化學(xué)革命中的固定空氣拉瓦錫的化學(xué)革命

化學(xué)革命中的固定空氣拉瓦錫的化學(xué)革命

著名的格言是“機(jī)遇只是等待準(zhǔn)備的頭腦”（berhi：科學(xué)研究藝術(shù)），這是我們理解和分析法國(guó)化工廠在化學(xué)革命中的作用和原因的最佳切入點(diǎn)。1燃素理論的機(jī)遇生活在十八世紀(jì)中后期的拉瓦錫(AntoineLaurentLavoisier1743-1794),他所面臨的化學(xué)領(lǐng)域正在經(jīng)歷著新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)和舊的理論觀點(diǎn)相互沖突的一場(chǎng)持久戰(zhàn)。一個(gè)又一個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的新發(fā)現(xiàn)沖擊著傳統(tǒng)的燃素理論,迫使它必須作出合乎科學(xué)的解釋,但陳舊的燃素說(shuō)一次又一次地陷入困境,不能自圓其說(shuō)。是將新事實(shí)納入舊的規(guī)范,還是破除舊的理論束縛去開(kāi)創(chuàng)新的理論領(lǐng)域?這個(gè)兩難的選題已越來(lái)越明顯地?cái)[在化學(xué)家的面前,迫使每個(gè)有作為的化學(xué)家必須對(duì)此作出明智的抉擇——這就是一種機(jī)遇。這種機(jī)遇,對(duì)于燃素理論來(lái)說(shuō)是種危機(jī),而對(duì)于新興的燃燒理論來(lái)說(shuō),則蘊(yùn)含著機(jī)會(huì)。這種機(jī)會(huì)的具體表現(xiàn)有以下三種情況:1.1燃燒金屬的事實(shí)金屬煅燒是當(dāng)時(shí)化學(xué)家普遍關(guān)注的燃燒現(xiàn)象。依照燃素說(shuō)的觀點(diǎn)“金屬煅燒是失去燃素”,按理該是失重。但隨著天平的廣泛使用,人們發(fā)現(xiàn)越來(lái)越普遍的事實(shí)是金屬煅燒后重量增加了。燃素說(shuō)信奉者面對(duì)這類事實(shí)不但沒(méi)有在波義耳研究工作的基礎(chǔ)上前進(jìn)一步,反而大大后退了。在前文中我們提及波義耳認(rèn)為:金屬煅燒后增重是由于燃料中散發(fā)出來(lái)的火微粒穿透容器壁鉆進(jìn)金屬并與之結(jié)合的緣故。而燃素論者則無(wú)根據(jù)地猜想:燃素還具有“負(fù)重量”,它不能被地球吸引反而被排斥,故金屬失去燃素后會(huì)增重。這種猜想純屬杜撰,顯然是反科學(xué)的。因?yàn)樗驯臼窃氐慕饘倏闯墒侨妓睾挽言M成的“化合物”,而把應(yīng)是化合物的煅渣卻當(dāng)成了“元素”。這樣就把真實(shí)關(guān)系顛倒了,映像被當(dāng)作了原形。這個(gè)嚴(yán)重的缺陷隨著實(shí)踐的深入而日益暴露,從而使得燃素說(shuō)開(kāi)始陷入難以自拔的困境。1.2燃素廢氣的主要矛盾1755年英國(guó)化學(xué)家布萊克發(fā)現(xiàn)加熱白鎂氧(堿式碳酸鎂)或煅燒石灰石均能放出二氧化碳。這種氣體一般固定在固態(tài)物質(zhì)(如石灰石)中,稱謂“固定空氣”:石灰石生石灰+固定空氣。布萊克首次用定量方法,對(duì)二氧化碳性質(zhì)進(jìn)行研究,初步揭示了堿的苛性本質(zhì),并指出:石灰石的煅燒失重并轉(zhuǎn)變?yōu)榭列允?生石灰)以及蘇打(碳酸鹽,一種弱性堿)轉(zhuǎn)變?yōu)榭列詨A,都是由于失去或吸收酸性的“固定空氣”所引起的,而跟吸收不吸收、存在不存在燃素沒(méi)有絲毫關(guān)系。布萊克據(jù)此堅(jiān)決否認(rèn)了燃素說(shuō)的錯(cuò)誤觀點(diǎn),這對(duì)燃素理論是一次有力的沖擊。遺憾的是,他在眾多化學(xué)家中是極為少見(jiàn)的。1766年,英國(guó)化學(xué)家H·卡文迪許用稀硫酸或氫氧酸與鋅、鐵、錫作用制取氫氣(可燃空氣)并取得首次收集成功。當(dāng)時(shí),H·卡文迪許作出的解釋是:氫來(lái)自金屬,而不是來(lái)自酸,他稱之為“從金屬來(lái)的可燃空氣”即“金屬中的燃素”:可見(jiàn),在H·卡文迪許看來(lái),“可燃空氣”(氫氣)就是一種“燃素”。若將其充入氣球又能升入天空,似乎佐證了燃素具有“負(fù)重量”。但是,隨著對(duì)氫氣性質(zhì)的研究和空氣浮力的測(cè)定,這種燃素說(shuō)觀點(diǎn)又受到了沉重的打擊。面對(duì)新的實(shí)驗(yàn)事實(shí),燃素論者只能做出一次又一次的“修正”,但已無(wú)濟(jì)于事了。1.3熱氧化汞有關(guān)的氧給予燃素理論以致命性打擊的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)時(shí)刻終于來(lái)到了。那就是1771年至1773年,瑞典化學(xué)家舍勒用加熱硝酸鹽、1774年英國(guó)化學(xué)家普利斯特里用凸透鏡聚焦日光加熱氧化汞時(shí)分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了氧氣。但由于他們都深信燃素說(shuō),堅(jiān)持用燃素理論來(lái)解釋氧的存在與性質(zhì),分別稱所發(fā)現(xiàn)的氧是一種“火空氣”或“脫燃素空氣”。因此,這種能使化學(xué)發(fā)生革命的元素在他們手中并沒(méi)有結(jié)出碩果、揭示出燃燒的本質(zhì)。他們從歪曲的、片面的、錯(cuò)誤的前提出發(fā),循著錯(cuò)誤、彎曲、不可靠的途徑行走,因而在“真理碰到鼻尖上的時(shí)候,還是沒(méi)有得到真理。”盡管如此,氧的發(fā)現(xiàn)畢竟預(yù)示著,燃燒本質(zhì)的揭示和燃素說(shuō)的被否定已經(jīng)為期不遠(yuǎn)了;歷史終于等待到了具有“有準(zhǔn)備的頭腦”的化學(xué)家拉瓦錫的出現(xiàn)。2化學(xué)觀察與實(shí)驗(yàn)中的創(chuàng)造性思維訓(xùn)練與實(shí)踐一個(gè)化學(xué)家是否能在化學(xué)研究中有所發(fā)現(xiàn),有所創(chuàng)新,關(guān)鍵在于他是否具有深厚的創(chuàng)造力;這種創(chuàng)造力主要體現(xiàn)在他從事創(chuàng)造性思維活動(dòng)的素質(zhì)和能力上。所謂“有準(zhǔn)備的頭腦”,主要就是指這種素質(zhì)和能力。而善于捕捉在化學(xué)觀察與實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的機(jī)遇,更是化學(xué)家引導(dǎo)自身進(jìn)入創(chuàng)造性思維活動(dòng)境界的良好契機(jī)。循著這樣的分析思路,我們來(lái)具體考察一下拉瓦錫究竟是憑借怎樣素質(zhì)和能力,如何捕捉住機(jī)遇,突破燃素說(shuō)的重圍而開(kāi)創(chuàng)出以氧為中心的燃燒新理論。2.1拉瓦錫的定量方法是定量拉瓦錫有著扎實(shí)的數(shù)學(xué)和物理學(xué)功底,這賦于他的化學(xué)研究工作有系統(tǒng)的定量性特點(diǎn);他經(jīng)常使用天平,尤其在各個(gè)主要實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)上十分關(guān)注隨著化學(xué)變化而發(fā)生的物質(zhì)重量的變化。他認(rèn)為,如果輕視或忽視這個(gè)方面,就始終無(wú)法從理論上,揭示出包括燃燒過(guò)程在內(nèi)的所有化學(xué)過(guò)程的真相。誠(chéng)然,在拉瓦錫之前,已有化學(xué)家應(yīng)用天平進(jìn)行若干定量研究(例如波義耳、布萊克等)。但大多數(shù)的化學(xué)家只是把天平單純看作一種工具,在使用上具有隨意性。更沒(méi)有從定量方法對(duì)于化學(xué)過(guò)程研究的重要性高度去重視。而拉瓦錫卻不同,他立意甚高,認(rèn)為使用天平從事定量方法研究化學(xué)過(guò)程時(shí),必須假設(shè)物質(zhì)不滅原理或質(zhì)量守恒定律成立。拉瓦錫特別把這個(gè)定律陳述為:“由于人工的或天然的操作不能無(wú)中生有地創(chuàng)造任何東西,所以每一次操作中,操作前后存在的物質(zhì)總量相等,且其要素的質(zhì)與量保持不變,只是發(fā)生更換和變形,這可以看成為公理。做化學(xué)實(shí)驗(yàn)的全部技藝是基于這樣一個(gè)原理:我們必須假定被檢定物品的要素和其分解產(chǎn)物的要素精確相等?！崩咤a首先把這個(gè)“公理”或原理應(yīng)用于研究“水能否變成土”的問(wèn)題,并由此起步培育出他的獨(dú)特的定量方法。眾所周知,水和土本來(lái)是古希臘亞里士多德所說(shuō)的四元素中的兩種元素。在拉瓦錫時(shí)代,還有人相信這四種元素能夠相互轉(zhuǎn)變的觀點(diǎn)。他們看到把水加熱完全蒸發(fā)后會(huì)剩下一些土質(zhì)(固體物),就認(rèn)為這是“水變土”的一個(gè)證據(jù),當(dāng)向植物澆水而使其植根于土壤的枝干不斷生長(zhǎng)時(shí),就認(rèn)為這又是一個(gè)證據(jù)。拉瓦錫質(zhì)疑該種觀點(diǎn),從而開(kāi)始了定量研究。他先到巴黎的郊外,從盡可能遠(yuǎn)離住戶和森林的地方收集雨水。他認(rèn)為這是很純的水,對(duì)其經(jīng)過(guò)8次反復(fù)蒸餾純化后,再把水裝入一個(gè)叫做“鵜鶘蒸餾器”的玻璃容器中,密閉后加熱。如圖1所示,蒸餾時(shí)在頂端凝結(jié)的餾出物又回到瓶中的細(xì)管;該蒸餾器由于它很像一只鵜鶘鳥(niǎo)正在用嘴叼啄自己前胸羽毛的樣子,由此而命名。當(dāng)蒸餾器裝入水加熱時(shí),產(chǎn)生的水蒸氣在上部遇冷而凝結(jié)成水,又經(jīng)容器的頸部回流到下部;無(wú)論怎樣加熱,水蒸氣也不會(huì)散失。拉瓦錫從1768年10月24日開(kāi)始加熱該蒸餾器,日夜不息;連續(xù)加熱到第二年的2月1日歷經(jīng)101天,發(fā)現(xiàn)在容器底部積,存有白色固體物,其量與時(shí)俱增。然后,將整個(gè)容器冷卻并稱重,總重量并沒(méi)有改變。這就使拉瓦錫明確認(rèn)識(shí)到:在加熱過(guò)程中,既未從容器外進(jìn)入任何物質(zhì),也未從容器內(nèi)逸出什么物質(zhì)。繼續(xù)實(shí)驗(yàn),他把水倒出,烤干再稱重;當(dāng)稱量鵜鶘器時(shí),發(fā)現(xiàn)它的重量略有減少,而水的比重則略有增加。由此設(shè)想,這是由于玻璃容器的一部分溶于水中;在把水完全蒸干后,果然發(fā)現(xiàn)有些殘存的固體物質(zhì),把它和先前在鵜鶘器底積存的固體物質(zhì)合在一起,其重量幾乎恰好等于鵜鶘器所減少的重量。據(jù)此,拉瓦錫判斷:并不是水本身變成了固體物質(zhì),而是由于水在長(zhǎng)時(shí)間加熱的過(guò)程中溶解了玻璃容器的一部分,并以固體的形式呈現(xiàn)。故所謂“土”是來(lái)自玻璃,而不是從水本身變來(lái)。以上就是拉瓦錫定量方法的發(fā)端。他在研究中對(duì)于極小的微量變化不疏忽,盡可能做到細(xì)致和精密。這就破除了歷來(lái)重定性輕定量的研究方法的模式,孕育出了富有特色的系統(tǒng)定量方法。2.2拉瓦錫的實(shí)驗(yàn)從1772年開(kāi)始,拉瓦錫把自己開(kāi)創(chuàng)的這種系統(tǒng)定量研究方法,應(yīng)用在他畢生所從事的重大研究即燃燒理論研究的實(shí)驗(yàn)上,并運(yùn)用創(chuàng)造性的理論思維,捕捉在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的機(jī)會(huì),尋找突破燃素說(shuō)的方向與途徑。拉瓦錫不是一個(gè)杰出的化學(xué)發(fā)現(xiàn)家,但他對(duì)實(shí)驗(yàn)中的意外發(fā)現(xiàn)或新事實(shí)卻有杰出的悟性。這就是一種創(chuàng)造性的理論思維能力,在拉瓦錫身上具體體現(xiàn)為:尊重化學(xué)觀察和實(shí)驗(yàn)所得到的科學(xué)事實(shí),善于透過(guò)燃燒現(xiàn)象,抓住燃燒的內(nèi)在本質(zhì);在科學(xué)思想上敢于反對(duì)舊的傳統(tǒng)觀念,批判地審視曾經(jīng)統(tǒng)治化學(xué)達(dá)百年之久的燃素說(shuō)。拉瓦錫堅(jiān)決主張:“假如有燃素這樣的東西,我們就要把它提出來(lái)看看;假如的確有的話,在我的天平上就一定能察覺(jué)出來(lái)。”正是這種系統(tǒng)的定量方法和創(chuàng)造性理論思維的結(jié)合,才使得拉瓦錫終于突破燃素說(shuō)的束縛,得到了科學(xué)真理。拉瓦錫清醒地意識(shí)到,為了完成這一使命,所需要的豐富事實(shí)已經(jīng)或陸續(xù)在被發(fā)現(xiàn)和積累。他的任務(wù)是,把這些實(shí)驗(yàn)事實(shí)再做進(jìn)一步的準(zhǔn)確和精密測(cè)定,即對(duì)各種化學(xué)變化中所伴隨的物質(zhì)量的變化,進(jìn)行細(xì)致的測(cè)定和考察。首先,他在觀察中始終把握住一個(gè)事實(shí):物質(zhì)在燃燒時(shí)一定會(huì)伴隨有重量的增加,無(wú)論是錫或鉛等金屬煅燒,還是磷、硫等非金屬燃燒。1772年11月1日,拉瓦錫發(fā)表了關(guān)于燃燒的首篇論文,其要點(diǎn)是,由燃燒而引起的重量增加,并不限于錫或鉛等金屬,硫燃燒時(shí)如此,磷燃燒時(shí)也相同。雖然它們的燃燒產(chǎn)物是氣體或粉末,會(huì)散失在空氣中。然而,如果在實(shí)驗(yàn)中不讓它們散失的話,則可探測(cè)到其重量的必然增加。這種物質(zhì)燃燒后重量增加的現(xiàn)象,正在成為極為普遍的實(shí)驗(yàn)事實(shí)。這些結(jié)論對(duì)燃素理論來(lái)說(shuō)是種反常或危機(jī),而對(duì)新的燃燒理論的孕育來(lái)說(shuō)則是個(gè)機(jī)會(huì)。拉瓦錫正在尋找這種機(jī)會(huì),他把尋找機(jī)會(huì)的目標(biāo)鎖定在對(duì)金屬煅燒的實(shí)驗(yàn)研究上。研究的任務(wù)是要找出“重量增加”的原因究竟是什么?1774年4月14日,拉瓦錫呈送給巴黎科學(xué)院又一篇關(guān)于燃燒研究的論文。文中描述在密封的曲頸甑中焙燒一定量的錫或鉛的實(shí)驗(yàn)。經(jīng)對(duì)焙燒前、后的稱量,發(fā)現(xiàn)重量沒(méi)有變化,只是觀察到錫或鉛焙燒溶化后,失去金屬光澤而變成黑色煅渣(或灰渣)。據(jù)此,拉瓦錫判斷:波義耳過(guò)去對(duì)金屬燃燒實(shí)驗(yàn)的結(jié)論,即認(rèn)為火微粒穿過(guò)器壁和金屬相化合的觀點(diǎn)是明顯錯(cuò)誤的。拉瓦錫還發(fā)現(xiàn):當(dāng)打開(kāi)曲頸甑的瓶口蓋后,就有一股空氣流入而使整體的重量增加;而且,增加的量恰好同錫或鉛所增加的重量相等。對(duì)此,拉瓦錫推想:所增加重量等于與金屬化合的空氣的重量。這就是說(shuō),物質(zhì)燃燒后重量增加的原因是由于空氣的一部分同該物質(zhì)結(jié)合造成的;物質(zhì)燃燒并不是“燃素”的作用,而是一部分空氣被吸收了,而在物質(zhì)還原時(shí)這部分空氣又釋放出來(lái)。而要證實(shí)這個(gè)符合邏輯的推想,并要使其成為科學(xué)結(jié)論,那必須設(shè)法從金屬煅渣中直接分解出這部分空氣,進(jìn)而闡明所謂的空氣是什么物質(zhì)?然而,開(kāi)始時(shí)拉瓦錫在這方面并沒(méi)有取得成功。就在這困難而又關(guān)鍵的時(shí)刻,一個(gè)歷史性的機(jī)遇來(lái)到了拉瓦錫身邊。1774年10月,英國(guó)化學(xué)家普利斯特里考察旅游到了巴黎并拜訪了拉瓦錫。那是來(lái)者發(fā)現(xiàn)氧氣(或脫燃素空氣)的那一年的秋天。拉瓦錫熱情地會(huì)見(jiàn)了普利斯特里,并詳細(xì)聽(tīng)取了客人敘述的關(guān)于氧發(fā)現(xiàn)始末、實(shí)驗(yàn)方法和氧氣的驚人性質(zhì)等。拉瓦錫在震驚之余深受啟迪:這種氣體正是自己苦苦尋找的氣體。于是,他隨即抓住時(shí)機(jī)重復(fù)并驗(yàn)證普利斯特里的實(shí)驗(yàn)。1774年11月,拉瓦錫試做普利斯特里用凸透鏡聚焦日光加熱紅色沉淀物(氧化汞)的實(shí)驗(yàn)。又在1775年2月和3月,重復(fù)并改進(jìn)了此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。拉瓦錫不僅把普利斯特里的實(shí)驗(yàn)工作及其成果傳承下來(lái),而且用自己精密細(xì)致的定量實(shí)驗(yàn)予以補(bǔ)充和加強(qiáng)。1777年,在給巴黎科學(xué)院呈送的論文《燃燒概論》中,拉瓦錫描述了這一著名實(shí)驗(yàn)(圖2)。他在曲頸甑中加入定量的水銀,曲頸甑與鐘罩內(nèi)水銀面上的空氣相通,空氣的總體積已被測(cè)定。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間,他注意到在水銀面上生成燒渣的紅色鱗斑(氧化汞)。12天后,鱗斑不再增加,把火撤去停止試驗(yàn)。經(jīng)測(cè)定,空氣體積縮減,剩下的氣體是“有臭味的空氣”(最初稱作“大氣的碳?xì)狻?后被命名為氮)。又把水銀燒渣的紅色鱗斑收集在一起,稱量后轉(zhuǎn)移到一個(gè)小曲頸甑中加熱,最終得到一定量的汞和一定體積的“脫燃素空氣”。拉瓦錫指出,這是“一種彈性流體(氣體),比一般空氣更適合于呼吸和助燃”,稱之謂“純粹空氣”(后被命名為氧)。拉瓦錫明確指出,若將這種“純粹空氣”(氧)加到“大氣的碳?xì)狻?氮)中就組成了一般的空氣。至此,拉瓦錫得出結(jié)論:從金屬煅渣中分解出的這部分空氣就是氧氣,而金屬煅燒變成煅渣或可燃物質(zhì)燃燒根本不是什么燃素的釋放,而是與氧化合的反應(yīng)結(jié)果。在拉瓦錫的天平上根本不存在“燃素”!2.3拉瓦錫的化學(xué)變革和發(fā)展被拉瓦錫抓住的歷史性機(jī)遇,終于開(kāi)花結(jié)果了,1777年9月5日,他發(fā)出了一篇全面推翻燃素說(shuō)的戰(zhàn)斗檄文《燃燒概論》,其中提出了他的新燃燒理論,其要點(diǎn)如下:(1)燃燒時(shí),均有熱或光放出;(2)物體只能在純粹空氣中燃燒;(3)燃燒物體重量的增加精確等于它所吸收的部分空氣(被破壞或分解了的純粹空氣)的重量;(4)已燃燒物體由于加上使其重量增加的物質(zhì)而變成酸,故純粹空氣可稱謂“成酸元素”。(5)純粹空氣是熱質(zhì)或光和一個(gè)基的結(jié)合物,其內(nèi)部存在著一種吸引與排拆力的平衡,物體燃燒使其失衡,熱質(zhì)釋放出來(lái),表現(xiàn)為火焰、熱和光。(關(guān)于熱質(zhì)、光和基等概念的認(rèn)識(shí)還有待深化—編者注)至此,拉瓦錫建立起了以氧為中心的燃燒理論。應(yīng)該指出,拉瓦錫沒(méi)有發(fā)現(xiàn)氧,是舍勒和普利斯特里各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了氧。但拉瓦錫卻是認(rèn)識(shí)和理解這個(gè)發(fā)現(xiàn)的意義及其影響的第一個(gè)化學(xué)家。他認(rèn)識(shí)氧作為一個(gè)元素的真正本性,并通過(guò)精巧的系統(tǒng)的定量實(shí)驗(yàn)和嚴(yán)格的合乎邏輯的步驟,建立起了關(guān)于燃燒的科學(xué)理論—氧化說(shuō)。值得引起關(guān)注的是,拉瓦錫的燃燒氧化說(shuō)還推動(dòng)了化學(xué)領(lǐng)域的一系列變革,從而引發(fā)了一場(chǎng)全面的化學(xué)革命。變革之一是,對(duì)于元素觀念的更新。過(guò)去認(rèn)為,錫、鐵、鉛、汞等所有金屬是由燃素和煅渣構(gòu)成的化合物?，F(xiàn)在則把顛倒了的原形與映象的關(guān)系再顛倒了過(guò)來(lái)。煅渣是金屬和氧結(jié)合的化合物,而金屬才是元素;同樣,氫不是燃素(可燃空氣),它能和氧化合成水,是一種“成水的元素”,水才是真正的化合物?？傊?在拉瓦錫看來(lái),用任何方法都未能分解的物質(zhì)就是元素。這樣就明確了元素和化合物的區(qū)別。作為元素,當(dāng)時(shí)已確定有33種(其中也包括了所謂“光素”和“熱素”,這是時(shí)代的局限所致)。拉瓦錫還專門(mén)制訂了第一張?jiān)乇?復(fù)制在1789年出版的專著《化學(xué)綱要》中。拉瓦錫還把化學(xué)元素劃分為單質(zhì)元素、成酸元素、金屬元素和土類元素等四類。變革之二是,化合物系統(tǒng)命名法的產(chǎn)生。隨著元素和化合物的區(qū)分,化學(xué)家們有可能對(duì)現(xiàn)有的化合物進(jìn)行分類和命名,進(jìn)而使得對(duì)化合物能加以歸納和整理而系統(tǒng)化。1787年,拉瓦錫和貝爾托萊等三位接受氧化說(shuō)觀點(diǎn)的化學(xué)家,一起發(fā)表了《化學(xué)命名法》,對(duì)酸類、氧化物和鹽類加以科學(xué)的區(qū)分,以求把化學(xué)物質(zhì)的命名改變得與新的燃燒理論相適應(yīng)。這種規(guī)范化了的化學(xué)語(yǔ)言,促進(jìn)了氧化說(shuō)的廣泛傳播,