△化学革命 

拉瓦锡的工作使燃素学说退出了历史舞台,引起了一场伟大的化学革命。

天才拉瓦锡

在化学初期发展中,拉瓦锡起到了举足轻重的作用。拉瓦锡生于1743826日,他受过法律教育,但对自然科学,特别是化学深感兴趣。大学毕业后他放弃了法律方面的职位,集中精力从事自然科学工作。他曾几次做矿物勘察,对一些矿物和矿泉水的化学成分发生了兴趣。1768年,拉瓦锡被选为科学院化学助理。1775年,拉瓦锡被任命为法国火药与硝石监督官,他移居阿森纳尔,并自费建立了一个设备良好的实验室。在那里他进行了15年紧张的实验研究。1789年法国革命开始,这场革命中断了拉瓦锡化学方面的研究工作。179458日拉瓦锡被革命者送上了断头台。人们对此感到非常惋惜,著名数学家拉格朗日说道:“他们可以一瞬间把他的头割下来,而这样的头,也许百年也长不出一个来。”

燃烧理论

拉瓦锡提出了燃烧作用的氧学说,他充分考虑到了燃烧过程中氧的重要作用。在此之前,英国的普利斯特里和瑞典的化学家舍勒发现了氧。氧的发现,成为树立拉瓦锡新元素论的直接起因。然而,虽然这两个人发现了氧,却没能认识到它。事实上,拉瓦锡才是第一个弄清了氧是单质的化学家。后来他建立了正确的燃烧理论,从而确定了近代化学的基础。

燃烧现象是自古以来人类普遍体验的、最为显著的化学变化。不用说四元素论中的“火元素”,即使三元素论的硫磺或燃素论的燃素等都不过是“火”的不同提法而已。所以,在形成元素学说的过程中,它总是起着举足轻重的作用。因此,要想打破两千年来存在的不科学的元素学说,彻底追究燃烧现象的本质,揭示火的本质是不可缺少的条件。

拉瓦锡从17729月开始燃烧现象的研究工作,111日向科学院提出了著名的《封印笔记》纪要式的简短报告。他谈到硫磺或磷在空气中燃烧时会吸收空气而增重,金属灰比原来金属增重的现象也由吸收空气所致。随后又在1773年多次进行了燃烧气体的有关实验,其结果写在他于17741月撰述的《物理性质与化学性质的小论文集》中。从这本书的内容看,拉瓦锡当时已认识到空气中存在某种起助燃作用的一种能与金属结合使其增重的物质。究竟是什么物质,他正在探索着。17744月,拉瓦锡发表了论文《关于在密闭器内金属灰化的报告》,该论文报告了他的一个实验。他将放入锡的玻璃瓶密闭,然后秤了它的重量。经过充分加热使锡灰化,再将瓶冷却,然后测定其重量,确定了总重量未发生变化。然后,在瓶上穿一个孔,此时瓶外空气带着响声冲入瓶内,最后再次秤总重量时,灰化后所增加的重量恰好等于金属灰所增加的重量数。通过实验,拉瓦锡断定波仪尔的火粒子说是错误的,从而否定了波仪尔的粒子论。拉瓦锡弄清楚了金属能与空气中的某种物质相结合,但他始终未能找到将它分离出来的方法。

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177410月普里斯特里访问巴黎,法国著名科学家在拉瓦锡宅邸举行了欢迎宴会。普里斯特里介绍了他在来法前三个月进行的一个实验,这个实验对加热水银灰所产生的气体的助燃作用做了深入地研究。这使拉瓦锡大受启发,尽管他还没有确认这气体就是氧元素,但这给拉瓦锡重要启示:加热水银灰可以获知某种新物质。17754月拉瓦锡发表了他最著名的论文《关于灰化中与金属结合而增重的元素性质》。这篇文章的主要观点是“在灰化中与金属结合而使金属变成灰,并使之增重的元素就是空气本身。值得重视的另一点是,拉瓦锡在这论文中提出:“与金属结合而变为金属灰时起作用的是一种元素(单质)。”这一结论虽然是缺乏实验根据的主观推论,然而后来的事实证明这种物质确实是一种单质氧元素。就其结果而论,是反映了客观存在的。直到1775年末,普里斯特里发表了关于发现氧元素的论文,拉瓦锡才得知先前他所说的“整个空气”这种物质实际上是新发现的气体。于是他又多次进行了有关的实验,进一步搞清楚了关于空气的性质。那就是空气是由起助燃作用的气体和不助燃的另一种气体组成的。拉瓦锡将以前已经发表过的《关于密闭器中金属灰化问题的报告》这篇论文,在新认识基础上进行了修正,于1777510日在科学院重新发表。

1779年拉瓦锡发表了《关于酸的性质和对于组成酸的一般性质的考察》。他在这篇论文中提出:所有酸都是由非金属物质与空气中所含的助燃气体结合而形成的。并将这种气体命名为“制酸元素”(principe oxyene)。这个名称是希腊文 oxus(酸)和gennaol使之发生的合意。当前所用名称Oxygen(氧元素)由此出现。此后,拉瓦锡的“酸的氧元素假说”或“由氧元素导致酸化假说”被广泛采用,成为占统治地位的学说。

拉瓦锡发现了氧的性质,但他却说自己独立发现了氧元素,只字未提他从“普里斯特里的水银灰加热实验”得到启示,反而一味坚持他应取得氧元素独立发现者的权利。这种卑劣作风使他的学者人格受到了玷污。氧元素的独立发现者,除普里斯特里之外,还有舍勒。他们二人的发现时间虽然相差23年,但考虑到这二位学者对氧的发现所作的贡献及他们的高尚人格,他们的发现权都得到了世界的公认。

拉瓦锡与拉普拉斯在17821783年冬共同发明了热量计,测定了比热与潜热,同时用实验论证了动物呼吸是一种燃烧现象。他们是在充满氧气的容器中放入白鼠,再测定产生出一定量的碳酸气时融化的冰量;而后在同一容器内燃烧木炭,测定产生同量碳酸气时所融化的冰量。结果两者得出的数值是近似的。他们还发现前者的热量大于后者。后来在弄清了水的组成后才找到了原因,即动物在呼吸时,除了碳元素外,氢元素也在进行氧化燃烧。拉瓦锡于1777年向科学院提出的《关于动物呼吸的实验以及空气通过肺脏时所发生变化的实验》的论文,说明动物的呼吸是吸入酸素(氧)而变为碳酸气放出的。以后,拉瓦锡又在青年科学家塞刚合作下,直接实验了人的呼吸现象。塞刚充当了实验的人,他头带一种密闭面具,身上装着各种测量仪器,进行一种脚踏自行车运动。这样便测得了休息时与运动时不同的氧消耗量、二氧化碳产生量以及气温、摄取食与其之间的关系。拉瓦锡认为,在呼吸时氧化燃烧现象是在肺里进行的。肺内产生的热量依靠血液运往全身各处。实际上,氧化燃烧现象并不是在肺部,而是在所有机体细胞内进行的。然而,他对呼吸一词所下的定义,即呼吸现象不过是为燃烧的食物进入体内产生的燃烧现象而已,这一基本认识直到现在还是正确的,应该说这是非常了不起的一件事。拉瓦锡所说“生命是一种化学现象”这句话,为现代生物化学定下了基调。

拉瓦锡的其它成就

化学发展的初期,由于缺乏统一的领导,化学术语、化学符号极其混乱。统一化学术语、化学符号成了一件具有重要意义的事情。

1785年起,贝特莱、孚克劳、莫沃等化学家,相继从燃素学说派转变为反燃素学说派。连同拉瓦锡在一起,四人根据新理论着手编纂新的化学术语体系,并于1787年出版了合著的《化学命名法》,这就是现代化学术语的基础。过去被称为金属灰的物质,根据它的组成改称金属氧化物。例如,金属灰的一种锌白改为氧化锌,原来被称为矾油或矾酸的改为硫磺酸(硫酸)等等。当今我们所用的化学术语的大部分,是根据拉瓦锡命名法而来的。

1789年拉瓦锡出版了主要著作《化学教程》,该书是那一阶段化学革命的总结。在这本书中,他第一次有意识地把质量不变(物质不灭)定律写进去了。这一定律是在进行化学定量分析时不可缺少的前提。他给单质下的定义是:通过实验分析到达的终极点,即在当前用任何手段都不能分解的物质。拉瓦锡预言,在当时自己认为是单质元素的物质中,未来有若干可能不是单质元素。他的单质定义在《化学命名法》中有清楚的说明,合乎这种定义的单质被分为五类,其中第四类是:石灰土、白镁矿(氧化镁)、重土,矾土(氧化铝)、碴土(氧化硅)等土类,第五类是苛性碱,以上物质都是当时无法再分解的。而在两年后出版的《化学教程》中,他预言苛性碱类在将来一定是会被分解的,因此将其从单质中除去。对第四类土类,他预言虽然包括于单质中,但将来一定会分解并将证明它们是金属的氧化物。他这一预言果真兑现。过了十余年,钾、镁、钡、铝、硅等都相继分离出来了。拉瓦锡关于单质的定义在以后一百多年中,一直被化学界采用。而现在,由于发现了根据原子核的裂变而产生单质分解现象,所以拉瓦锡的定义不再适用了。同时,拉瓦锡和他以往的学者,都把元素和单质作为同义词使用,混淆了两者的区别。拉瓦锡的《化学教程》一书附有他的妻子玛丽·拉瓦锡所画的精美的插图,于1789年出版,这本书的出版,本身就标志着拉瓦锡在书中所指的化学革命已经发生。工业革命时代的伟大科学贡献,乃是在于建立近代定量的化学,它是化学工业迅速发展的结果,也是科学家对于物质和物质转变问题的研究结果。拉瓦锡的贡献只有到了现在才被完全认识到。抛开拉瓦锡的人格,我们必须承认他是化学史上最伟大的化学家之一。