1.1　虚而不屈，动而愈出

从化学的角度来看，物质存在固、液、气三种基本的状态。生命活动离不开大气中的氧气，没有氧气就没有生命，也就没有生机勃勃的地球。那么氧气除了可以供给生物呼吸，还有哪些作用呢？

1.1.1　从风箱谈氧气助燃

最早在唐朝时，我国炼丹家马和就发现了氧气及其助燃作用。他观察了木炭、硫黄等可燃物在空气中的燃烧情况后得出：空气的组成复杂，主要由“阳气”（即氮气）和“阴气”（即氧气）两种气体组成，并且“阳气”的含量比“阴气”多很多。此外，通过与可燃物化合可以将“阴气”从空气中除去，而“阳气”固定不变。马和在探究中进一步得出，青石（氧化物）、火硝（硝酸盐）等物质中存在“阴气”，用火加热，则会放出“阴气”。除此之外，水中也有大量“阴气”，不过很难从水中得到。而氧气的中文名称是清朝徐寿命名的。他认为人的生存离不开氧气，将氧气命名为“养气”，即“养气之质”，后来又用“氧”代替了“养”字，统称为“氧气”。

我国古代劳动人民在用炉子打铁铸刀剑时采用的“风箱”“皮老虎”，是人们对空气中占比21%的氧气的智慧应用。中国早期的鼓风器称为橐（tuó）或橐籥（yuè）。战国时期已有橐籥，《老子·道经》中用它比喻空间，“天地之间，其犹橐籥乎？虚而不屈，动而愈出”。意思是说，充满空气的皮革制的鼓风器不会塌缩，拉动其体又能将其内的空气压出，通过输风管进入熔炼炉中。汉代的橐促进了冶炼技术的大力发展，并且在动力方面也得到不断的改进，即由畜力代替人力，其名称也改为“马排”。建武七年（公元31年）南阳太守杜诗“造作水排，铸为农器，用力少，见功多，百姓便之”。所谓水排是指以水力引动机轮，由机轮的转动带动曲柄、连杆和传动皮带，从而使橐鼓风。

而“风箱”一词最早见于明崇祯十年（公元1637年）宋应星所著的《天工开物》中，该书第八卷冶铸图谱上就普遍出现了活塞式风箱。这种木风箱一般是长方形的，箱内装有一个大活塞，叫做鞴（bài），鞴上装有露在箱外可以推拉的把手，通过推拉鞴，带动活塞的运动可以把空气连续不断地压送到冶铁炉中。由于活塞的推拉都能向炉内送风，所以这种风箱是能通过活塞双向连续鼓风的先进鼓风机。

李约瑟博士曾借用19世纪科学著作家尤班克的著作说明中国风箱的科学价值及其历史地位。尤班克认为，“最完美的鼓风机和近代改良泵的杰作”都是中古时期中国活塞风箱的“仿制品”。

1.1.2　“化”尽其用——“煽风点火”助燃真相

氧气，氧元素最常见的单质形态之一，其化学式表示为O ₂ 。氧气是一种无色无味不易溶于水的气体，在室温下，1升水大约溶解30毫升氧气。在标准状况下，氧气的密度是1.429克／升，比空气的密度略大，空气中的氧气含量约为21%。在压强为101千帕、温度为-183℃时，氧气液化成淡蓝色液体；而压强为101千帕、温度为-218.4℃时，氧气会凝固成雪状淡蓝色晶体。工业生产的氧气，一般加压贮存在蓝色钢瓶中。

氧气的化学性质较活泼，在一定条件下，能与很多物质发生化学反应。将带有火星的木条伸入盛有氧气的瓶子中，可以观察到带火星的木条复燃，由此可知氧气能支持燃烧。许多在空气中可燃烧的物质，在氧气中燃烧得更剧烈，并且某些在空气中不能燃烧的物质，在氧气中则可以发生剧烈燃烧。比如，在空气中加热铁丝时，铁丝只能发生红热现象，不能燃烧；但是在氧气里点燃细铁丝可发生剧烈燃烧，火星四射。由此可得出，氧气具有助燃性。在反应过程中，氧气化合价降低，具有氧化性，是常见的氧化剂。

物质的性质决定用途，氧气可支持燃烧，具有助燃性，因此可用于炼钢、气焊、气割（图1-1）、制液氧炸弹及火箭发动机里的助燃剂等等。氧气也可以用于潜水（图1-2）、登山以及医疗急救等等。上文提到的传统“风箱”也应用了氧气可支持燃烧这一性质。

此外，关于“风箱”助燃更深入的化学原理可以借助化学反应速率来进行分析。在化学上，描述化学反应进行的快慢程度的量称为化学反应速率，通常用单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示。影响化学反应速率的因素很多，通常分为内因和外因，内因即为反应物本身的性质，外因则包括温度、浓度、压强、催化剂等等。想要提高某一反应的化学反应速率，则需要根据该反应的特征，从内因以及外因两方面进行考虑。“风箱”助燃就是通过改变条件，加快了燃烧的反应速率。以《天工开物》中的活塞式风箱为例子进行分析，通过拉动外面的木把手，可以将空气不断地鼓入火炉中，使火炉燃烧得更旺烈。实质上，火炉中物质的燃烧需要氧气的参与，氧气作为这一燃烧反应的反应物，通过“风箱”将空气不断鼓入火炉中，增大了火炉中反应物氧气的浓度。反应物浓度越大，化学反应速率越快，火炉中氧气浓度越大，火炉中的火燃烧得越剧烈。

1.1.3　躬行实践——验证氧气的存在

【实验目的】

将玻璃瓶罩在燃烧的蜡烛上，蜡烛燃烧将消耗玻璃瓶中的氧气。通过观察玻璃瓶与盆中的液面差则可验证空气中氧气的存在。

【实验材料】

小盆一个、蜡烛一支、火柴、圆柱形玻璃瓶一个、筷子一支、自来水、墨水。

【实验步骤】

如图1-3所示：

①在小盆中加入半盆自来水，加入一定量的墨水，用筷子充分搅拌使墨水与自来水混合均匀。

②用火柴将蜡烛点燃，放入盆中央。

③将圆柱形玻璃瓶倒扣在蜡烛上。

④蜡烛逐渐熄灭，水进入玻璃瓶，与盆中水面产生液差。