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第14章 燃素说的推翻者——拉瓦锡

安东·尼罗朗·拉瓦锡,18世纪法国著名化学家,氧气的发现者。

安东·尼罗朗·拉瓦锡,出生于巴黎一个富裕的律师家庭。11岁时,他进入当时巴黎的名牌学校——马沙兰学校,后来升入法政大学,21岁毕业并取得律师的资格。在大学里他已对自然科学产生了浓厚的兴趣,主动学习数学、天文学、植物学、地质矿物学和化学。

35岁时,他成为法国皇家科学院18名正式会员之一。也是从那年开始,他逐渐地取得了化学研究上的重大突破,步入化学家的行列,逐渐成为科学界的一位新星。

初进法国皇家科学院,拉瓦锡选择的一个研究课题是验证水能否变成土。在当时,许多人都相信水能变成土。亚里士多德的“四元素说”中就有水土互变的提法。17世纪比利时化学家海尔蒙特曾以栽柳树的实验(海尔蒙特将一柳树栽入一个土盆中,盆中的土是经过烘干称重的。除了经常给树淋水之外,不给树提供其他营养。5年后,柳树长成大树了。泥土经烘干,重量并没有减少。于是他认为柳树长大所增加的重重,只来源于水,因此水能转变为土,并为树所吸收)来支持这一观点。人们也时常发现在容器中煮沸水,时间长了总会有沉淀物生成。

拉瓦锡对这一观点表示怀疑,为此他设计了一个验证实验。他采用一种欧洲炼金术中使用过的很特别的蒸馏器。这种蒸馏器能使蒸馏物被反复蒸馏。他将蒸馏器称重,然后加入一定重量的经3次蒸馏后的蒸馏水。密封后点火加热,保持微热,同时进行观察。两周过去了,水还是清的。第三周,水开始出现很小一点固体,随后慢慢变大。第八周,固体因增长而沉淀下来。就这样连续加热了101天,蒸馏器中的确产生了固体沉淀物,冷却后,他首先称了总重量,发现总重量与加热前相比没有变化。后来他又分别对水、沉淀物、蒸馏器进行称量,结果是水的重量没变,沉淀物的重量恰好等于蒸馏器所减少的重量。据此拉瓦锡著写论文,驳斥了水转化为土的谬说。

氧气的发现是对拉瓦锡勤于思考、勇于探索的钻研精神的馈赠。其实,在此之前,已经有两位科学家触到了氧气的鼻尖,令人遗憾的是,囿于传统理论的束缚,他们都半途而废,从而将撩开氧气面纱的殊荣让给了拉瓦锡。

瑞典化学家舍勒在拉瓦锡以前,就通过实验制取了纯净的氧气。但是,作为“燃素学说”的忠实信徒,他错误地把这种气体叫“火气”,并且认为燃烧是火气与燃烧物中的燃素结合的过程,火和热是火气与燃素化合的产物,从而未能正确地解释燃烧现象。

几乎与此同时,英国化学家普利斯特里也通过实验制取了这种气体。他把蜡烛放在这种气体中,发现火焰比在空气中更加炽热明亮。他还把老鼠放进去,发现它比在等体积的寻常空气中活的时间约长了4倍。他亲自尝试了一下,一吸进去,便“觉得这种空气使呼吸轻快了许多,使人感到格外舒畅”,但他没有继续研究。

当科学的珍珠出现在舍勒和普利斯特里眼前的时候,他们没有鉴别出来,与机遇女神失之交臂。

于是机遇女神青睐的目光投向了拉瓦锡。他发现“燃素学说”存在着许许多多的破绽。比如,既然金属在煅烧中逸出燃素,那为什么重量反倒增加呢?而蜡烛呢,燃烧之后,竟一无所剩,似乎全部消失了。

为了弄清事实的真相,拉瓦锡开始了严格的实验。他首先仔细地称量了装有空气和固态物质的密闭容器,然后用放大透镜将阳光聚集在物质上,或者用火加热。当物质燃烧完后,再重新称量装有反应物的容器。他用各种不同的物质反复进行实验,结果都表明,密封容器的重量在燃烧前后都不变。

这是什么原因呢?拉瓦锡的大脑开始了紧张的思索。后来他终于得出结论:原来在没有密封的燃烧当中,空气中有一种新的气体物质元素参与了反应,使得物质燃烧前后重量不一。随后,他对这种新的气体元素的本质进行了认真的考察,确认这种元素除了助燃、助呼吸外,还能与许多非金属物质结合生成各种酸,为此他把这种元素命名为酸素,现在氧元素的化学符号O就是来源于希腊文酸素:oxygene。

对氧气作系统研究后,拉瓦锡明确地指出:空气本身不是元素,而是混和物,它主要由氧气和氮气组成。他进而提出,燃烧过程在任何情况下,都是可燃物质与氧的化合,可燃物质在燃烧过程中吸收了氧而增重。拉瓦锡关于燃烧的氧化学说终于使人们认清了燃烧的本质,统一地解释了许多化学反应的实验事实,为化学发展奠定了重要的基础。

之后,拉瓦锡开始对燃烧现象进行研究。

在这以前,波义耳曾对几种金属进行过煅烧实验,他认为金属在煅烧后的增重是因为存在火微粒。在燃烧中,火微粒穿过器壁而与金属结合。

德国化学家斯塔尔也进行了类似的实验。他认为金属在煅烧中放出了燃素。斯塔尔将有关燃素的观点系统化,并以此来解释当时已知的化学现象。由于燃素说的解释较过去的说法合理,很快被化学家所接受,成为18世纪占统治地位的化学理论。尽管一些实验研究的进展已披露了燃素说与实验事实的矛盾,但多数化学家还是设法调和这一矛盾,以维护燃素说。

18世纪70年代的一个秋天,拉瓦锡称量了定量的白磷,使之燃烧、冷却后又称量灰烬(P2O5)的质量,发现质量竟然增加了!他又燃烧硫磺,同样发现灰烬的质量大于硫磺的质量。他想这一定是什么气体被白磷和硫磺吸收了。于是他又改进实验方法:将白磷放入一个钟罩里,钟罩里留有一部分空气,钟罩里的空气用管子连接一个水银柱,用来测定空气的压力。加热到40℃时,白磷就迅速燃烧,水银柱上升。拉瓦锡还发现1盎司的白磷大约可得到2.7盎司的白色灰烬(即六氧化四磷),增加的重量和所消耗的1/5容积的空气重量基本接近。

拉瓦锡的发现和当时的燃素学说是相悖的。燃素学说认为燃烧是分解过程,燃烧产物应该比可燃物质量轻。他把实验结果写成论文,交给法国科学院。

从此他做了很多实验来证明燃素说的错误。他在实验记录本上写到:“我所做的实验使物理和化学发生了根本的变化。”他将新化学命名为“反燃素化学”。

拉瓦锡批判燃素学说:“化学家从燃素说只能得出模糊的要素,它十分不确定,因此可以用来任意地解释各种事物。有时这一要素是有重量的,有时又没有重量;有时它是自由之火,有时又说它与土素相化合成火;有时说它能通过容器壁的微孔,有时又说它不能透过;它能同时用来解释碱性和非碱性、透明性和非透明性、有颜色和无色。它真是只变色虫,每时每刻都在改变它的面貌。”

拉瓦锡向法国科学院提交了划时代的《燃烧概论》,系统地阐述了燃烧的氧化学说,将燃素说倒立的化学给正立过来。这本书后来被翻译成多国语言,逐渐扫清了燃素说的影响。化学自此切断了与古代炼丹术的联系,揭掉神秘和臆测的面纱,取而代之的是科学实验和定量研究。化学由此进入定量化学即近代化学时期。因此称拉瓦锡是近代化学的奠基者。

拉瓦锡对化学的另一个贡献便是从试验的角度验证并总结了质量守恒定律。

早在拉瓦锡出生前后,多才多艺的俄罗斯科学家罗蒙诺索夫就提出了质量守恒定律,但没有得到广泛的传播。

拉瓦锡用硫酸和石灰合成了石膏,当他加热石膏时放出了水蒸气。拉瓦锡用天平仔细称量了不同温度下石膏失去水蒸气的质量。他的导师鲁伊勒把失去的水蒸气称为“结晶水”,从此就多了一个化学名词——结晶水。这次意外的成功使拉瓦锡养成了经常使用天平的习惯,由此,他总结出质量守恒定律,并成为他进行实验、思维和计算的基础。拉瓦锡指出:“由于人工的或天然的操作不能无中生有地创造任何东西,所以每一次操作中,操作前后存在的物质总量相等,且其要素的质与量保持不变,只是发生更换和变形,这可以看成是公理。”这番话体现了“物质不灭定律”的基本精神。

为了表明守恒的思想,拉瓦锡用等号而不用箭头表示变化过程。如糖转变为酒精的发酵过程表示为下面的等式:

葡萄糖碳酸(CO2) 酒精,这正是现代化学方程式的雏形。

拉瓦锡的思想超越了他的同时代人,因为他不仅注意到了物质在化学反应中性质的变化,而且注意到了数量上的变化,从而使得化学科学割断了与古代炼金术的最后一根纽带,以一种崭新的面目蓬勃发展起来。

法国大革命爆发后,拉瓦锡被诬陷犯有叛国罪,并处以绞刑。著名的法籍意大利数学家拉格朗日痛心地说:“他们可以一瞬间把他的头割下,而他那样的头脑一百年也许长不出一个来。”

在我们的生活中经常听到各种各样的规则,接受着权威们的评价和解说,我们总是认为那是正确无误的。实际上,权威的言论和结论不一定都是正确的。拉瓦锡化学成就的取得就源于对权威的挑战。我们青少年应该学会用自己的眼睛观察这个世界。

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