从燃素说到氧化说

从燃素说到氧化说——18世纪的化学革命2021/6/271古人对燃烧现象的关注古希腊的“四元素说”：水、火、土、气赫拉克利特：“火为世界本原”中国的“五行学说”在古人看来，火是一切事物中最积极、最活跃、最容易变化的东西2021/6/272对燃烧现象的初步解释“只有在对空气和水的理解上找到一个满意的起点，化学才能建立起真正的根基。为此，必须要有关于‘气体’存在和燃烧的一种更为合适的思想”。13世纪，随着欧洲工业的进步，对燃烧现象的解释越来越感兴趣。15世纪，达·芬奇注意到：

若没有新鲜空气不断补充，燃烧就无法持续。1607年，法国医生JeanRay听说有人在坩埚中煅烧金属锡后增重，他将之解释为“空气凝结在灰烬中”。从波义耳和胡克开始，大量的研究集中于燃烧、煅烧和呼吸等相互联系的过程。2021/6/273波义耳和胡克的实验1660年，波义耳和胡克进行了真正的燃烧化学实验：

木炭、硫磺在抽尽空气的器皿中不能燃烧，但与硝石混合后猛烈燃烧（黑火药）。结论：燃烧依赖于空气和硝石中的某种共同成分。1611年，波义耳在《怀疑派化学家》中指出：

火微粒可以穿透玻璃器皿与金属相结合生成新物质（没有把两项实验现象联系起来）1673年，波义耳仔细地做了多种金属的煅烧实验，甚至改用了封闭的曲颈甑，结果仍是增重。得出公式：金属+火微粒=金属煅灰2021/6/274波义耳和胡克的实验波义耳的解释深受当时流行的用微粒说和机械力解释一切现象的观念(重力、浮力、电触力，光素、热素、电素)胡克1665-1667年对蜡烛火焰作了研究，提出新见解：

可燃物在受热时，其中油质的“硫素”变成稀薄的、蒸气状或烟雾状的物质扩散出来，与空气接触发生溶解作用，同时产生大量溶解热，于是产生火焰。

空气之所以能成为“硫素”的良好溶剂，是因为其中包含一种固有的成分，这种成分在硝石中也存在。胡克未能通过实验得到这种空气和硝石中共有的成分。2021/6/275Mayow的实验英国人JohnMayow1674年做了精细的燃烧和呼吸实验：

密闭容器中的蜡烛熄灭后，仍有大量空气，小鼠在剩下的空气中不能活。

火药在水下也可以爆燃。

锑的煅灰与锑经过硝酸处理后的产物是同一物质。于是得出结论：空气中含有“硝气精”，是燃烧和呼吸必须的，在这些过程中“硝气精”被夺走。

可燃物中有“硫素粒子”，加热燃烧时散发出来，与“硝气精”粒子猛烈撞击而发热发光。

呼吸相当于血液中的“硫素”缓和燃烧；硝气精存在于硝石中，硝石转变为硝酸后，硝气精粒子转移到酸中；硫磺燃烧后生成的硫酸是硫磺和硝气精粒子结合的产物。2021/6/276Becher的观点1667年，德国化学家Becher对燃烧问题作了比较系统的论述：构成万物的初始元素是空气、水和土质。土质分三种：

“石土”（固定性）

“汞土”（流动、挥发）

“油土”（可燃）物体燃烧时，“油土”被烧掉，剩下“石土”和“汞土”。可煅烧变质的金属中也含有“油土”。2021/6/277Stahl提出燃素说1723年，德国医学与药理学教授Stahl出版了《化学基础》，在Becher的基础上提出了一种解释燃烧现象的完整、系统的学说——燃素说：可燃的要素是一种气态物质，存在于一切可燃物中，可称之为“燃素”。燃烧中燃素从可燃物中飞散出来，与空气结合，发光发热（燃素是火的原质和要素，而不是火本身）。燃烧后剩下的灰烬是去除燃素的物质：

金属-燃素=金属煅灰燃烧需要空气是因为加热时燃素不能自动飞散，而必须借助空气来吸收，“上等空气”会更强有力地吸收燃素。用燃素说几乎可以解释当时一切相关的化学变化，因此在18世纪中叶已成为当时的正统理论。2021/6/278纯净的燃素无法得到Stahl及其支持者做了很多努力，但始终也未能得到纯净的燃素，因此对燃素的重量和形态无法进行明确的说明。燃素说支持者辩解：

燃素游离出来后便立即与空气

牢固地结合，很难再离析出来。

只有植物才能吸收空气中的燃

素，动物则通过摄取植物而摄

取燃素。2021/6/279燃素说的缺陷燃素说把大量的事实联系在一起，组成了一个首尾一贯、条理井然的学说，并提出了很多新的实验。很快在当时成为最为权威的理论。但燃素说有一个最大的、很难自圆其说的缺陷：燃素的重量属性存在无法回避的矛盾对于金属煅烧后增重的解释十分牵强：

燃素可能为负重？

类似灵魂为负重？

燃素有不同类型？2021/6/2710Scheele的“火空气”1772年，瑞典化学家Scheele通过实验确认“劣质空气”和“火空气”各是空气的一个组成部分。火空气与燃素结合，变成“热质”发散出来：

热质（火空气+燃素）+硝酸—→

红色烟（硝酸+燃素）+火空气他用精细的实验（在曲颈甑中加热硝酸盐）分离出了比较纯净的“火空气”。2021/6/2711脱燃素空气英国科学家Priestley早在1771年就发现加热硝石能产生气体，但未加注意。1774年，他加热汞灰，又产生气体，而且发现蜡烛在这种气体中火焰耀眼，红热的木炭火花四射，而且人吸入这种气体非常舒适。后来他又发现加热铅丹也能产生类似的气体。他认为这是“脱燃素空气”：

寻常的空气吸收了很多燃素，所以助燃能力差；这种空气燃素含量极少，所以吸收燃素的能力更强。

煅烧金属时，金属可以把这种空气从大气中分离出来并加以吸收。2021/6/2712对燃素说的质疑到18世纪中叶，尽管燃素说仍然统治了整个化学界，但一直有科学家对之质疑或明确持批判态度。早在1740年，俄国人罗蒙诺索夫在封闭玻璃甑中煅烧金属，他认为反应产物增重是由于从瓶内空气中摄取了某些物质，而不是燃素的逸去。由于俄国科学家当时远离西方科学的中心，西方科学界没注意到他的论述。1755年，英国化学家Black发现石灰石煅烧后重量减少，并有气体产生，气体与石灰水作用生成的白色沉淀性质与石灰石一样。于是他认为这种气体是固定在石灰石中的，经煅烧后逸出，将之命名为“固定空气”。由于这个煅烧过程完全不需要燃素参与，所以他强烈质疑燃素说。1775年，法国化学家Bayen发现对汞长时间加热后的产物再加强热，重量会减少；而且并没有加入任何含燃素的物质，它就转变成了汞，同时放出气体。2021/6/271318世纪化学革命的主将拉瓦锡拉瓦锡（Antoine-LaurentdeLavoisier，1743-1794）出生在一个富有的律师家庭。家

人要他当律师，但他本人却对自

然科学更感兴趣。1761年进入巴黎大学法学院学习，

获得律师资格。课余时间继续学

习自然科学，从鲁埃尔那里接受

了系统的化学教育和对燃素说的怀疑。1764年至1767年作为地理学家盖塔的助手，进行采集法国矿产、绘制法国地图的工作。1766年获得法国皇家科学院组织的城市街道照明设计方案竞赛金质奖。2021/6/2714拉瓦锡被送上断头台1775年移居阿森纳尔，用父亲和姨妈的遗产建造了很好的实验室，进行了15年的研究工作。1789年法国大革命爆发，研究中断。1792年，国民议会取消包税制。1793年下令逮捕所有的包税官，拉瓦锡自首。马拉诬陷拉瓦锡与敌人往来，犯有叛国罪。1794年5月8日被送上断头台。拉格朗日：你们可以一瞬间砍下他的头，但这样的头脑一百年也许都长不出一个来。2021/6/2715注重定量实验拉瓦锡特别注重定量研究，善于提出自洽的理论解释。1772年，他进行了金刚石加热实验：

金刚石在用水密封的钟罩内加热，罩内空气减少，金刚石重量也减少；用澄清石灰水检验密封用水，出现白色沉淀——与木炭燃烧后的结果一样，产生了“固定空气”。还进行了在密闭曲颈甑中焙烧锡和铅的实验：

加热前后曲颈甑总重量没改变，断定不存在火微粒进入；打开瓶口，感到有空气进入，再次称量，发现重量增加，且增加的重量恰与金属变为煅灰后增加的重量相等，于是猜测煅灰是金属与空气的化合物。他尝试从煅灰中分解出空气来，但没有成功。2021/6/2716得到启发1774年，据说拉瓦锡从普利斯特列和舍勒那里得知可以从铅丹等煅灰中得到“脱燃素空气”。他做了加热汞灰的实验，得到了助燃能力极强、且能维持呼吸的空气，他称之为“纯粹空气”。他又把汞灰与木炭一起焙烧，得到了“固定空气”。于是得出结论：“固定空气”是“纯粹空气”与木炭的化合物。2021/6/2717研究空气的组成1777年，他用实验研究空气的组成：

加热密闭曲颈甑中的水银，很快发现产生红色的汞灰；12天后，汞灰不再增多。撤去热源，空气体积已缩减。他将剩下的空气称为“碳气”。

给产生的汞灰加强热，产生水银和“纯粹空气”，且“纯粹空气”的体积与前一步空气缩减的体积相等。于是他认为：

空气分两部分，一部分支持燃烧、可以呼吸，另一部分则不能。同年他还做了大量的煅烧其他金属的实验，得到了完全一致的结论。2021/6/2718批评燃素说他明确地批评了燃素说：化学家从燃素说中只能得出模糊的要素，它十分不确定，可以用来任意解释事物。有时它有重量，有时又没重量；有时是自由之火，有时又与土素化合成火；有时它能穿透容器，有时又不能穿透......它真是是只变色虫，每时每刻都在改变它的面貌。2021/6/2719建立氧化说1777年9月5日，他向法国科学院提交了划时代的论文“燃烧概论”，正式建立了燃烧的氧化学说：1.燃烧时都有火质和光放出。2.物体只能在纯粹空气中燃烧。3.燃烧时伴随有“空气的离析”，燃烧物质重量的增加等于“被离析的空气”（氧素）的重量。4.易燃物质由于与使其重量增加的物质（氧素）相结合而变成酸。5.“纯粹空气”是热质和一个基（氧素）的化合物。燃烧的物质在燃烧过程中吸收了这个基，因为燃烧物质吸收这个基的能力远比热质强，于是把原来与基结合的热质释放出来，表现为光和热。2021/6/2720“氧气”的命名1781年，拉瓦锡把