开创化学发展新纪元的拉瓦锡

Antoine Laurent Lavoisier 1743一1794


    法国化学家拉瓦锡进行的化学革命被公推为18世纪科学发展史上最辉煌的成就之一。在这场革命中,他以雄辩的实验事实为依据,推翻了统治化学理论达百年之久的燃素说,建立了以氧为中心的燃烧理论。针对当时化学物质的命名呈现一派混乱不堪的状况,拉瓦锡与他人合作制定出化学物质命名原则,创立了化学物质分类的新体系。根据化学实验的经验,拉瓦锡用清晰的语言阐明了质量守恒定律和它在化学中的运用。这些工作,特别是他所提出的新观念、新理论、新思想,为近代化学的发展奠定了重要的基础。

    安东·尼罗朗·拉瓦锡1743年8月26日出生于巴黎一个富裕的律师家庭。5岁那年他母亲园病去世,从此他在姨母照料下生活、11岁时,他进入当时巴黎的名牌学校——马沙兰学校。以后升人法政大学,21岁毕业而取得律师的资格。他的家庭打算让他继承父业成为一个开业律师,然而在大学里他已对自然科学产主了浓 厚的兴趣,主动地拜一些著名学者为师,学习数学、天文、植物学、地质矿物学和化学。从20岁开始,他坚持每天作气象观测,假期还跟随地质学家格塔尔到各地作地质考察旅行。他最初发表的关于石膏组成和凝固的论文就是在地质调查之中写成的,1765年,法国科学院以重奖征集一种使路灯既明亮又经济的设计方案,22岁的拉瓦锡勇敢地参加了竞赛。他的设计虽然未获奖金,但被评为优秀方案,荣获国王颁发的金质奖章,这项活动给崭露头角的拉瓦锡以很大的鼓舞、使他更热情地投入科学研究的事业中、同时他的科研才华也开始引起了科学界的注目。因为拉瓦锡接连不断地取得了一项项科研成果,也因为他具备了无需忧虑生活来源的优越科研条件, 1768年他被任命为法国皇家科学院的副会员, 1778年成为有表决权的18名正式会员之一。1785年他担任了科学院的秘书长,实际上成为科学院的负责人。

    拉瓦锡成为科学院的成员后,科学研究愈成为他生活的重要内容。从1778年起,他逐个地取得了化学研究上的重大突破。步入化学家的行列。他才华洋溢,精力充沛,逐渐成为科学界乃至政界的一位新星。

    1768年,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柳树的实验(海尔蒙特将一柳村茁栽人一预上经烘干称重的上盆中,经常淋水。5年后,柳树长成大树了。泥上经烘于,重量并没有减少。于是他认为柳树长大所增加的重重,只能来源于水,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。二周过去了,水还是清的。第三 周未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。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比为土的谬说,瑞典化学家舍勒也对这沉淀物进行分析,证明它的确来自玻璃蒸馏器本身。

    1772年9月,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,他认为金属在般烧后的增重是因为存在火微粒,在慑烧中,火微粒穿过器壁而与金属结合。

    金属+火微粒——>金属灰

    1702年,德国化学家斯塔尔也进行了类似的实验。他认为金属在锻烧中放出了燃素,即:

     金属+燃素——>金属灰

    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。拉瓦锡正是在研究了化学史的概况和前辈化学家的工作之后,发现了这一矛盾,并决心解决这一矛盾。

    首先他对磷、硫等易燃物的燃烧进行观察和测定,他发现磷、硫在燃烧中增重是由于吸收了空气。于是他想到,金属在般烧中增重是否属于同一原因?1774年,他重做了波义耳关于煅烧金属的实验。他将已知重量的锡放入曲颈瓶中,密封后称其总重量。然后经过充分加热使锡灰化。待冷却后,称其总重量,确认其总重量没有变化。尔后在曲颈瓶上穿一小孔,发现瓶外空气带着响声冲进瓶内,再称其总重量和金属灰的重量,发现总重量增加的值恰好等于锡变成锡灰后的增重。拉瓦锡又对铅、铁等金属进行了同样的锻烧实验,得到相同的结论。由此拉瓦锡认为燃烧金属的增重是金属与空气的一部分相结合的结果,否定了波义耳的火微粒之说,对燃素说也提出了质疑。那未,与金属相结合的空气成分又是什么?当时人们还不了解空气具有两种以上组分,拉瓦锡也无从推断。1774年10月,英国化学家普利斯特列访问巴黎。在拉瓦锡举行的欢邀宴会上,普利斯特列告诉拉瓦锡,在3个月前,他曾在加热水银灰的实验中发现一种具有显著助燃作用的气体。这信息给拉瓦锡以启示,他立即着手汞灰的合成和分解。实验事实使拉瓦锡确信,般烧中与金属相结合的决不是火微粒或燃素,可能是最纯净的空气。1775年末,普利斯特列发表了关于氧元素(他命名为脱燃素空气)的论文后,拉瓦锡恍然大悟,原来这种特殊物质是一种新的气体元素。随后,他对这种新的气体元素的往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0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。1778年他进而提出,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。所谓的燃素实际上是不存在的。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,并从此取代了燃素学说,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。

    长期以来,水也被看作是一种元素。在氧元素被确认后的1781年,英国化学家卡文迪许在氢气与普通空气或氧气的混和气中通电、发生火花时,会有水珠的生成,这一实验证明水是一种化合物。但是由于卡文迪许仍旧信仰燃素说,所以对这一实验结果不能作出清晰的解释。卡文迪许的助手布拉格登于1783年6月访问巴黎时,将这一实验告诉了拉瓦锡。拉瓦锡立即进行了跟踪实验, 不仅合成了水,同时还将水分解为氧气和氢气,再次确认了水的组成,并且用氧化理论给以准确的说明。

    运用氧化理论,拉瓦锡弄清了碳酸气就是碳与氧元素的化合物。他又根据酒精一类有机化合物在燃烧中大都生成碳酸气和水的事实,建立了有机化合物的分析法,将有机物在一定体积的空气和氧气中燃烧,用苛性碱溶液来吸收其产生的碳酸气,再从残留物中计算出生成的水量,由此确定有机化合物中庆含的碳、氢、氧三种元素的比例数。

    根据氧化理论,1777年拉瓦锡发表论文,指出动物呼吸是吸入氧气,呼出碳酸气。他与法国科学家拉普拉斯合作,1782年设计了冰的热量计,测定了一些物质的比热和潜热。同时证明动物的呼吸也属于一种燃烧现象。

    拉瓦锡的氧化学说是对燃素说的否定,他关于水的组成、空气的组成等一系列实验成果是对亚里士多德四元素说的批判,为了与新的理论相适应,1785年,拉瓦锡和他的同行戴莫维、贝托雷、佛克罗伊合作编写了《化学命名法》。这本专著强调指出每种物质必须有一固定名称,单质命名尽可能表达出它的特性,化合物的命名尽可能反映出它的组成,据此他们建议对过去被称为金属灰的物质应依据它的组成命名为金属氧化物;酸、碱物质使用它们所含的元素来命名;盐类则用构成它们的酸和碱来命名。这样一来,汞灰应称为氧化汞,矾油应叫作硫酸等等。从而奠定了现代化学术语命名的基础,当今所用的化学术语的大部分都是依据这一命名法而来的。

    拉瓦锡的化学研究有一个重要的特点,他总是有意识地把质量不变的规律作为他思维推理的前提。这种质量守恒的思想在他1789年出版的《化学纲要》中,作了清楚的阐述,这是他对近代化学发展的又一突出的贡献。就在《化学纲要》这部名著中,拉瓦锡总结了他化学研究的实践经验,发展了波义耳提出的元素概念,提出元素是化学分析到 达的终点,即在当时用任何化学手段都不能分解的物质可称为元素。据此他还列出了一张包括33种元素的分类表。现在看来,这张表虽然存在一些错误,但是世界公认这是第一张真正的化学元素表。

    就在拉瓦锡在科学研究上取得一个又一个的重要进展时,1789年法国爆发了资产阶级的大革命。拉瓦锡虽然主张君主立宪制,但是他还是积极地参与了统一度量衡的改革工作。统一度量衡是法国大革命的重要成果。随着革命的主导权由大资产阶级转移到小资产阶级的代表人物的手中,阶级的对抗更为激烈,包括拉瓦锡在内的60人组成的征税承包商集团成为了革命的对象。所谓征税承包业指由一批商人组成的集团,把法国国王的部分征税承包下来,由商人雇用人员到各地强行征收盐、酒、烟草及其它商品的关税。包税商除了上缴给国王一定税款外。还要从中获得一定的利润。这种征税承包业显然加重了对平民百姓的盘剥,很自然地成为革命中的众矢之的。拉瓦锡的家庭经济状况足以维持其从事科研的生活,但是拉瓦锡妄图发财,几乎在他投身科学研究的同时,于1768年加入了包税商集团。从此赚钱的买卖花费了他不少精力。他万万没有想到,这一问题为他招来了灭顶之灾。1793年,革命政权逮捕了包括拉瓦锡在内的包税商,第二年以超过法定数4%的收入,谋取6一10%的利润的罪行而被处死,一位杰出的科学家正当他事业兴旺时,落得这样一个可悲的结局,当时和后来的许多人都对此深感惋借。

    拉瓦锡虽然死了,他对发展近代科学的突出贡献,后人并没有抹煞他的科学思想、科学方法长期以来一直成为人们学习和研究的内容,人们从中获得了不少启迪和教益。综观拉瓦锡的实验研究和理论建树,正如有人评论说:拉瓦锡既没有发现新物质,也没有提出新的实验项目,甚至没有创新或改进实验手段或方法,然而他却在重复前人的实验中,通过严格的合乎逻辑的步骤,阐明了所得结果的正确解释,作出了化学发展上的不朽功绩。成功的原因是多方面的,首先他强调了实验是认识的基础,他的治学座右铭是:“不靠猜想,而要根据事实。”他在研究中一直遵循“没有充分的实验根据,从不推导严格的定律”的原则。这种尊重科学事实的思想使他能把前人所作的一切实验看作只是建议性质的,而不是教条,从而批判地继承了前人的工作成果,敢于进行理论上的革命。

    拉瓦锡善于学习,善于进行分析综合、判断推理,提出新的学术思想。对于前人的有关研究,他的学习是很认真的。他能把前人对于同一实验所作的不同解释加以分析比较,从中发现矛盾和问题,为此他选择了一些关键的跟踪实验作为自己研究的突破点,并在实验中,保持清醒头脑。在实验中他除了细致地观察外,还善于捕捉那些化学反应中各种物质变化的相互联系,不被表面现象所迷惑,透过现象深入到本质,从整体上去认识反应的本质,因而显得比别人站得高、看得准。系统严格的定量性是拉瓦锡实验方法的基本特点。他在实验分析中有一个信条:“必须用天平进行精确测定来确定真理。”根据这一信条,拉瓦锡的实验研究都明确地运用了定量方法。以量求质,通过数量的确定推翻了水上相互转化的古老观念,否定了燃素的存在,揭示了氧气的实质和燃烧的本质。他能以考察量的变化来推导化学变化的规律,是因为他相信自然界物质的各种变化中,质量是守恒的。他提出质量守恒定律进一步说明了化学定量方法所依赖的前提。拉瓦锡敢于明确地提出这一原理,除了有实验事实为根据外,他还从“无中不能生有”这一深刻的哲学和“总量等于它的各个分量”的数学公理中获得了启示。