拉瓦锡测定空气成分实验

在了解实验原理和步骤之前，可通过以下直观的实验视频，完整了解拉瓦锡测定空气成分实验的实际操作流程与反应现象：

实验原理与步骤

拉瓦锡利用了汞（水银）在不同温度下与氧气化合与分解的极佳特性，将实验分为两个互相印证的阶段：

第一阶段：汞的加热氧化

1. 装置搭建：将液态汞倒入曲颈瓶中，曲颈瓶的管口伸入一个倒扣在汞槽中的玻璃钟罩内，钟罩内留有一部分空气，并通过汞槽将钟罩内部与外界空气隔绝。
2. 长时间加热：用火炉对曲颈瓶中的汞进行持续加热，整整加热了 12 天。
3. 现象观察：
   • 汞的表面渐渐浮现出一层红色粉末（氧化汞 $\text{HgO}$）。
   • 随着反应进行，钟罩内的汞液面逐渐上升，最终钟罩内气体体积减少了约 $1/5$。
   • 剩下的约 $4/5$ 体积的气体既不支持燃烧，也不能供动物呼吸（拉瓦锡称其为“氮气”）。

$2\text{Hg} + \text{O}_2 \xrightarrow{\Delta} 2\text{HgO}$

第二阶段：氧化汞的分解还原

1. 收集与强热：拉瓦锡收集了第一阶段生成的全部红色氧化汞粉末，将其放入另一个密闭容器中进行更高温度的强热。
2. 现象观察：氧化汞受热分解重新生成了汞，同时释放出一种气体。
3. 定量验证：收集到的气体体积正好等于第一阶段钟罩内减少的 $1/5$ 体积。这种气体能使带火星的木条剧烈复燃，且能供动物呼吸——拉瓦锡将其命名为氧气。

$2\text{HgO} \xrightarrow{\Delta} 2\text{Hg} + \text{O}_2\uparrow$

实验设计的精妙之处

设计重点	原理解析
选择汞作为反应物	汞常温下呈液态，与氧气反应生成固态氧化汞，不产生气体产物，因此能通过汞液面上升精准测量气体体积的变化。
可逆反应定量闭环	反应生成的氧化汞在更高温度下极易完全分解，使拉瓦锡能够将消耗的气体重新释放出来，证明第一阶段减少的气体正是释放出的氧气。
密闭系统与定量分析	实验全程在密闭体系中完成，结合质量守恒原理，奠定了定量化学分析的先河。

实验结论

1. 空气的组成：空气主要由氧气（支持燃烧/呼吸）和氮气（不支持燃烧/呼吸）组成。
2. 体积比例：氧气约占空气总体积的 $1/5$（现代精确定量约为 21%），氮气约占 $4/5$（现代精确定量约为 78%）。