“化學(xué)之父”安東-尼羅朗·拉瓦錫(Antoine-Laurent Lavoisier)在18世紀推行的“化學(xué)革命”是科學(xué)發(fā)展史上最輝煌的成就之一。他通過實驗事實為依據(jù),推翻了統(tǒng)治了化學(xué)界長達百年之久的燃素學(xué)說,提出質(zhì)量守恒定律,并建立了以氧為中心的氧化燃燒學(xué)說。他還制定出了化學(xué)物質(zhì)的命名原則,改變了當(dāng)時化學(xué)物質(zhì)命名混亂不堪的狀況,創(chuàng)建了化學(xué)物質(zhì)分類的新體系,為現(xiàn)代化學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
1761年,17歲的拉瓦錫從巴黎的馬薩林學(xué)院畢業(yè)時,化學(xué)還談不上是一門真正的科學(xué)。當(dāng)時的物理在一個世紀前牛頓的引導(dǎo)下已經(jīng)走上了正軌,而化學(xué)還沿用著古希臘傳下來的那一套接近哲學(xué)的古老理論。從亞里士多德開始,人們就相信物質(zhì)是由四種元素組成的:土、空氣、火和水。這套根深蒂固的陳腐理論嚴重阻礙著化學(xué)的發(fā)展。18世紀初,德國科學(xué)家斯塔爾(Georg Ernst Stahl)提出燃素的概念來解釋燃燒的機制,他認為所有能夠燃燒的物體內(nèi)部都含有燃素,當(dāng)物體例如木頭被燃燒殆盡后,它所喪失的重量就是“燃素”的重量。這套燃素理論是當(dāng)時化學(xué)界的主流思想,被奉為真理。
斯塔爾(維基百科)
17歲的拉瓦錫在父母的意愿下升學(xué)進入了法政大學(xué)。他的父親是一位富裕的律師,希望兒子能夠子承父業(yè),但是拉瓦錫在大學(xué)里卻對自然科學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣,并主動地學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)、天文、化學(xué)等科學(xué)。從20歲開始,他堅持每天觀察氣象,并在假期隨著著名的地質(zhì)學(xué)家蓋塔(Jean-étienne Guettard)到各地去做地質(zhì)考察旅行。或許就是在這個時候,拉瓦錫就已經(jīng)建立起以考察結(jié)果、實驗結(jié)果為研究標(biāo)準的思考體系。1765年,法國科學(xué)院以重金征集一種能使路燈既明亮又經(jīng)濟的設(shè)計方案,22歲的拉瓦錫雖未獲得頭等獎金,但他的設(shè)計被評為優(yōu)秀方案,榮獲國王頒發(fā)的金質(zhì)獎?wù)拢@項榮譽給了拉瓦錫很大鼓舞,并正式將他引薦進了科學(xué)界。拉瓦錫具有極高的天才,同時又有無需擔(dān)憂生計的富裕家庭做后盾,大學(xué)畢業(yè)后他便正式拋棄了自己的法律前程,全身心投入到化學(xué)研究中去了。1768年,他進入了法國皇家科學(xué)院。
1772年9月,拉瓦錫發(fā)現(xiàn),磷和硫在燃燒過后不僅沒有損失重量,反而還增重了。這與斯塔爾的燃素學(xué)說有著尖銳的沖突,拉瓦錫思前想后,決心要解決這一矛盾。在各種燃燒實驗中,拉瓦錫發(fā)現(xiàn),燃燒金屬后增加的重量來自于空氣。但是空氣中的什么成分和金屬結(jié)合了呢?當(dāng)時的人們還沒能了解空氣的構(gòu)成,拉瓦錫也無從推斷答案。
拉瓦錫的天平(巴黎工藝博物館)
1774年10月,英國化學(xué)家普利斯特列(Joseph Priestley)到巴黎訪問,拉瓦錫作為歡迎宴會的主辦人,和他有了一番圍繞燃燒的討論。現(xiàn)在普遍認為,普利斯特列是世界上第一個發(fā)現(xiàn)氧氣的人,他在那場宴會上告訴拉瓦錫,3個月前,他在加熱水銀灰(即氧化汞)的時候收集到了一種具有助燃作用的氣體,他還詳細地描述了這種氣體的性質(zhì):蠟燭能夠在這種氣體里極快地燃燒,而老鼠在裝滿這種氣體的瓶子里存活的時間是其他瓶子的兩倍。這給予了拉瓦錫啟示,他重復(fù)了加熱水銀灰的實驗,并發(fā)現(xiàn)這種氣體能夠與許多非金屬物質(zhì)結(jié)合生成各種酸,于是他把這種氣體命名為“酸素”。現(xiàn)在氧元素的化學(xué)符號O就是來源于希臘文的“酸素”:Oxygene。可惜的是,普利斯特列是燃素論的忠實教徒,一直頑固地不肯接受拉瓦錫的理論。
拉瓦錫燃燒實驗的器材(網(wǎng)絡(luò)圖)
在對氧氣進行了系統(tǒng)的研究之后,拉瓦錫明確地指出,空氣不是一種獨立的元素,它其實是一種混合物,主要由氧氣和氮氣構(gòu)成。1778年,他提出,所有燃燒,都是可燃物質(zhì)與氧的結(jié)合,可燃物的重量之所以會增加,是因為在燃燒過程中吸收了氧。這就是大名鼎鼎的氧化學(xué)說。
描述1770年代拉瓦錫實驗場景的畫(維基百科)
在那個時代,人們無法認清物質(zhì)的構(gòu)成,只能粗略地把所有“不可再分”的物質(zhì)當(dāng)成是一種獨立的元素。空氣如此,水也是如此。在氧元素被確定之后的1781年,英國化學(xué)家卡文迪許(Henry Cavendish)發(fā)現(xiàn),如果往氫氣與氧氣的混合物中通電,在火花產(chǎn)生過后,燒瓶壁內(nèi)會出現(xiàn)水珠。卡文迪許在這時仍然信仰亞里士多德的四種元素理論,認為水是一種獨立的元素,所以他不能解釋這一實驗結(jié)果。卡文迪許的助手布拉格登于1783年訪問巴黎時將這個古怪的實驗結(jié)果告訴了拉瓦錫。拉瓦錫立即又重復(fù)了實驗,最后他不僅合成了水,甚至還能成功地把水分解成氫氣和氧氣。他利用氧化學(xué)說確定了水的組成:這是由氫和氧組成的化合物。
天才拉瓦錫后來又根據(jù)酒精這類有機化合物在燃燒后生成碳酸氣(也就是二氧化碳)和水的事實,建立了有機化合物的分析法:他將有機物放在一定體積的氧氣中燃燒,之后用堿液收集吸收到的碳酸氣,再從殘余物中計算出生成的水量,由此確定有機物中碳、氫、氧三種元素的比例。這巧妙的實驗現(xiàn)在已經(jīng)是我們高中化學(xué)必修的內(nèi)容。
卡文迪許的實驗裝置(維基百科)
拉瓦錫的工作是對過去幾千年人類陳舊認知的顛覆。為了與氧化學(xué)說相適應(yīng),1785年,拉瓦錫和他的幾個同行一起合作編寫了《化學(xué)命名法》。這本偉大的專著指出,每種物質(zhì)都需要有一種固定的名稱,單質(zhì)(也即元素)的命名應(yīng)該盡可能地表達它的特性,化合物的命名則應(yīng)該盡可能表現(xiàn)它的組成。據(jù)此,他們建議,將過去被稱為“金屬灰”的物質(zhì)命名為金屬氧化物。舉個例子,普利斯特列做實驗用的水銀灰,就被改名成了氧化汞。這一次命名的改革其實相當(dāng)不受歡迎:大家那么多年來習(xí)慣了的名稱說改就改,讓很多人都覺得不滿。拉瓦錫和他的同伴們頂著壓力繼續(xù)著這一看似大動干戈的革命,給后代的化學(xué)家們掃清了許多障礙:這套命名法清晰而科學(xué),奠定了近代化學(xué)術(shù)語的基礎(chǔ),現(xiàn)在我們使用的常見化學(xué)術(shù)語大部分都是根據(jù)它而來的。
拉瓦錫沒有發(fā)現(xiàn)新的物質(zhì),也沒有做新的實驗,他只是吸收、重復(fù)別人的實驗,通過嚴格的、合乎邏輯的步驟,對所有“奇怪”的現(xiàn)象做出了正確的解釋,并勇敢地打破權(quán)威,成就了自己不朽的功績。他的座右銘是“不靠猜想,而要根據(jù)事實”。他總將“質(zhì)量不變”的規(guī)律作為思考問題的前提,將實驗結(jié)果作為理論的依據(jù),而不是一味遵循前人留下的教條定律。拉瓦錫時刻保持清醒的頭腦,相信在自然世界中,無論物質(zhì)如何變化,質(zhì)量總是守恒的,這是他給近代化學(xué)發(fā)展做出的又一個突出的貢獻。
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