氯酸鉀的熔點），才開始有氧氣放出。以此法制備氧氣還有較大的危險，因為氯酸鉀具有爆炸性。拉瓦錫還曾認為氯酸鉀可用來代替火藥，然而由于氯酸鉀的爆炸性過強，接連造成嚴重傷亡事故，使拉瓦錫放棄了這一想法。我國也將氯酸鉀列為危險爆炸物，因此盡管加熱氯酸鉀制取氧氣產率高，但是出于安全考慮，此法也只是提及而不進行學生實驗。

從當時的幾個制氧方法來說，加熱二氧化錳優于加熱氧化汞，而加熱氯酸鉀制氧，客觀地說，盡管存在危險，但是由于氧元素可以全部轉化為氧氣，產量很高，所以它的一些缺點，如危險性、需要較高分解溫度等，也便變成“白璧微瑕”了。

聯合制氧經典方案的誕生

從二氧化錳單獨制氧到氯酸鉀單獨制氧，人們并未停止對此方案的優化。以氯酸鉀為基礎，有人嘗試用幾種氯酸鹽混合，比如氯酸鉀和氯酸鈉，可以實現在溫度較低時制取氧氣。而最有效也最知名的，仍然要數氯酸鉀與二氧化錳聯合加熱的方案。此方案可大幅度降低反應的溫度，成為迄今為止最經典的氧氣制法之一。

這一方案是由德國化學家杜布萊納在1832 年首先發現的。在研究二氧化錳與氯酸鉀的聯合制氧之前，杜布萊納顯然已注意到兩種物質獨立加熱制氧的實驗，而對兩種物質一起加熱的嘗試，則誕生了一個嶄新的、高效的制氧方案。他將氯酸鉀和差不多等體積的軟錳礦粉末（主要成分為二氧化錳，之前經過硝酸處理和水洗并徹底干燥）混合，發現氯酸鉀在溫熱的條件下即發生完全分解，其間伴隨光和熱的產生，所產生的熱是如此之多，以至于在熔化之后還突然產生泡沫，并微微發出熾光，而軟錳礦本身卻既不釋出氧氣也不發生任何其他變化。同時，杜布萊納以疑問的方式對二氧化錳所起的作用做了初步推測，但僅僅是疑問而已，他并沒有確認，顯然此時他還不能理解這一現象。值得提及的是，在此后不久的1835 年，貝采里烏斯基于包括杜布萊納在內的多位化學家的工作，正式提出了“催化作用”的概念。

杜布萊納關于二氧化錳催化氯酸鉀分解制氧的實驗，引起同時代以及后來許多化學家同行的興趣。1841 年，德國化學家艾爾哈德·米切利希重復了杜布萊納的實驗，將氯酸鉀與二氧化錳聯合加熱，認識到這一反應過程啟動之后會自發猛烈放熱，因此不需要高熱，并認為沒有高氯化物生成。這不是米切利希首次對催化作用的實驗進行探索了，早在他的老師貝采里烏斯正式定義“催化”之前，他便曾發現由醇制取醚的催化現象。

經歷了多年的傳播與關注后，到了19世紀中葉，氯酸鉀二氧化錳制備法開始在制氧界獲得廣泛應用，一些化學教科書也開始將其列為典型制氧方案。不過，關于其反應機理的研究并未停止，化學家又陸續得到一些重要成果。從19 世紀中期到20 世紀初，乃至今天，仍有探索與爭鳴，充分說明該機理探究的難度，同時也體現了這一經典反應的魅力。

從普利斯特里拿著凸透鏡給各種金屬氧化物加熱制得氧氣，到氯酸鉀與二氧化錳聯合加熱制氧法的最終確立，科學家進行了漫長的探索。我們在教材中學習了3 種制氧方法并接觸到催化劑的概念，但是催化劑的催化機理研究還在不斷入。而這一制氧方法，無疑是不能被遺忘的經典案例。

軟錳礦