化学革命中的固定空气拉瓦锡的化学革命

化学革命中的固定空气拉瓦锡的化学革命

著名的格言是“机遇只是等待准备的头脑”（berhi：科学研究艺术），这是我们理解和分析法国化工厂在化学革命中的作用和原因的最佳切入点。1燃素理论的机遇生活在十八世纪中后期的拉瓦锡(AntoineLaurentLavoisier1743-1794),他所面临的化学领域正在经历着新的实验事实和旧的理论观点相互冲突的一场持久战。一个又一个化学实验的新发现冲击着传统的燃素理论,迫使它必须作出合乎科学的解释,但陈旧的燃素说一次又一次地陷入困境,不能自圆其说。是将新事实纳入旧的规范,还是破除旧的理论束缚去开创新的理论领域?这个两难的选题已越来越明显地摆在化学家的面前,迫使每个有作为的化学家必须对此作出明智的抉择——这就是一种机遇。这种机遇,对于燃素理论来说是种危机,而对于新兴的燃烧理论来说,则蕴含着机会。这种机会的具体表现有以下三种情况:1.1燃烧金属的事实金属煅烧是当时化学家普遍关注的燃烧现象。依照燃素说的观点“金属煅烧是失去燃素”,按理该是失重。但随着天平的广泛使用,人们发现越来越普遍的事实是金属煅烧后重量增加了。燃素说信奉者面对这类事实不但没有在波义耳研究工作的基础上前进一步,反而大大后退了。在前文中我们提及波义耳认为:金属煅烧后增重是由于燃料中散发出来的火微粒穿透容器壁钻进金属并与之结合的缘故。而燃素论者则无根据地猜想:燃素还具有“负重量”,它不能被地球吸引反而被排斥,故金属失去燃素后会增重。这种猜想纯属杜撰,显然是反科学的。因为它把本是元素的金属看成是燃素和煅渣组成的“化合物”,而把应是化合物的煅渣却当成了“元素”。这样就把真实关系颠倒了,映像被当作了原形。这个严重的缺陷随着实践的深入而日益暴露,从而使得燃素说开始陷入难以自拔的困境。1.2燃素废气的主要矛盾1755年英国化学家布莱克发现加热白镁氧(碱式碳酸镁)或煅烧石灰石均能放出二氧化碳。这种气体一般固定在固态物质(如石灰石)中,称谓“固定空气”:石灰石生石灰+固定空气。布莱克首次用定量方法,对二氧化碳性质进行研究,初步揭示了碱的苛性本质,并指出:石灰石的煅烧失重并转变为苛性石灰(生石灰)以及苏打(碳酸盐,一种弱性碱)转变为苛性碱,都是由于失去或吸收酸性的“固定空气”所引起的,而跟吸收不吸收、存在不存在燃素没有丝毫关系。布莱克据此坚决否认了燃素说的错误观点,这对燃素理论是一次有力的冲击。遗憾的是,他在众多化学家中是极为少见的。1766年,英国化学家H·卡文迪许用稀硫酸或氢氧酸与锌、铁、锡作用制取氢气(可燃空气)并取得首次收集成功。当时,H·卡文迪许作出的解释是:氢来自金属,而不是来自酸,他称之为“从金属来的可燃空气”即“金属中的燃素”:可见,在H·卡文迪许看来,“可燃空气”(氢气)就是一种“燃素”。若将其充入气球又能升入天空,似乎佐证了燃素具有“负重量”。但是,随着对氢气性质的研究和空气浮力的测定,这种燃素说观点又受到了沉重的打击。面对新的实验事实,燃素论者只能做出一次又一次的“修正”,但已无济于事了。1.3热氧化汞有关的氧给予燃素理论以致命性打击的实验发现时刻终于来到了。那就是1771年至1773年,瑞典化学家舍勒用加热硝酸盐、1774年英国化学家普利斯特里用凸透镜聚焦日光加热氧化汞时分别独立发现了氧气。但由于他们都深信燃素说,坚持用燃素理论来解释氧的存在与性质,分别称所发现的氧是一种“火空气”或“脱燃素空气”。因此,这种能使化学发生革命的元素在他们手中并没有结出硕果、揭示出燃烧的本质。他们从歪曲的、片面的、错误的前提出发,循着错误、弯曲、不可靠的途径行走,因而在“真理碰到鼻尖上的时候,还是没有得到真理。”尽管如此,氧的发现毕竟预示着,燃烧本质的揭示和燃素说的被否定已经为期不远了;历史终于等待到了具有“有准备的头脑”的化学家拉瓦锡的出现。2化学观察与实验中的创造性思维训练与实践一个化学家是否能在化学研究中有所发现,有所创新,关键在于他是否具有深厚的创造力;这种创造力主要体现在他从事创造性思维活动的素质和能力上。所谓“有准备的头脑”,主要就是指这种素质和能力。而善于捕捉在化学观察与实验中出现的机遇,更是化学家引导自身进入创造性思维活动境界的良好契机。循着这样的分析思路,我们来具体考察一下拉瓦锡究竟是凭借怎样素质和能力,如何捕捉住机遇,突破燃素说的重围而开创出以氧为中心的燃烧新理论。2.1拉瓦锡的定量方法是定量拉瓦锡有着扎实的数学和物理学功底,这赋于他的化学研究工作有系统的定量性特点;他经常使用天平,尤其在各个主要实验环节上十分关注随着化学变化而发生的物质重量的变化。他认为,如果轻视或忽视这个方面,就始终无法从理论上,揭示出包括燃烧过程在内的所有化学过程的真相。诚然,在拉瓦锡之前,已有化学家应用天平进行若干定量研究(例如波义耳、布莱克等)。但大多数的化学家只是把天平单纯看作一种工具,在使用上具有随意性。更没有从定量方法对于化学过程研究的重要性高度去重视。而拉瓦锡却不同,他立意甚高,认为使用天平从事定量方法研究化学过程时,必须假设物质不灭原理或质量守恒定律成立。拉瓦锡特别把这个定律陈述为:“由于人工的或天然的操作不能无中生有地创造任何东西,所以每一次操作中,操作前后存在的物质总量相等,且其要素的质与量保持不变,只是发生更换和变形,这可以看成为公理。做化学实验的全部技艺是基于这样一个原理:我们必须假定被检定物品的要素和其分解产物的要素精确相等。”拉瓦锡首先把这个“公理”或原理应用于研究“水能否变成土”的问题,并由此起步培育出他的独特的定量方法。众所周知,水和土本来是古希腊亚里士多德所说的四元素中的两种元素。在拉瓦锡时代,还有人相信这四种元素能够相互转变的观点。他们看到把水加热完全蒸发后会剩下一些土质(固体物),就认为这是“水变土”的一个证据,当向植物浇水而使其植根于土壤的枝干不断生长时,就认为这又是一个证据。拉瓦锡质疑该种观点,从而开始了定量研究。他先到巴黎的郊外,从尽可能远离住户和森林的地方收集雨水。他认为这是很纯的水,对其经过8次反复蒸馏纯化后,再把水装入一个叫做“鹈鹕蒸馏器”的玻璃容器中,密闭后加热。如图1所示,蒸馏时在顶端凝结的馏出物又回到瓶中的细管;该蒸馏器由于它很像一只鹈鹕鸟正在用嘴叼啄自己前胸羽毛的样子,由此而命名。当蒸馏器装入水加热时,产生的水蒸气在上部遇冷而凝结成水,又经容器的颈部回流到下部;无论怎样加热,水蒸气也不会散失。拉瓦锡从1768年10月24日开始加热该蒸馏器,日夜不息;连续加热到第二年的2月1日历经101天,发现在容器底部积,存有白色固体物,其量与时俱增。然后,将整个容器冷却并称重,总重量并没有改变。这就使拉瓦锡明确认识到:在加热过程中,既未从容器外进入任何物质,也未从容器内逸出什么物质。继续实验,他把水倒出,烤干再称重;当称量鹈鹕器时,发现它的重量略有减少,而水的比重则略有增加。由此设想,这是由于玻璃容器的一部分溶于水中;在把水完全蒸干后,果然发现有些残存的固体物质,把它和先前在鹈鹕器底积存的固体物质合在一起,其重量几乎恰好等于鹈鹕器所减少的重量。据此,拉瓦锡判断:并不是水本身变成了固体物质,而是由于水在长时间加热的过程中溶解了玻璃容器的一部分,并以固体的形式呈现。故所谓“土”是来自玻璃,而不是从水本身变来。以上就是拉瓦锡定量方法的发端。他在研究中对于极小的微量变化不疏忽,尽可能做到细致和精密。这就破除了历来重定性轻定量的研究方法的模式,孕育出了富有特色的系统定量方法。2.2拉瓦锡的实验从1772年开始,拉瓦锡把自己开创的这种系统定量研究方法,应用在他毕生所从事的重大研究即燃烧理论研究的实验上,并运用创造性的理论思维,捕捉在实验中出现的机会,寻找突破燃素说的方向与途径。拉瓦锡不是一个杰出的化学发现家,但他对实验中的意外发现或新事实却有杰出的悟性。这就是一种创造性的理论思维能力,在拉瓦锡身上具体体现为:尊重化学观察和实验所得到的科学事实,善于透过燃烧现象,抓住燃烧的内在本质;在科学思想上敢于反对旧的传统观念,批判地审视曾经统治化学达百年之久的燃素说。拉瓦锡坚决主张:“假如有燃素这样的东西,我们就要把它提出来看看;假如的确有的话,在我的天平上就一定能察觉出来。”正是这种系统的定量方法和创造性理论思维的结合,才使得拉瓦锡终于突破燃素说的束缚,得到了科学真理。拉瓦锡清醒地意识到,为了完成这一使命,所需要的丰富事实已经或陆续在被发现和积累。他的任务是,把这些实验事实再做进一步的准确和精密测定,即对各种化学变化中所伴随的物质量的变化,进行细致的测定和考察。首先,他在观察中始终把握住一个事实:物质在燃烧时一定会伴随有重量的增加,无论是锡或铅等金属煅烧,还是磷、硫等非金属燃烧。1772年11月1日,拉瓦锡发表了关于燃烧的首篇论文,其要点是,由燃烧而引起的重量增加,并不限于锡或铅等金属,硫燃烧时如此,磷燃烧时也相同。虽然它们的燃烧产物是气体或粉末,会散失在空气中。然而,如果在实验中不让它们散失的话,则可探测到其重量的必然增加。这种物质燃烧后重量增加的现象,正在成为极为普遍的实验事实。这些结论对燃素理论来说是种反常或危机,而对新的燃烧理论的孕育来说则是个机会。拉瓦锡正在寻找这种机会,他把寻找机会的目标锁定在对金属煅烧的实验研究上。研究的任务是要找出“重量增加”的原因究竟是什么?1774年4月14日,拉瓦锡呈送给巴黎科学院又一篇关于燃烧研究的论文。文中描述在密封的曲颈甑中焙烧一定量的锡或铅的实验。经对焙烧前、后的称量,发现重量没有变化,只是观察到锡或铅焙烧溶化后,失去金属光泽而变成黑色煅渣(或灰渣)。据此,拉瓦锡判断:波义耳过去对金属燃烧实验的结论,即认为火微粒穿过器壁和金属相化合的观点是明显错误的。拉瓦锡还发现:当打开曲颈甑的瓶口盖后,就有一股空气流入而使整体的重量增加;而且,增加的量恰好同锡或铅所增加的重量相等。对此,拉瓦锡推想:所增加重量等于与金属化合的空气的重量。这就是说,物质燃烧后重量增加的原因是由于空气的一部分同该物质结合造成的;物质燃烧并不是“燃素”的作用,而是一部分空气被吸收了,而在物质还原时这部分空气又释放出来。而要证实这个符合逻辑的推想,并要使其成为科学结论,那必须设法从金属煅渣中直接分解出这部分空气,进而阐明所谓的空气是什么物质?然而,开始时拉瓦锡在这方面并没有取得成功。就在这困难而又关键的时刻,一个历史性的机遇来到了拉瓦锡身边。1774年10月,英国化学家普利斯特里考察旅游到了巴黎并拜访了拉瓦锡。那是来者发现氧气(或脱燃素空气)的那一年的秋天。拉瓦锡热情地会见了普利斯特里,并详细听取了客人叙述的关于氧发现始末、实验方法和氧气的惊人性质等。拉瓦锡在震惊之余深受启迪:这种气体正是自己苦苦寻找的气体。于是,他随即抓住时机重复并验证普利斯特里的实验。1774年11月,拉瓦锡试做普利斯特里用凸透镜聚焦日光加热红色沉淀物(氧化汞)的实验。又在1775年2月和3月,重复并改进了此项实验。拉瓦锡不仅把普利斯特里的实验工作及其成果传承下来,而且用自己精密细致的定量实验予以补充和加强。1777年,在给巴黎科学院呈送的论文《燃烧概论》中,拉瓦锡描述了这一著名实验(图2)。他在曲颈甑中加入定量的水银,曲颈甑与钟罩内水银面上的空气相通,空气的总体积已被测定。经过一段时间,他注意到在水银面上生成烧渣的红色鳞斑(氧化汞)。12天后,鳞斑不再增加,把火撤去停止试验。经测定,空气体积缩减,剩下的气体是“有臭味的空气”(最初称作“大气的碳气”,后被命名为氮)。又把水银烧渣的红色鳞斑收集在一起,称量后转移到一个小曲颈甑中加热,最终得到一定量的汞和一定体积的“脱燃素空气”。拉瓦锡指出,这是“一种弹性流体(气体),比一般空气更适合于呼吸和助燃”,称之谓“纯粹空气”(后被命名为氧)。拉瓦锡明确指出,若将这种“纯粹空气”(氧)加到“大气的碳气”(氮)中就组成了一般的空气。至此,拉瓦锡得出结论:从金属煅渣中分解出的这部分空气就是氧气,而金属煅烧变成煅渣或可燃物质燃烧根本不是什么燃素的释放,而是与氧化合的反应结果。在拉瓦锡的天平上根本不存在“燃素”!2.3拉瓦锡的化学变革和发展被拉瓦锡抓住的历史性机遇,终于开花结果了,1777年9月5日,他发出了一篇全面推翻燃素说的战斗檄文《燃烧概论》,其中提出了他的新燃烧理论,其要点如下:(1)燃烧时,均有热或光放出;(2)物体只能在纯粹空气中燃烧;(3)燃烧物体重量的增加精确等于它所吸收的部分空气(被破坏或分解了的纯粹空气)的重量;(4)已燃烧物体由于加上使其重量增加的物质而变成酸,故纯粹空气可称谓“成酸元素”。(5)纯粹空气是热质或光和一个基的结合物,其内部存在着一种吸引与排拆力的平衡,物体燃烧使其失衡,热质释放出来,表现为火焰、热和光。(关于热质、光和基等概念的认识还有待深化—编者注)至此,拉瓦锡建立起了以氧为中心的燃烧理论。应该指出,拉瓦锡没有发现氧,是舍勒和普利斯特里各自独立发现了氧。但拉瓦锡却是认识和理解这个发现的意义及其影响的第一个化学家。他认识氧作为一个元素的真正本性,并通过精巧的系统的定量实验和严格的合乎逻辑的步骤,建立起了关于燃烧的科学理论—氧化说。值得引起关注的是,拉瓦锡的燃烧氧化说还推动了化学领域的一系列变革,从而引发了一场全面的化学革命。变革之一是,对于元素观念的更新。过去认为,锡、铁、铅、汞等所有金属是由燃素和煅渣构成的化合物。现在则把颠倒了的原形与映象的关系再颠倒了过来。煅渣是金属和氧结合的化合物,而金属才是元素;同样,氢不是燃素(可燃空气),它能和氧化合成水,是一种“成水的元素”,水才是真正的化合物。总之,在拉瓦锡看来,用任何方法都未能分解的物质就是元素。这样就明确了元素和化合物的区别。作为元素,当时已确定有33种(其中也包括了所谓“光素”和“热素”,这是时代的局限所致)。拉瓦锡还专门制订了第一张元素表,复制在1789年出版的专著《化学纲要》中。拉瓦锡还把化学元素划分为单质元素、成酸元素、金属元素和土类元素等四类。变革之二是,化合物系统命名法的产生。随着元素和化合物的区分,化学家们有可能对现有的化合物进行分类和命名,进而使得对化合物能加以归纳和整理而系统化。1787年,拉瓦锡和贝尔托莱等三位接受氧化说观点的化学家,一起发表了《化学命名法》,对酸类、氧化物和盐类加以科学的区分,以求把化学物质的命名改变得与新的燃烧理论相适应。这种规范化了的化学语言,促进了氧化说的广泛传播,