专利名称：教学用可解析氧化反应机理的实验装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种教学用实验室设备。
背景技术：
地球上几乎所有元素都与氧气发生反应，关于氧化反应机理，教科书中传统的观点认为，氧化反应是复杂的化学反应。这一观点只明确了有氧参与，未涉及其机理。教科书中新的观点认为氧化是失去电子。它指出了氧化的本质，不足之处是没有阐明失去电子的过程，也就是氧化反应机理。自从1773年分离出氧气后，200多年来科学界设计过多种实验装置，观察、解析氧化反应。此类已为人所熟知的实验装置不足之处在于不能揭示氧化反应机理，很多学科的教科书中至今对多种氧化反应现象存在未知和误解。
发明内容
本发明的目的是提供一种教学用实验装置，它可以验证氧气的一些特性，根据这些特性结合教科书中人类已掌握的知识，用逻辑推理的方法描述出氧化反应中失去电子的微观过程，揭示氧化机理，指出教科书中存在的部分未知和误解，使学生了解自然真相。
本发明是这样实现的将电解水装置置于密封容器内，按下列步骤操作1、抽出密封容器内的空气。2、启动电解水装置，使密封容器内充满氢气和氧气，检测实验装置内所有物质的变化，包括输入的电流。3、点燃氢氧混合气。4、取出电解水装置，在密封容器内安装放电装置，用多种起电方法，特别是可以产生负电荷的高压静电发生器，以6KV以上的高压向放电装置供电，放电装置以多种放电形式释放高压电子、负电荷、电火花、电弧、电流等。在密封状态下观察放电与标准空气的反应，放电结束后检测气体变化。5、进行多种辅助实验。6、根据实验结果，确定氧气特性，结合教科书中的已知，用逻辑推理的方法解析氧化反应机理。
本发明的具体实施过程如下量子力学认为物质中的分子、原子外层是由电子构成的。本发明实验步骤2以氢氧为例证实这一理论。电解水时我们看到氢氧原子吸收了电解电流中的电子，体积膨胀了几百倍从水中浮出，成为气态的分子。经检测电解过程中只消耗了H2O(氢氧原子)和电子，因此氢气和氧气中只有原子和电子，物质是不灭的，也不无中生有。氢氧燃料电池与电解水装置外观相似，但工作过程却正好相反，在燃料电池中，氢气氧气释放出电子输出电流后还原成H2O，电解水和氢氧燃料电池从互为相反的两个反应证实氢气和氧气除了它们各自的原子其余物质100％是电子。
电子具有势能，像液体一样从高势能处流向低势能处，水位在流动过程中不断下降，势能减小直至消失，电子也是一样，电位在流动过程中不断下降，电势减小直至消失。负极的势能高，电子从负极流向正极，在流动过程中电子势能不断下降，在正极处降至最低。电解水时氢气产生于负极，氢原子吸收的是高势能的电子，氧气产生于正极，氧原子吸收的是低势能的电子。氢气和氧气在电解或光合作用中获得不同势能的电子，并且永久的保持这种极性，是原子内部物质作用力造成的。本发明提供的实验装置不能测定原子特性，因此不探讨原子。
将电解水装置的排气管作为燃料电池的进气管，开启两套装置后可以发现电流→电解水装置→氢气、氧气→燃料电池→电流，形成一个正常运行的串连电路，虽然其中一个环节是气体，但是电子仍然顺利的通过这个串连电路。氢气和氧气吸收了电流，以气体的形态将电子储存起来，然后再释放出去，如同两支气态电容，使上述串连电路得以运行。它表明氢气、氧气是以气态出现的电子云团。氢气产生于负极，具备了负极特征，氧气产生于正极，具备正极特征。为了更深刻的理解氢、氧本质，本发明对氢气和氧气作如下比喻因为氢气中的电子势能高，具有向外发射电子的趋向，所以当条件具备时，例如温度、催化剂等，可以将氢气视为以气体形式出现的电路或电容负极。氧气中的电子与众不同，是低势能的，具有吸引、接受电子的趋向，可以将氧气视为以气体形式出现的电路或电容正极。上述串连装置实验证实这一比喻是恰当的。它可以帮助我们理解氧气在氧化反应中各种难解的行为。将电路或电容的正负极短路接触会放电产生电弧，将氢、氧这两种具备电路、电容正负极特征的气体混合后点燃，同样会短路放电，是以分子为单位的微小电容放电。由于氢氧气体中只有电子，所以氢氧间任何形式的反应都只能是电子间的交流，原子不参与反应，电池和燃烧产物H2O完好无损证实这一点。氢气和氧气在电池和燃烧反应中都发生了放电，原子都结合为H2O，但由于放电释放的电子所处环境不同，形态截然不同，差别之大使人难以把它们联系在一起，氧化反应难解之处就在于此。电池中放电释放的电子处于电解质之中，导电良好，电子顺利通过电解质沿导线流动汇成了电流，电子流动过程中形态未发生变化，燃烧中释放的电子处于空间之中电阻极大，电子在空间流动时耗尽了它的能量，形态发生变化，转变成光量子汇成了电弧，电弧发出光和热。这一点类似短路电弧或工业上应用的电弧焊，由于电焊条与工件存在空间，电子通过这个空间时改变了形态，由电流变为电弧，电子以电流的形式在导体中流动我们感官无法察觉，电子以电弧的形式在空间流动，我们可以看见光感觉到热。这一现象同样存在于分子、原子的微观世界中。氢氧反应机理很难完全用技术领域的知识表达，因为直到今天科学界深入到10-19米的微观世界中仍然无法看到电子，我们不能直观的了解电子交流过程，但是我们可以到教科书中向哲学求解，借助思维推理出这一过程。由此根据本发明实验的启示推理出了推论氢气和氧气的反应是简单的放电反应。地球上的元素与氢分子的基本结构相同，它们的分子或原子外层都是由高势能的电子构成的，这一点已为各学科公认。不同之处仅是电子层数、电子数量、电离电位、激发电位等电子方面的差异，由此我们又推理出另一个推论地球上的元素与氧气发生的反应都是简单的放电反应(金Au、铂Pt、卤素元素、稀有气体等少数元素除外)。
根据本发明实验的启示及由此推导的推论，我们对最常见的氧化反应现象，火焰和燃烧机理有了新的理解，以蜡烛燃烧为例解释其机理点火和燃烧产生的高温使蜡中的碳、氢分子分解、气化，氢分子的燃烧特性我们已有所了解，碳分子同样是由原子和电子组成的，碳原子是由原子核和电子组成的。常态下碳分子中的外层电子受原子约束，碳分子处于最低能量稳定的基态呈电中性，电子从高温中获取了能量，打破了能量平衡状态，碳氧原子对外层电子失去控制，同时也解除了电子屏蔽，对外显示原子作用力。氧元素的电负性3.50，是地球第二活跃元素，对其它原子或电子有极强的吸引力。在电负性作用下碳、氧原子结合成CO2，同时带动各自的外层电子云使它们相互干涉、碰撞，碳分子中的电子势能高，呈负电性，碰撞使碳、氧分子中正、负电性电子短路放电，电子由碳分子流向氧分子，由于碳氧分子处于空间之中，电子在流动过程中耗尽了它的能量，转变为光量子，光量子像一束小小的电弧，划破了空间发出光和热。光量子是一个极微弱的能量，本发明引用了量子力学这一理论，但无法提供检测装置证实它的存在。一对碳氧分子或氢氧分子只能发射一束难以觉查的微小电弧，电弧发出同样微弱的光和热，大量碳氧、氢氧分子发射的电弧汇合起来照亮了房间形成烛光，这就是人类使用了五十万年的火，它是由于数光量子汇成的电弧之光，这也是火焰和燃烧机理。
美丽柔和的烛光，曾使人类产生过很多联想，但是无法把它和激烈的电弧联想在一起，它们形象差异太大了，人们认为可以在化学反应中找到答案，随着研究在偏离的方向深入进行，这一简单放电现象被更加复杂化了，使古老的化学愈感困惑。
根据本发明的实验及由此推导的推论炸药爆炸和燃烧机理是一样的。但燃烧速度、形态、氧气来源不同，爆炸中的氧气来自络合氧分子，将炸药的主要原料氯酸钾KClO3在本发明提供的密封容器内加热到400℃，1kg氯酸钾可释放氧气270L。引爆产生的高温、高压、高导电粒子的环境，为电子提供了能量，提高了空间的导电率，使炸药中多种物质的分子或原子几乎同时由电中性激发为正电性或负电性，发射出分子或原子外层电子，电子的逸出，使炸药发生了分子或原子级的分解，大量原子或原子核在电负性作用下，带着各自的外层电子高速结合，混乱中引发了不同极性特征的电子碰撞、干涉、吸引、短路、放电、产生电弧，无数由电子蜕变的光量子几乎同时释放出光和热就形成了爆炸，自我满足的组份使炸药在封闭环境中发生了猛烈的氧化放电反应。
很多爆炸物中并不含氧分子，例如单质火工药剂叠氮化铅Pb(N3)2，即使在本发明提供的真空密封容器内也可以发生猛烈的爆炸，不含氧分子的爆炸物是如何爆炸的？用电解法提取氯气和氟气时发现它们都和氧气一样生成于低势能的正极。在本发明提供的密封容器内进行的大量燃烧实验表明在氧气中燃烧的物质，也可以在氯气和氟气中燃烧。依此推理分子或原子外层电子凡是低势能、正电性的，都和氧气一样处于吸引、接受电子状态。因此地球上除氧化反应外还有氯化反应、氟化反应、氮化反应……它们的反应机理都和氧化反应一样，所有化合反应都是因为发生了分子或原子间的电子流动，原子或原子核凭借电负性结合成新的化合物，分子或原子的化合重排仅涉及它们的外层电子(价电子)及其能量。宇宙中一切物质趋向于势能最低的稳定状态，在达到这种状态的过程中释放出多余的能量。上述反应都遵循着这一定律。
不含氧的炸药同样发生了猛烈的放电反应，含氧的炸药也可以同时发生多种放电反应，例如TNTC7H5N3O6爆炸中碳、氢分子释放的高势能、负电性外层电子，借助原子结合力，与低势能、正电性的N3、O6碰撞、短路、放电，同时发生了猛烈的氮化放电反应，和氧化放电反应，部份失去外层电子云来不及结合的氧原子，在电弧轰击、三体碰撞作用下结合成O3，使爆炸现场弥漫着硫磺臭味。
物理学1902年创立的热电子发射理论认为物质的分子或原子受热后发射电子。火焰和爆炸都是热电子发射现象，可是我们为什么没有从中发现电流？这是因为电子能量以电弧形式释放了，另一个原因是火焰和爆炸均在空间进行，空间的电阻极大，分子或原子激发、电离电位最高的也不过十几伏，电子凭借这么低的电压无法冲破空间的阻力汇成电流，电池工业创造的热电池，利用电解质消除了空间阻力，从热电子发射现象中获取了电流。几种金属元素受热后电子逸出功大小次序为W、Fe、Cu、Al、Mg、Ca、K，其中电子逸出功最大的W为4.54V，最小的K为2.02V，上述元素中W发射电子最困难，但能量最大。由于元素的电子逸出功不同，因此它们与氧气放电产生的光量子频率不同，蓝包弧光比黄色或红色弧光频率高，节日的焰火因此呈现出五颜六色。
观察本发明实验步骤4时可以发现密封容器内的氧气在高压放电过程中不断减少直至完全消失。氧原子体积微小本发明忽略不计。采用目前所能掌握的多种起电方法，特别是可以产生负电荷的高压静电发生器向放电装置分别供电可以发现高势能电子、负电荷、电弧等均导致氧气消失。这是因为氧气的体积完全是由低势能、正电性的电子贡献的，它与所有形式高势能、正电性的电子、电荷都会发生反应，这种反应只是普通的电子同类间的相互交流。一个著名的类似实验也证实负电荷导致氧气消失。1784年英国物理学家和化学家卡文迪什(Henry Cavendish，1731～1810)，在一根玻璃管顶端插入两根导线并密封，玻璃管的底部浸没在氢氧化钠溶液中，摇动起电机后，导线释放出负电荷与空气发生反应，反应产物NOx被氢氧化钠溶液吸收，玻璃管内空气消失充满氢氧化钠，溶液中只剩一个小气泡不与负电荷反应。他的实验报告名称是《关于空气的试验》200年来没有得到有关学科的关注。
根据本发明实验步骤4揭示的氧气特性进行推理，很多难解的自然之谜都迎刃而解因为氧气与一切形式的高势能电子、负电荷发生放电反应，所以大气雷暴云团中生成的大量高势能负电荷会与氧气发生放电反应，达到一定规模时会形成闪电，放电结果如实验所示，氧气消失生成NOx，溶解在雨水中沉降到地面，大量氧气消失使大气出现氧气空洞，负压吸气作用引起大气流动，条件具备时会形成龙卷风或热带气旋，卫星观测到龙卷风中的闪电多达每分钟九十次，闪电停止了龙卷风随即消失。植物学也关注闪电，认为它能带来好收成，他们估计每年全球闪电为植物提供4亿吨氮肥NOx，氧气密度1.43kg/m3，氮气密度1.25kg/m3，闪电同时还生成大量O3，O2转变为O3容积收缩1/3，简单的换算可以得知这意味着几千亿m3的空气从大气中消失，无数闪电形成的大小氧气空洞，生成巨大的、不为人关注的负压能。大气趋向于势能最低的稳定状态，在达到这种状态的过程中释放出多余的能量，这就是龙卷风和热带气旋最主要能量来源，也是负压能生成机理，光合作用，地球活动维持着大气稳定。
从小学习的自然课本就告诉我们云中的负电荷和正电荷发生放电就形成闪电。可是物理定律告诉我们同一物质产生相同的电荷。气象学中流行的几十种假说都不能圆满的解释正电荷生成机理，正电荷在大气中载于何物？本发明实验步骤4提示我们假想中引发闪电的正电荷其实是正电性的氧气。雷暴云团上层找到的正电荷是正电性更加强烈的臭氧。
本发明实验步骤4提示我们新创立的太空物理学中也存在氧化放电反应，太阳风中的带电粒子避开磁层的阻挡，在地磁南北空洞区闯八大气层，与O2、O3发生放电发光反应，其机理与本发明中的实验一样，只是带电粒子能量更高，与N2、H2发生电离发光反应，大气层如同漏气的霓虹灯，同时发生了两种发光反应形成极光。当南极春季8-10月出现封闭的极地涡旋时，放电消失的O3得不到外界大气的补充，因此出现臭氧空洞，千万年来它一直存在。北极的大气涡旋与地磁空洞区是偏心的。在本发明提供的密封容器内进行的实验表明O3是一种不稳定的分子结构，反应物质比O2更加广泛，因此大气臭氧层和南极臭氧空洞在太阳活动、地球活动、人类活动影响下有较大变化。
本发明实验步骤4提示我们核爆炸中也存在氧化放电反应，原子裂变或聚变时释放出的大量高能电子，在裂变闪光过后与氧气和氮气发生猛烈的放电反应，电弧汇成燃烧的火球，火球中的空气被烧光，氮气的三重键打开后与氧气一样活泼，这是核物理学中一种未知的反应，氧气为核爆炸助威。
本发明的实验提示我们来自太空的陨石也发生了氧化放电反应，陨石与空气磨擦表面温度升高，达到电子逸出功后发生热电子发射，高势能的电子与氧气发生放电反应生成电弧，弧光汇成明亮的白炽光芒，这就是我们看到的流星。氧分子引发电弧，氧原子快速分解双重阻击作用保护着地球，也给往返大气层的航天器制造了障碍。氧气为不可燃的石头助燃，这是我们不熟悉的一种助燃方式。钨是最耐热的元素，在本发明提供的密封容器内给钨丝通电可以发现钨丝在标准空气中发出超常的光亮，可是消耗的电流却减少了，新增加的亮度并非电流增大所致，钨丝在燃烧。因为密封容器内的氧气全部消失了。钨丝因燃烧变细所以电流减少。漏气的白炽灯泡同样在电流减少的情况下发出超常、强烈、标准的燃烧光芒。炼钢时向钢水中吹氧气，可以引起碳、硅、磷等物质燃烧，上述物质的燃烧与蜡烛燃烧机理是一样的，不可燃物与易燃物分子或原子外层都是完全由电子构成的，只是电子逸出功不同，产生电弧条件不同。
本发明实验步骤4提示我们因为地球存储了大约9.02×105C负电荷量，地震和火山爆发时地壳释放的负电荷与氧气发生放电反应会形成地光。气晖和发光的火山尘埃云团。如果地壳向大气层释放出过多的负电荷，本发明实验步骤4提示的氧气这一糟糕特性会引发灾难的。一个费解的现象有了新的解释古生物学家发现了多处恐龙化石聚集地，几百只恐龙拥挤在一个狭小的区域内，甚至出现了层叠，有很多假说解释这一现象，也存在这样一种可能白垩纪末，一颗10km的小行星以≥16km/s的宇宙速率撞击了地球，大量负电荷依附于尘埃之上。从陨击坑中像火山爆发一样喷发到大气层中，横扫全球翻滚的发光尘埃云团和闪电烧光了大气层中的氧气，撞击点的氧气首先消失，大气出现巨大的氧气空洞，负压吸气作用引发了狂风，其猛烈程度人类诞生以来还未经历过，风推动着风帆一样的活体恐龙，将它们驱赶、聚集到顺风的山谷绝地或气旋中心，在那里它们因窒息集群性绝灭，由于大多数需氧细菌也一同绝灭了，它们的遗骨借机形成化石，由于恐龙聚集系自行前往而非水流冲刷、地壳变迁，所以聚集地大量恐龙化石保持完整。在当年浅海沉积岩层中，应该有薄薄的一层浅海生物化石中断层，这一页上就记载着这样一个短暂、无氧、少菌的死亡时期。地质学中已证实的陨击坑有150个，直径从几十米到240km。正常大气中极难生成化石，凡遗留大量化石、生物集群性绝灭、物种随后发生突变、与达尔文渐变进化论不符的地质年代，都可能经历过这样的时期，当小行星撞击产生的负电荷不足以烧光全球氧气时，含氧量大幅波动也会引发区域性生物灭绝。近地小行星和慧星核有数百颗，天文学也应向学生们演示本发明实验步骤4，因为地球生命体系是建立在氧化放电反应基础上的，在10km以上小行星的撞击下，全球生命不堪一击。
上述氧化反应现象涉及多学科，表象各异，但都遵循着本发明实验步骤4所揭示的氧气特性。
图为本发明结构示意图；密封容器(1)；电解水装置(2)；放电装置(3)；多种起电装置(4)；真空泵(5)；气体检测仪(6)；多种辅助实验装置(7)。
具体实施例方式
下面结合附图详细说明本发明的
具体实施例方式将电解水装置(2)置于密封容器(1)内，用真空泵(5)抽出其中的空气。启动电解水装置(2)，使密封容器(1)内充满氢氧气体，检测实验装置内所有物质的变化，包括输入的电流。简化实验装置，省略实验步骤，用市售瓶装氢氧气体代替电解水装置(2)，不能引发逻辑思维，不能实现本发明所述目的。点燃氢氧混合气。密封容器(1)应具有相应的强度并有观察口。启动多种起电装置(4)特别是能产生负电荷的高压静电发生器，以6kv以上电压通过放电装置(3)，分别释放高压电子、负电荷、电火花、电弧、电流，观察标准空气中电火花光谱的变化。用气体检测仪(6)检测标准空气放电后的变化，实验中注意氧原子的去向。使用多种辅助装置(7)进行燃烧、加热、电解、热电子发射测试、O3反应等多项辅助实验，实验操作部分结束。根据实验结果，综合利用多学科中的有关知识，对各种氧化、化合反应进行逻辑推理解析。
氧气虽然活泼，但本性不移，自然界中发生的氧化反应是统一形式的，只是催化方式不同，有关教学用解析酶催化机理、电解质催化机理实验装置将分案提出申请，对生命、腐蚀、电池中更大量的氧化、化合反应进行推理、解析。
本发明提供的实验装置，适合高中以上学生使用，有助于培养学生独立思考、逻辑推理、科学发现的能力。
权利要求
1.一种实验室用装置，它由多种装置组合而成，主要有密封容器(1)、电解水装置(2)、放电装置(3)、多种起电装置(4)、真空泵(5)、气体检测仪(6)、多种辅助实验装置(7)，其特征在于电解水装置(2)置于密封容器(1)内。
2.根据权利要求1所述装置，其特征在于密封容器(1)内有放电装置(3)。
3.根据权利要求1、2所述装置，其特征在于放电装置(3)与多种起电装置(4)连接。
全文摘要
本发明是一种教学用可解析氧化反应机理的实验装置。它由多种装置组合而成，本发明提供的实验装置可以揭示氧气的某些特性，根据这些特性，结合教科书中人类已掌握的知识，运用逻辑推理的方法可以解析氧化反应机理，指出教科书中对氧化反应现象存在的部分未知和误解。本发明提供的实验装置，适合高中以上学生使用，有助于培养学生独立思考、逻辑推理、科学发现的能力。
文档编号G09B23/00GK1540598SQ2003101032
公开日2004年10月27日 申请日期2003年11月4日 优先权日2003年11月4日
发明者陈西林 申请人:陈西林