燃素說(shuō)的興起
在波義耳做過(guò)的諸多化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，關(guān)于燃燒的實(shí)驗(yàn)占據(jù)了相當(dāng)大的比例。他這樣做是很自然的，因?yàn)楫?dāng)時(shí)人們對(duì)火在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的作用有誤解，認(rèn)為火是萬(wàn)能的分析工具，它能把被加熱物體中所有預(yù)先存在的元素分離出來(lái)。這種認(rèn)識(shí)當(dāng)然會(huì)引發(fā)人們對(duì)燃燒現(xiàn)象的重視。另外，在17、18世紀(jì)，歐洲的工業(yè)生產(chǎn)也有了較大的發(fā)展，跟燃燒現(xiàn)象有關(guān)的冶金、煉焦、燒石灰、制陶瓷、煉玻璃等工業(yè)有了普遍的增長(zhǎng)，諸如此類(lèi)的工業(yè)活動(dòng)，使人們積累了大量有關(guān)燃燒的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也對(duì)化學(xué)學(xué)科提出了迫切要求，希望化學(xué)學(xué)科能夠從理論上闡明燃燒的本質(zhì)和所遵循的規(guī)律。波義耳就是在這種歷史背景下展開(kāi)了他關(guān)于燃燒現(xiàn)象的研究。
關(guān)于燃燒，當(dāng)時(shí)的人們已經(jīng)積累了足夠多的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。比如，人們知道像煤炭、木材、油脂、硫磺等絕大部分可燃物在燃燒時(shí)，會(huì)損耗掉大量物質(zhì)，燃燒結(jié)束后只留下少量的灰燼。同時(shí)，人們也發(fā)現(xiàn)，金屬之類(lèi)物體在燃燒后卻增加了重量。同樣是燃燒，為什么會(huì)出現(xiàn)這樣兩種截然相反的現(xiàn)象呢？
波義耳在探究燃燒現(xiàn)象時(shí)，對(duì)此有所解答。他經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn),證實(shí)了上述現(xiàn)象的存在，同時(shí)也提出了自己的解釋。他以“火微?！闭f(shuō)來(lái)解釋上述現(xiàn)象。根據(jù)他的理解，火是一種實(shí)實(shí)在在具有重量的“火微?！?或曰“火素”)，一般的可燃物含有大量的這種“火微?！保?dāng)可燃物燃燒時(shí)，這種“火微?！本捅会尫诺娇諝庵?，留下的是那些不能燃燒的灰燼，因此一般可燃物燃燒時(shí)表現(xiàn)為重量減少。而金屬的燃燒不是主動(dòng)進(jìn)行的，換句話(huà)說(shuō)，金屬是被燃燒的，金屬被燃燒時(shí)，周?chē)摹盎鹞⒘！边M(jìn)入到金屬里面，與金屬結(jié)合到一起，從而導(dǎo)致金屬燃燒后重量增加。這種“火微?！笔蔷哂写┩噶Φ模词拱呀饘俜诺矫荛]容器中燃燒，“火微?！比匀荒軌虼┩溉萜鳎M(jìn)入到金屬內(nèi)部，與金屬結(jié)合。
波義耳對(duì)燃燒現(xiàn)象的本質(zhì)的解釋是不成立的。他在做金屬在密閉容器內(nèi)燃燒的實(shí)驗(yàn)時(shí)，只注意到了燃燒后金屬重量增加的一面，忽略了考察密閉容器內(nèi)空氣重量在燃燒前后的變化。這種疏忽，使他未能發(fā)現(xiàn)自己對(duì)燃燒現(xiàn)象的解釋的荒謬之處。波義耳對(duì)燃燒本質(zhì)的解釋是錯(cuò)誤的，他的錯(cuò)誤成為18世紀(jì)化學(xué)學(xué)科另一個(gè)錯(cuò)誤學(xué)說(shuō)——燃素說(shuō)的先聲。
燃素說(shuō)的奠基人是德國(guó)化學(xué)家貝歇爾(Johann Jouchim Becher,1635-1682)和他的學(xué)生斯塔耳(Ccorg Emst Stahl,1660—1734)。貝歇爾繼承了傳統(tǒng)的煉金術(shù)的思想，把燃燒看成是一種對(duì)可燃物進(jìn)行解析的過(guò)程，火就是解析劑，燃燒的過(guò)程就是火把可燃物分離成其基本組分的過(guò)程。他認(rèn)為，固體由三種土元素組成，這三種土元素分別是“石狀土”、“玻璃狀土”和“油狀土”?？扇嘉镏写嬖谥罅康摹坝蜖钔痢?，在燃燒或焙燒過(guò)程中，“油狀土”被釋放出來(lái)，“石狀土”、“玻璃狀土”留了下來(lái)。所以，燃燒的過(guò)程，就是可燃物向外排放“油狀土”的過(guò)程。
貝歇爾的思想被斯塔耳發(fā)揚(yáng)光大了。斯塔耳在吸取和總結(jié)前人關(guān)于燃燒問(wèn)題的認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，修正了貝歇爾的“油狀土”學(xué)說(shuō)，于1703年把“油狀土”命名為燃素，系統(tǒng)地提出了燃素說(shuō)。燃素說(shuō)的主要內(nèi)容是：火是由大量細(xì)小的微粒組合在一起形成的。這些微粒既可以與其他元素結(jié)合在一起形成化合物，也可以游離在空氣中單獨(dú)存在。這種微粒如果彌漫在空氣中，就會(huì)給人以熱的感覺(jué)；如果聚集在一起，就會(huì)形成明亮熾熱的火焰。這種微粒就叫燃素。物質(zhì)中含的燃素越多，它燃燒起來(lái)就越猛烈?？扇嘉锶紵倪^(guò)程，就是它向空氣中釋放燃素的過(guò)程。一切與燃燒有關(guān)的化學(xué)變化，都可以歸結(jié)為物體釋放或吸收燃素的過(guò)程。例如，燒金屬時(shí)，燃素由金屬中逸出，剩余的以鍛灰的形式存在；而鍛灰與木炭在一起燃燒時(shí)，又從木炭中吸收燃素，重新變成了金屬。
燃素說(shuō)把燃素定義為一種物質(zhì)性的微粒，以之說(shuō)明燃燒問(wèn)題，這與18世紀(jì)統(tǒng)治科學(xué)界的機(jī)械論自然觀相適應(yīng)，也可以解釋有關(guān)燃燒方面的許多問(wèn)題。比之其前形形色色的燃燒理論，燃素說(shuō)看上去更為合理可信，所以，它在很大程度上受到了化學(xué)界的歡迎。到了18世紀(jì)中葉，幾乎得到了化學(xué)界的普遍認(rèn)可，并進(jìn)一步發(fā)展成了整個(gè)18世紀(jì)化學(xué)學(xué)科的中心學(xué)說(shuō)。
燃素說(shuō)雖然得到了大多數(shù)化學(xué)家的歡迎，但這并不等于說(shuō)它沒(méi)有面臨尷尬。比如，如果燃燒過(guò)程的確是可燃物向外釋放燃素的過(guò)程，它就應(yīng)該與空氣存在與否無(wú)關(guān)。那么，波義耳發(fā)現(xiàn)的燃燒離不開(kāi)空氣的存在的現(xiàn)象又當(dāng)如何解釋呢？對(duì)此，燃素說(shuō)的解釋是：燃燒確實(shí)是可燃物向外排放燃素的過(guò)程，而空氣則是燃素的攜帶者。沒(méi)有空氣，燃素在離開(kāi)可燃物后將無(wú)處存身，這樣，它就無(wú)法離開(kāi)可燃物。由此，在燃燒的過(guò)程中，必須有空氣的存在。
燃素說(shuō)面臨的另一更大的困難是，燃燒過(guò)程中可燃物重量的變化表現(xiàn)為兩種相反的傾向：木材、煤炭等大多數(shù)可燃物在燃燒后幾乎失去其所有的重量，而金屬在燃燒后重量非但不減少，反倒增加了。應(yīng)該怎樣解釋這些截然相反的燃燒現(xiàn)象呢？
對(duì)于這一問(wèn)題，斯塔耳本人并沒(méi)有感到特別的不安，因?yàn)樵谒纳砩?，仍然保留著煉金術(shù)士重視定性描述的習(xí)性，所以，他對(duì)可燃物在燃燒后重量變化之類(lèi)問(wèn)題并不重視，因此沒(méi)有回答這樣的問(wèn)題。物理學(xué)界習(xí)慣于定量測(cè)量已經(jīng)100多年了，而在斯塔耳的時(shí)代，化學(xué)界對(duì)定量分析的方法還熟視無(wú)睹。不過(guò)，在物理學(xué)巨大成功的感召下，化學(xué)界的熟視無(wú)睹也持續(xù)不了多久，斯塔耳可以對(duì)金屬燃燒后重量增加的問(wèn)題置之不理，18世紀(jì)后期的化學(xué)家們卻無(wú)法繞開(kāi)這一問(wèn)題。當(dāng)他們?cè)噲D解答該問(wèn)題時(shí)，隱藏在其腦海深處的亞里士多德哲學(xué)自然就浮出了水面。根據(jù)亞里士多德的四元素說(shuō)，有些元素是重的，例如水、土，有些元素是輕的，例如氣、火。受到這種說(shuō)法的潛在影響，有化學(xué)家試圖用類(lèi)似的手法解釋金屬燃燒后變重的問(wèn)題，他們認(rèn)為燃素具有負(fù)的或曰與重力相反的重量，這樣當(dāng)燃素離開(kāi)金屬后，金屬減少了負(fù)重量，其剩余的重量當(dāng)然增加了。18世紀(jì)60年代，蒙彼利埃醫(yī)學(xué)院的教授加勃里爾·文耐爾(Gabriel Venel，1723-1775)就曾說(shuō)過(guò)：
燃素并不被吸向地球的中心，而是傾向于上升，因此在金屬灰磴形成后，重量便有所增加，而在它們還原時(shí)重量就減少。
這種想法頗為精巧，也能自圓其說(shuō)。但在18世紀(jì)，它顯得有些與時(shí)不合，要讓18世紀(jì)的化學(xué)家們普遍承認(rèn)物質(zhì)實(shí)體有負(fù)重量的想法，是不可能的。因此，新的解釋必然會(huì)相繼問(wèn)世。P.J.馬凱(1718-1784)就曾提出過(guò)另一種解釋。馬凱認(rèn)為金屬燃燒后剩余的灰燼之所以比燃燒前的金屬重，是由于金屬在燃燒時(shí)雖然失去了燃素，但燃素逸去后所留下的空間卻被空氣充入，燃素雖然有重量，但充入的氣體的重量超過(guò)了這個(gè)過(guò)程中金屬所失去的燃素的重量，所以金屬在焙燒后重量增加了。
燃素說(shuō)的諸多觀點(diǎn)雖然不無(wú)牽強(qiáng)，但該學(xué)說(shuō)能夠解釋當(dāng)時(shí)所知道的許多化學(xué)現(xiàn)象，解答當(dāng)時(shí)生產(chǎn)實(shí)踐和化學(xué)實(shí)驗(yàn)中提出的大量問(wèn)題，因而還是統(tǒng)治化學(xué)界近一個(gè)世紀(jì)之久。該學(xué)說(shuō)是在波義耳開(kāi)創(chuàng)化學(xué)學(xué)科之后產(chǎn)生的一個(gè)重要化學(xué)理論，它所蘊(yùn)含的基本思想與18世紀(jì)科學(xué)界的還原論哲學(xué)傾向是一致的，而與煉金術(shù)理念格格不入。該學(xué)說(shuō)的出現(xiàn)，并非化學(xué)學(xué)科本質(zhì)上的倒退，而是化學(xué)學(xué)科發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)的曲折，它在化學(xué)史上的地位是應(yīng)該得到肯定的。但是，燃素說(shuō)畢竟是一種錯(cuò)誤的學(xué)說(shuō)。燃燒本質(zhì)是可燃物與氧元素的化合，而燃素說(shuō)則將其說(shuō)成是燃素從可燃物中逸出，把燃燒的本質(zhì)完全說(shuō)顛倒了。隨著氧化反應(yīng)理論的建立，燃素說(shuō)必然要被人們推翻。在歷史上，推翻燃素說(shuō)的頭號(hào)功臣是法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫。正是由于拉瓦錫的杰出工作，近代化學(xué)大廈才得以建立起來(lái)。
四、 近代化學(xué)之父—拉瓦錫
拉瓦錫(Antoine Laurent Lavoisier,1743—1794)出生于法國(guó)巴黎，從小受到良好的教育。拉瓦錫的父親是位律師，他希望自己的兒子能夠子承父業(yè)，因此送拉瓦錫進(jìn)大學(xué)學(xué)習(xí)法律。拉瓦錫從小就對(duì)自然科學(xué)感興趣，在大學(xué)學(xué)習(xí)期間，他旁聽(tīng)了拉卡伊利的天文學(xué)課程，很受啟發(fā)，對(duì)科學(xué)的興趣更是一發(fā)而不可收。因此，當(dāng)他完成了大學(xué)學(xué)業(yè)，并且成了一位律師以后，并沒(méi)有按父親的意愿去從事他父親所鐘愛(ài)的律師職業(yè)，而是為自己選定了一條畢生致力于科學(xué)的人生道路。
在科學(xué)研究的道路上，拉瓦錫一帆風(fēng)順。早在1765年2月，不足22歲的拉瓦錫就對(duì)石膏的理化性質(zhì)作了系統(tǒng)研究，完成了他的第一篇學(xué)術(shù)論文，并在法國(guó)科學(xué)院宣讀。同年，法國(guó)科學(xué)院懸賞征求改進(jìn)城鎮(zhèn)路燈照明的辦法，拉瓦錫積極應(yīng)征，提交了自己的解決方案。他的方案被評(píng)為最佳方案之一，拉瓦錫因此于第二年獲得法國(guó)科學(xué)院頒發(fā)的金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)隆?768年，25歲的拉瓦錫被選入法國(guó)科學(xué)院，成了一名年輕的院士。此后，他還曾擔(dān)任多種公職，但其主要精力仍然集中在科學(xué)研究上。
1789年，法國(guó)大革命爆發(fā)，一開(kāi)始，拉瓦錫并未受到多大沖擊，他還被選入度量衡改革委員會(huì)，為度量衡制度的改革出謀獻(xiàn)策。隨著革命的深入，激進(jìn)的雅各賓黨人上臺(tái)執(zhí)政，拉瓦錫成為革命的對(duì)象，被抓了起來(lái)，受到革命法庭的審判，被送上了斷頭臺(tái)。
拉瓦錫之所以會(huì)成為革命的對(duì)象，要從他的另一身份——包稅人說(shuō)起。在路易王朝統(tǒng)治時(shí)期，法國(guó)政府采用的是一種包稅制，政府不直接對(duì)個(gè)人和企業(yè)征稅，而是將稅收承包給征稅公司，授權(quán)它們向公眾征稅。征稅公司是受雇于政府的私人企業(yè)，個(gè)人只要向其投入一大筆錢(qián)，就可以成為包稅人。包稅人向公眾征稅，征得的稅款上繳國(guó)家一定數(shù)額，剩余歸己。顯然，在這種制度的誘導(dǎo)下，包稅人為了掠取錢(qián)財(cái)，必然要橫征暴斂、敲詐勒索。而拉瓦錫就是包稅人隊(duì)伍中的一員。
拉瓦錫的家庭固然富有，但他的科學(xué)研究卻需要更多的錢(qián)。包稅人的身份給他帶來(lái)了巨大的財(cái)富，這為他的科學(xué)研究提供了極大的方便。他建立了規(guī)模巨大的實(shí)驗(yàn)室，并曾多次為非私利目的獻(xiàn)出巨款。他的家成為法國(guó)乃至歐洲著名的“科學(xué)俱樂(lè)部”，不但法國(guó)的科學(xué)家們?cè)诖讼嗑?，歐洲其他國(guó)家的學(xué)者們?cè)诖伺鍪?，就連大西洋對(duì)岸新成立的美利堅(jiān)合眾國(guó)的使者杰弗遜和富蘭克林也登門(mén)拜訪(fǎng)，留宿于其家中，賓主共議科學(xué)問(wèn)題。盡管拉瓦錫對(duì)其錢(qián)財(cái)用之有道，但他畢竟是深受法國(guó)人痛恨的包稅人之一員，當(dāng)革命的浪潮席卷一切的時(shí)候，他在劫難逃。
對(duì)拉瓦錫的審判頗為草率。法庭以“可惡的包稅人”、“在人民的煙草中加水”等罪名，要求判處他死刑。在審判過(guò)程中，法庭并未給他多少為自己辯護(hù)的機(jī)會(huì)，也沒(méi)有回應(yīng)法國(guó)科學(xué)界要求赦免拉瓦錫的呼聲。拉瓦錫請(qǐng)求死緩，以使自己能夠完成進(jìn)行中的實(shí)驗(yàn)，法庭對(duì)此的答復(fù)是“共和國(guó)不需要學(xué)者”。法官的傲慢和偏見(jiàn)使法國(guó)付出了失去一位杰出科學(xué)家的代價(jià)。法國(guó)數(shù)學(xué)家拉格朗日一針見(jiàn)血地指出：“砍掉他的頭只要眨眼的功夫，可是生出一個(gè)像他那樣的頭大概一百年也不夠?！崩咤a死后不到兩年，法國(guó)人就為他樹(shù)起了一座半身塑像，以表達(dá)對(duì)他的紀(jì)念。
法國(guó)人之所以痛惜拉瓦錫的去世，是因?yàn)槔咤a對(duì)法國(guó)乃至全世界的科學(xué)作出了巨大的貢獻(xiàn)。拉瓦錫的貢獻(xiàn)集中在化學(xué)領(lǐng)域，他是世界公認(rèn)的近代化學(xué)之父。他對(duì)化學(xué)的貢獻(xiàn)主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：
1.使精密測(cè)量方法成為化學(xué)的傳統(tǒng)
在化學(xué)建立之前，煉金術(shù)不重視化學(xué)的定量分析，那時(shí)人們看重的是對(duì)物質(zhì)的定性分析。17世紀(jì)，在波義耳的倡導(dǎo)下，實(shí)驗(yàn)方法逐漸進(jìn)入了化學(xué)領(lǐng)域。但在波義耳之后的一個(gè)多世紀(jì)里，定量測(cè)量方法并未成為化學(xué)的傳統(tǒng)，在研究物質(zhì)化學(xué)變化規(guī)律時(shí)，許多人仍習(xí)慣于以推理論證為主。這種局面由于拉瓦錫的工作而得以改善。拉瓦錫注重定量分析，善于使用天平作為研究的工具。而在當(dāng)時(shí)，別的化學(xué)家也重視天平的使用，但那些化學(xué)家一般用天平來(lái)做礦物的定量測(cè)定，而拉瓦錫則是用天平來(lái)證明物質(zhì)化學(xué)變化的規(guī)律。這是他超越同時(shí)代化學(xué)家的一個(gè)地方。
拉瓦錫從進(jìn)入化學(xué)領(lǐng)域之始，就認(rèn)識(shí)到了精密測(cè)量的重要性。他在準(zhǔn)備關(guān)于石膏的理化性質(zhì)那篇論文時(shí)，就成功地應(yīng)用了精密測(cè)量的方法。在其早期工作中，拉瓦錫把很大一部分精力用在通過(guò)精密測(cè)量來(lái)檢驗(yàn)當(dāng)時(shí)流行的一些化學(xué)理論。比如，當(dāng)時(shí)不少人仍然保留著古希臘的元素概念，認(rèn)為元素之間可以相互轉(zhuǎn)變。他們舉的例子之一是說(shuō)在玻璃容器中長(zhǎng)時(shí)間加熱水時(shí)，容器底部會(huì)出現(xiàn)水垢，這意味著水轉(zhuǎn)變成了土。拉瓦錫不相信希臘的四元素說(shuō)，他決定用實(shí)驗(yàn)方法來(lái)檢驗(yàn)這一學(xué)說(shuō)。
就在被選為法國(guó)科學(xué)院院士那一年，拉瓦錫精心設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，他把經(jīng)過(guò)反復(fù)蒸餾得到的純凈水放入一個(gè)叫做“鵜鶘”的蒸餾器中密封加熱，加熱前精心測(cè)量了水和容器的重量。從1768年10月20號(hào)到1769年2月1號(hào)，他讓水整整沸騰了100天。到最后，水中出現(xiàn)了渾濁，冷卻后，他重新測(cè)量了水和容器的重量以及水中的沉淀物的重量。測(cè)量結(jié)果表明，水的重量沒(méi)有減少，而容器的重量倒是減少了，容器減少的重量正好等于水中生成的沉淀物的重量。這說(shuō)明沉淀物不是水被加熱后變成的土，而是玻璃上的物質(zhì)慢慢被熱水侵蝕產(chǎn)生的結(jié)果。拉瓦錫的測(cè)量無(wú)可辯駁地表明，所謂水能變成土的說(shuō)法是不成立的。他的工作讓人們看到了精密測(cè)量對(duì)化學(xué)所具有的無(wú)與倫比的重要性。確實(shí)，沒(méi)有定量測(cè)量的觀察可能是毫無(wú)價(jià)值的。
拉瓦錫的一系列工作都巧妙地利用天平進(jìn)行精密測(cè)量，并因此獲得了令人振奮的結(jié)果。他的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)得極其巧妙，所獲成果不同凡響，再加上他所具有的巨大聲譽(yù)，使得他的工作具有了很強(qiáng)的示范性。正是在他的工作的示范和帶動(dòng)下，化學(xué)家們接受了他關(guān)于精密測(cè)量的見(jiàn)解，并逐漸使之成為了化學(xué)學(xué)科的傳統(tǒng)方法。也正是由于有了這種方法，化學(xué)才最終實(shí)現(xiàn)了與物理學(xué)的并駕齊驅(qū)。
2.建立氧化反應(yīng)理論，推翻燃素說(shuō)
拉瓦錫的煮沸水實(shí)驗(yàn)推翻的四元素說(shuō)是古希臘學(xué)說(shuō)的流風(fēng)余韻，本來(lái)已經(jīng)沒(méi)有多少市場(chǎng)，而燃素說(shuō)則是當(dāng)時(shí)化學(xué)界的主流學(xué)說(shuō)。拉瓦錫不贊成燃素說(shuō)，他以實(shí)驗(yàn)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬐评黻U明了燃燒的本質(zhì)，推翻了燃素說(shuō)。
拉瓦錫由燃燒與空氣的關(guān)系入手，嘗試揭示燃燒的本質(zhì)。他精心設(shè)計(jì)了燃燒金剛石的實(shí)驗(yàn)。1772年，他開(kāi)始做把物體放在空氣中加熱的實(shí)驗(yàn)。他把金剛石放在密閉的透明容器中，用放大鏡聚焦太陽(yáng)光為之加熱。在加熱到一定程度時(shí)，金剛石完全燃燒，整個(gè)容器中看上去什么都沒(méi)有了。但精心的測(cè)量表明，在燃燒前后，連同金剛石在內(nèi)的容器的總重量沒(méi)有變化，這表明所謂燃燒是可燃物向外釋放燃素的說(shuō)法不能成立。因?yàn)槿萜魍饽芨惺艿饺紵龝r(shí)向外輻射的熱,按傳統(tǒng)說(shuō)法,這意味著燃素逃逸到了容器之外,容器內(nèi)的重量必然要減少，但測(cè)量結(jié)果顯示，容器的總重量在燃燒前后沒(méi)有變化，由此只能得出一個(gè)結(jié)論：燃素沒(méi)有重量。而燃素沒(méi)有重量的說(shuō)法，與燃素說(shuō)是不相容的。
拉瓦錫還用一種不怕火的軟膏將金剛石包裹起來(lái)重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。軟膏的包裹，使得金剛石與空氣隔絕，這時(shí)無(wú)論如何加熱，金剛石也燒不起來(lái)。他的這一實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了波義耳的判斷：沒(méi)有空氣，燃燒不能進(jìn)行。
那么，空氣與燃燒究竟有什么樣的關(guān)系，是空氣為燃燒提供了容納燃素的場(chǎng)所，還是它直接介入了燃燒的過(guò)程？如果僅僅是為燃素提供容身之處，那么空氣的總量不會(huì)減少，情況究竟怎么樣呢？為了揭開(kāi)燃燒的本質(zhì)，拉瓦錫接下去做了大量關(guān)于燃燒的實(shí)驗(yàn)。他用非金屬元素磷和硫做實(shí)驗(yàn)，還用金屬做實(shí)驗(yàn)。1774年，他精心設(shè)計(jì)了在密閉的容器內(nèi)加熱錫和鉛的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鉛和錫被燒后，其表面上生長(zhǎng)出一層金屬灰，這層金屬灰比它所置換的那部分金屬更重，而整個(gè)容器(金屬、金屬灰、空氣等)的總重量在加熱前后并沒(méi)有變化。對(duì)這種實(shí)驗(yàn)結(jié)果只能有一個(gè)解釋?zhuān)嚎諝庵苯咏槿肓巳紵倪^(guò)程，即燃燒消耗掉了一部分空氣，那部分空氣轉(zhuǎn)化成了金屬灰重量增加的部分。顯然，如果這一推論成立，那就意味著容器中的空氣比外界要稀薄。果然，當(dāng)拉瓦錫打開(kāi)容器時(shí)，外界的空氣沖進(jìn)了容器。空氣沖人后增加的重量恰好等于金屬燃燒后金屬灰增加的重量。這個(gè)實(shí)驗(yàn)證明，金屬燃燒后出現(xiàn)的金屬灰不是金屬損失了燃素后的殘留物，而是金屬和空氣化合的結(jié)果。拉瓦錫的實(shí)驗(yàn)，有力地證明了燃素說(shuō)的荒謬。
要徹底推翻燃素說(shuō)，關(guān)鍵不在于指出其荒謬之處，而在于提出一種更合理的理論來(lái)取代它。1774年，這樣的機(jī)會(huì)降臨了。這一年的10月，英國(guó)化學(xué)家普利斯特利(Joseph Priesiley，1733—1804)來(lái)到巴黎，拜會(huì)了拉瓦錫?？茖W(xué)史上這次著名的“雙星會(huì)”，為拉瓦錫揭示燃燒本質(zhì)的大戲拉開(kāi)了帷幕。普利斯特利向東道主報(bào)告了他的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)——他制出了“脫燃素氣”。原來(lái)，普利斯特利在做加熱氧化汞的實(shí)驗(yàn)時(shí)，收集到了氧化汞分解時(shí)釋放出的氣體，并發(fā)現(xiàn)可燃物在這種氣體中的燃燒比在一般空氣中更為激烈和迅速，他認(rèn)為這表明這種空氣非常需要燃素，它能使燃素從可燃物中快速逃逸，因此將這種氣體命名為“脫燃素氣”。
拉瓦錫不贊成燃素說(shuō)，自然也不相信普利斯特利對(duì)這種新發(fā)現(xiàn)的氣體的解釋。他重復(fù)了普利斯特利的實(shí)驗(yàn)，制得了這種氣體，并用制得的氣體逆向重新和汞作用，結(jié)果又生成了汞灰(氧化汞)。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，他終于悟到：空氣主要由兩部分組成，其中一部分參與燃燒，另一部分不參與燃燒。他把參與燃燒的這部分空氣稱(chēng)為“最適于呼吸的空氣”，后來(lái)又改稱(chēng)為“氧”，意為“可產(chǎn)生酸的東西”，因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)所有的酸中都含有這種物質(zhì)。但這次他錯(cuò)了，并非所有的酸中都含有氧，不過(guò)氧的名稱(chēng)卻因他的命名而流傳了下來(lái)，一直使用至今。在我國(guó)，“氧”這個(gè)漢字是清末著名化學(xué)家徐壽根據(jù)漢字特點(diǎn)造出來(lái)的。對(duì)不參與燃燒的那部分空氣，拉瓦錫將其稱(chēng)為硝，意為“無(wú)生命”。后來(lái)，化學(xué)家夏普塔爾(Jean Antoine Claude或 Comte de ChanteloupChaptal,1756—1832)將其改稱(chēng)為“氮”，沿用至今。
拉瓦錫在發(fā)現(xiàn)了氧的性質(zhì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步揭示了燃燒的本質(zhì)。他指出，可燃物只有在氧氣存在時(shí)才能燃燒，可燃物燃燒的過(guò)程就是它與氧氣相結(jié)合的過(guò)程。換言之，燃燒現(xiàn)象是一種氧化現(xiàn)象。拉瓦錫還指出，呼吸本質(zhì)上也是一種燃燒。呼吸時(shí)，有機(jī)體中的碳與空氣中的氧相結(jié)合，生成二氧化碳，被排出體外。拉瓦錫通過(guò)燃燒有機(jī)物例如酒精、糖、油、蠟等，得到了二氧化碳和水，這進(jìn)一步證實(shí)了呼吸與燃燒的一致性。拉瓦錫提出的燃燒的氧化學(xué)說(shuō)，驅(qū)散了籠罩在燃燒現(xiàn)象上的燃素說(shuō)迷霧，解開(kāi)了當(dāng)時(shí)大量新發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)燃素說(shuō)之間的矛盾，使18世紀(jì)極為混亂的化學(xué)思想得到了統(tǒng)一，從而為新化學(xué)的發(fā)展鋪就了康莊大道。
既然氧化理論可以完全解釋燃燒現(xiàn)象，燃素說(shuō)就沒(méi)有理由再存在下去。拉瓦錫對(duì)此堅(jiān)信不移。1783年，他甚至還在自己的家里舉行了一個(gè)象征性的儀式，送別燃素說(shuō)。他的太太裝扮成祭司的模樣，焚燒了宣揚(yáng)燃素說(shuō)的著作。祭壇里冒出的青煙，不僅象征著燃素說(shuō)的灰飛煙滅，更象征著新化學(xué)的冉冉升起。
3.促成化學(xué)反應(yīng)中質(zhì)量守恒定律的建立
拉瓦錫做了大量燃燒實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)絕大部分都是在密閉容器里進(jìn)行的。拉瓦錫善于使用精密天平進(jìn)行測(cè)量，每次實(shí)驗(yàn)他都測(cè)量了實(shí)驗(yàn)前后容器連同實(shí)驗(yàn)物品的總重量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)每一次實(shí)驗(yàn)前后實(shí)驗(yàn)物品的總重量都不變。這些事實(shí)證實(shí)了一個(gè)公設(shè)：物質(zhì)總量守恒，既不創(chuàng)生也不消滅。就化學(xué)學(xué)科而言，該公設(shè)可以表述為：在化學(xué)反應(yīng)的全部過(guò)程中，參與反應(yīng)的物質(zhì)的總量自始至終保持不變。
質(zhì)量守恒的概念一開(kāi)始只是一個(gè)假設(shè)，有了拉瓦錫的大量精密定量實(shí)驗(yàn)的證實(shí)，該假設(shè)就升級(jí)成了一個(gè)定律：質(zhì)量守恒定律。1789年，拉瓦錫正式陳述了這一定律，他指出：因?yàn)槿斯せ蜃匀徊僮鞑豢赡軣o(wú)中生有地創(chuàng)造出任何物質(zhì)，也不可能憑空消滅掉任何物質(zhì)，所以在每一次化學(xué)操作中，操作前后存在的物質(zhì)的總量保持不變，而且其中每一要素的質(zhì)與量也保持不變。這就是質(zhì)量守恒定律在化學(xué)學(xué)科的初始表述。
在提出質(zhì)量守恒概念不久，拉瓦錫在論述糖變酒精的發(fā)酵過(guò)程時(shí)，創(chuàng)造性地提出了這樣一個(gè)等式：
葡萄汁=碳酸+酒精
這意味著參加發(fā)酵的物質(zhì)和發(fā)酵后的生成物在量上相等，可以將其列成一個(gè)代數(shù)式，用計(jì)算來(lái)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。這實(shí)際上是現(xiàn)代化學(xué)反應(yīng)方程式的雛形。顯然，質(zhì)量守恒定律是化學(xué)學(xué)科近代化的基礎(chǔ)，如果沒(méi)有這條定律，就不會(huì)有化學(xué)反應(yīng)方程式，也就不會(huì)有定量化學(xué)，化學(xué)也就不可能實(shí)現(xiàn)其近代化進(jìn)程。
質(zhì)量守恒定律的建立是拉瓦錫善于使用精密定量測(cè)量方法的自然結(jié)果，該定律的確立，又進(jìn)一步促成了精密定量測(cè)量方法在化學(xué)中的普及。有了這條定律，有了精密定量測(cè)量方法的普及，化學(xué)才有可能趕上物理學(xué)，與之并駕齊驅(qū)。
4.統(tǒng)一化學(xué)術(shù)語(yǔ)命名方法
拉瓦錫對(duì)化學(xué)學(xué)科所作的另一重要貢獻(xiàn)是他統(tǒng)一了化學(xué)術(shù)語(yǔ)的命名方法。事情要從當(dāng)時(shí)法國(guó)的百科全書(shū)的編寫(xiě)工作說(shuō)起。就在拉瓦錫推翻了燃素說(shuō)，建立了燃燒的氧化反應(yīng)理論，為構(gòu)建新化學(xué)體系而努力工作之時(shí)，他的同胞，化學(xué)家居頓·德莫沃(Baron Louis Bemard Guyton de Morveau,1737—1816)上門(mén)求助來(lái)了。原來(lái)，德莫沃在為一部百科全書(shū)撰寫(xiě)有關(guān)化學(xué)部分的內(nèi)容，他試圖描述幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)化學(xué)學(xué)科的進(jìn)展，可是遇到了麻煩，寫(xiě)不下去了。拉瓦錫仔細(xì)分析了德莫沃遇到的問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)這與化學(xué)術(shù)語(yǔ)的命名有關(guān)。原來(lái)化學(xué)在很長(zhǎng)的時(shí)間里是與煉金術(shù)糾纏在一起的，而煉金術(shù)士們對(duì)各種化學(xué)物質(zhì)的命名沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，為了保密，他們常常故意給物質(zhì)起一套隱晦和怪誕的名稱(chēng)，且彼此互不交流，這就使得一個(gè)化學(xué)家很難弄清楚另一個(gè)化學(xué)家談?wù)摰氖鞘裁?。這種局面不但使得后世的學(xué)者難以弄清以前化學(xué)的進(jìn)展情況，而且也為后來(lái)化學(xué)學(xué)科的發(fā)展制造了巨大的障礙。這是當(dāng)時(shí)化學(xué)學(xué)科發(fā)展不得不解決的一個(gè)迫切問(wèn)題。
在認(rèn)識(shí)到了術(shù)語(yǔ)命名問(wèn)題的重要性和緊迫性之后，拉瓦錫首先幫助德莫沃完成了為百科全書(shū)撰稿的任務(wù)，然后開(kāi)始著手解決化學(xué)術(shù)語(yǔ)命名這一影響化學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。經(jīng)過(guò)緊張的工作，1787年，拉瓦錫和另外幾位化學(xué)家合作，出版了一部名為《化學(xué)命名法》的著作。該書(shū)是人類(lèi)歷史上第一部科學(xué)地談?wù)摶瘜W(xué)物質(zhì)命名的專(zhuān)著，它拋棄了長(zhǎng)期沿用的那些煉金術(shù)符號(hào)，著眼于從物質(zhì)的化學(xué)成分出發(fā)為其命名。該書(shū)提出的化學(xué)物質(zhì)命名的原則是：一種物質(zhì)應(yīng)該只有一個(gè)名稱(chēng)，單質(zhì)的名稱(chēng)應(yīng)該反映其化學(xué)特征，化合物的名稱(chēng)應(yīng)能反映其化學(xué)組成，酸堿類(lèi)用其所含元素命名，鹽類(lèi)用組合成它們的酸和堿表示。這種命名方法條理清晰，邏輯性強(qiáng)，便于理解和記憶，還能反映物質(zhì)的本質(zhì)特征，它使得化學(xué)有了符合自己特點(diǎn)的新的語(yǔ)言，對(duì)于化學(xué)學(xué)科發(fā)展非常有利。正因?yàn)槿绱?，在受到少?shù)燃素說(shuō)者短暫的反對(duì)之后，這種命名方法很快就被世界各地的化學(xué)家所采納，一直沿用至今。
5.構(gòu)建近代化學(xué)體系
有了適應(yīng)化學(xué)學(xué)科發(fā)展的研究方法，找到了當(dāng)時(shí)化學(xué)的核心反應(yīng)——氧化反應(yīng)，提出了研究化學(xué)反應(yīng)所應(yīng)遵循的基本規(guī)律——質(zhì)量守恒定律，統(tǒng)一了化學(xué)術(shù)語(yǔ)的命名方法，所有這些，意味著新化學(xué)的基本要素已經(jīng)具備，下一步，就是把這些要素組合起來(lái)，構(gòu)建新化學(xué)大廈。這一任務(wù)，仍然是拉瓦錫完成的，他撰寫(xiě)了一部名為《初等化學(xué)概論》的教科書(shū)，對(duì)新化學(xué)作了系統(tǒng)的描述。
1789年，拉瓦錫的《初等化學(xué)概論》出版，宣告了新化學(xué)的誕生。這本書(shū)是化學(xué)史上第一部近代化學(xué)教科書(shū)，它詳盡地論述了推翻燃素說(shuō)的各種實(shí)驗(yàn)依據(jù)和以氧化反應(yīng)為核心的新燃燒學(xué)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)思想的革新；它清楚地闡述了化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中物質(zhì)守恒的思想，提出可以用反應(yīng)式來(lái)表示化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，以便“用計(jì)算來(lái)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，再用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證計(jì)算”，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)理論和化學(xué)實(shí)驗(yàn)的定量化；它要言不煩地說(shuō)明了當(dāng)時(shí)的新發(fā)現(xiàn)和新實(shí)驗(yàn)，反映了化學(xué)學(xué)科的最新進(jìn)展；它把拉瓦錫提出的化學(xué)物質(zhì)命名法付諸實(shí)施，不但提出了各種化合物的名稱(chēng)，還列出了包括當(dāng)時(shí)所認(rèn)識(shí)到的33種元素在內(nèi)的元素表，這在化學(xué)史上還是第一次。
《初等化學(xué)概論》的出版，意味著近代化學(xué)大廈的建成。從此，人們只要按照該書(shū)提出的研究方法，運(yùn)用該書(shū)闡述的基本概念和規(guī)律，就可以把化學(xué)學(xué)科一步一步推向前進(jìn)。正因?yàn)槿绱?，該?shū)的出版，是化學(xué)史上劃時(shí)代的事情，人們認(rèn)為該書(shū)對(duì)化學(xué)的貢獻(xiàn)可與牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》對(duì)物理學(xué)的貢獻(xiàn)相媲美。拉瓦錫被稱(chēng)為近代化學(xué)之父，完全是理所當(dāng)然的。
聯(lián)系客服
