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第10章 推翻燃素说的勇者

在1743年8月26日,拉瓦锡出生在巴黎。母亲在他童年时不幸去世,华尔兹将他带大。11岁时,拉瓦锡进入当时巴黎的名牌学校——马札兰学校,受到了良好的启蒙教育。少年时就爱上了自然科学,在校时一直潜心钻研自然科学问题,并逐渐加深了这方面的兴趣。21岁大学毕业后,拉瓦锡决心做一名科学家,而不是继承父亲的法官职务。这在当时需要很大的勇气。拉瓦锡拜法国的著名科学家为师,刻苦学习了数学、天文学、植物学、化学和地质矿物学等科学知识,打下了深厚的基础。

起初,拉瓦锡对地质学和气象观测极感兴趣。从20岁开始,他坚持每天进行气象观测,并详尽的记录下来。他对地质学的爱好是受了一个著名地质学家的影响。早在念大学时,他就经常跟随这位老师去欧洲各地进行地质调查旅行。银装素裹的阿尔卑斯山脉使拉瓦锡流连忘返。他每天忙于采集各种标本,记录各种情况,准备食品和各种杂物。他像一只勤劳的蜜蜂似的吸吮着知识,积累着科学研究成果。他最早发表的关于石膏的论文,就是在白雪皑皑的阿尔卑斯山中写成的。

18世纪中叶,法国城镇的市政建设还是比较落后的,城市街道的照明主要采用燃油灯。每天傍晚需要一个人拿着长杆去点燃,第二天清晨再由人去熄灭,既麻烦又不经济,昏暗的街灯常常发生交通事故。1765年,法国科学院以巨额奖金征集一种使街灯既明亮又经济的设计方案。拉瓦锡通过大量实验,提交了自己的设计方案。虽然没有获得奖金,但他的设计方案构思精巧、论证清晰合理,因而被特别授予优秀设计方案的金质奖章。隆重的颁奖仪式和激动人心的科学研究收获,使拉瓦锡坚定了终身从事科学探索的信念。这件事在拉瓦锡的科学生涯中留下了深刻的印象,不断鼓舞他向科学的高峰攀登。

拉瓦锡从事的科学研究是以研究街灯的形式开始的,但使拉瓦锡接触到了燃烧及其现象问题。为了检查灯具的亮度和观察燃油的燃烧效果,拉瓦锡把自己关在一间漆黑的屋子里数天,连吃饭都要别人送进去。从一开始,拉瓦锡就以精细缜密、一丝不苟的态度,吃苦耐劳、勤于思考的精神对待科学研究。这些优秀品质使他攻破了许多科学难关,成为出色的科学大师,为人类做出了巨大的贡献。

化学界当时仍然有不少人相信“水能够转变为土”。其依据是在玻璃蒸馏器中多次进行水蒸馏实验,每次都有泥沙样物质残留在蒸馏器底。他们认为这些土是由水转化来的。就好像平时我们烧开水,时间一长水壶底总留有一些水垢一样。拉瓦锡为了彻底解决这一问题,设计了一个实验,用密封的蒸馏器进行蒸馏水的操作。连续加热了整整101天。精密的测量反应前后水的总重量和反应器皿的重量,发现在器皿底部沉淀的泥沙状物的重量,大火是由物质燃烧中的化学变化过程所产生的光芒和热能的可见现象致等于该仪器减少的重量。真相大白了。原来,容器的“土”是玻璃器皿溶解于水而产生的。通过这一实验驳倒了水转化为土的传统说法。拉瓦锡向全世界郑重宣布,水不能转化为土。这一说法从古埃及尼罗河水泛滥带来大量泥沙时就形成,一直流传到18世纪中叶,拉瓦锡纠正了错误。

这一成果很快在整个法兰西轰动了,拉瓦锡成了家喻户晓的科学名人。此时拉瓦锡的心态是:“科学是一场无止境的竞赛,我要无愧于法国,无愧于科学。”从此,他更加勤勉,兢兢业业,决心向智慧女神索取更多的财宝。接着他又一次将科学研究瞄准了燃烧现象,决心揭开普罗米修斯圣火的奥秘。

人们早在拉瓦锡之前的100多年已经提出了一种关于燃烧的理论,认为燃烧是“火素”放出的过程。当燃烧时火焰是向上飞腾离去的,其中夹杂的许多火星就是火素,也叫做“燃素”。当时人们都把这种观点叫做“燃素说”。它统治化学界长达100多年之久。然而,随着社会生产技术和科学研究的不断发展,揭露了燃素说的许多破绽,例如燃烧木材和煤炭之类的东西,重量呈减少的状态;燃烧锡或铅等金属非旦重量没有减少,反而出现增重现象。这就迫使人们重新审视燃烧理论。

拉瓦锡在完成水不能转化为土的实验以后,开始研究燃烧现象。当时,拉瓦锡的朋友和一些好心人劝他不要冒那么大的风险,失败了会有损名誉。燃烧问题在18世纪下半叶是一个深奥难弄的东西,摧残了不少才华横溢的研究者,朋友们的担心是不无道理的。拉瓦锡回答说:“科学研究不能挑软的,必须硬碰硬。”他全身心地投入了研究燃烧现象之中。首先,他详尽收集了前人关于燃烧的研究成果,加以认真地审视和分析,力图从中找出难点所在。他收集了著名科学家海尔孟特、波义耳、施塔尔等人对此的研究资料,一连几天的阅读思索,有时连吃饭的时间都给忘记了。这样经过两个多月的研究,他发现了以前人们忽视的一个问题:加热燃烧金属增重的原因。经过思考,他认为金属增重的原因是吸收了空气的原因。他将这一段的研究结果密封起来放入科学院的保险柜中。他不愿意让人们看到没有实验证明的结果和结论。

1774年4月,拉瓦锡发表论文,用实验确证了金属能与空气中的某种物质相结合的事实,但他始终苦于找不到将它分离出来的方法。正在这时,发生了一件科学史上“双星汇聚”的事件,使拉瓦锡茅塞顿开,一鼓作气乘胜拿下了燃烧理论这块高地。了解这件事得从拉瓦锡美满幸福的家庭说起。

28岁时拉瓦锡结婚,娶了一个既聪明又美丽的姑娘玛丽·包兹。玛丽是拉瓦锡的贤妻和得力的科学助手,她不仅在拉瓦锡实验室里担任记录,还精通多种语言,可以为拉瓦锡担任科学翻译。玛丽堪称多才多艺,拉瓦锡所著《化学纲要》,是化学史上“四大名著”之一,书上的全部插图及其刻版都是出自玛丽之手。拉瓦锡家境富有,比他在科学界的多数同事的状况好得多。玛丽好善乐施,拉瓦锡也毫不吝啬,一生中多次为非利己目的拿出了巨款。因此,拉瓦锡家成了法国甚至欧洲著名的“科学沙龙”。法国的科学家愿意到这里聚会畅谈,外国科学友人也乐于来这里造访逗留。

1774年10月,英国的化学家普利斯特里访问巴黎,法国著名科学家在拉瓦锡宅邸举行宴会,欢迎这位英国的伟大化学家。宴席间,普利斯特里介绍了他的实验研究情况。“女士们,先生们,我现在告诉大家一个惊人的消息。”普利斯特里用他带有浓重英格兰口音的法语说道。

顷刻之间,喧嚷的宴会一点声音也没有,所有的目光都投向普利斯特里。他顿了一下,缓慢而又自豪地介绍了三个月前的实验发现。原来,普利斯特里用口径很大的聚光火镜,加热汞灰(即现在的氧化汞)时收集到一种助燃作用极强的气体,他将这种气体叫做“脱燃素空气”。

普利斯特里不无矜持地说:“我发现的‘脱燃素空气’将证明‘燃素说’是千真万确的理论。”众人纷纷喝彩。拉瓦锡皱了一下眉头,沉思了片刻,忙跑到壁炉台上取下笔记本记了点什么,又回到桌边。一会儿,他大声宣布“为了伟大发现干杯”。宴会散了以后,拉瓦锡仍旧处于极度兴奋之中,普利斯特里的发现真是太好了,太及时了。

普利斯特里信赖“燃素说”,他虽然发现氧气却没有揭开燃烧的奥秘。真理碰到了他的鼻子尖,可还让他错过了,真是遗憾至极。不久,拉瓦锡重复了普利斯特里的加热实验,认识到汞灰分解出来的是氧气。拉瓦锡又用制得的气体逆向重新和汞作用,结果又生成了汞灰。拉瓦锡全明白了,燃烧就是可燃物质与氧气结合生成氧化物的过程。直到1777年拉瓦锡通过水分解得到两种气体,再将两种气体燃烧又得到水。实验使他弄清了空气是由氧气和氮气组成的原理。火的产生就是可燃性物质与空气中氧元素相结合的结果。从此,确立了科学的燃烧理论,推翻了“燃素说”的错误。氧元素就是拉瓦锡取的名字,“氧”这个汉字是清代中国著名化学家徐寿造的字。

拉瓦锡在确定水的组成、确立质量不变定律和化学术语的改革等几个方面也做出了伟大的贡献。拉瓦锡死于1794年5月,当时正是法国资产阶级大革命时期,巴黎人民攻陷了代表封建王权统治的巴士底狱,资产阶级取得了社会统治权,实施白色恐怖。拉瓦锡作为征税承包业主替封建国王收税,激起了资产阶级当权者的憎恨,他们以显然罪不当死的罪名,宣判了拉瓦锡等人的死刑。后来,社会激烈动荡过去以后,巴黎市政厅为拉瓦锡平反,人们集资募捐为拉瓦锡建立了全身塑像,举行了隆重的葬礼。

人民忘不了科学家做出的不朽贡献。许多科学史家盛赞拉瓦锡为“近代化学之父”,因为他为化学发展做出了前无古人、后无来者的贡献。第二次世界大战纳粹占领法国巴黎期间,恰逢拉瓦锡诞辰200周年纪念日,巴黎人民不顾纳粹匪帮严禁三人以上集会的禁令,成千上万的人自发涌向拉瓦锡文物纪念馆,向这位法国伟大的科学家致敬。现在法国人民将拉瓦锡视为法兰西的优秀儿子,化学界景仰这位伟大的化学家。科学史家将拉瓦锡的伟大化学实践视为推翻“燃素说”的一场“化学革命”。

17世纪以来,欧洲的资本主义生产关系逐渐确定,工业蓬勃发展,冶金、陶瓷、肥皂、玻璃等工业发展很快,人们急需了解燃烧的本质。于是科学家们把注意力集中在探究燃烧的秘密上。

1703年,德国医生兼化学家贝歇尔(J.J.Becher,1635—1682年)和他的学生施塔尔(G.E.Stahl,1660—1734年)共同提出著名的“燃素说”来解释燃烧现象。

1744年,英国化学家普利斯特里用聚光镜加热氧化汞得到了氧气。

后来,拉瓦锡从中得到启示,苦思好几天后,终于设计出一个具有划时代意义的实验。他在曲颈甑里放入4两汞,曲颈甑用玻璃钟罩罩上,并且跟水银相通。钟罩和甑的体积是50立方厘米。把曲颈甑在火上加热,开始时汞沸腾了。加热到第二天,汞面浮起红色鳞斑状渣滓。继续加热,渣滓不断增加。连续加热12天,到红色渣滓不再增加才停止实验。冷却后测定空气的体积是42立方厘米,减少1/5。红色渣滓重45两,比原先的汞重。把点燃的烛火伸入玻璃钟罩内,烛火立即熄灭。放进小鼠,小鼠立即窒息而死。接着,拉瓦锡把红色渣滓收集起来加热分解,又得到汞和无色气体,汞重量为40两,收集到的气体体积正好等于原先减少的体积。把这个气体再放入钟罩内,得到的混合气跟空气性质完全一样。

拉瓦锡已有足够论据推翻“燃素说”,同时建立新的氧化学说了。

拉瓦锡进一步指出燃烧绝不是可燃物放出燃素,而是它跟空气中的氧气发生猛烈的作用,从而放出光和热来。空气是混合物,它由能维持燃烧的氧气(约占1/5)和不能支持燃烧的氮气(约占4/5)混合组成。物质在空气中燃烧必须消耗氧气。金属在空气中加热时,金属跟氧气化合而生成氧化物,所以质量增加。非金属和有机物在空气中燃烧,由于生成气态非金属氧化物或水等,散佚到空气中,剩下灰烬,所以质量比先前减轻。

拉瓦锡氧化学说的建立,是化学史上一次伟大的革命,也是一个伟大的里程碑。它推翻了统治化学界100多年的“燃素说”,代之以科学的氧化学说,从而使化学在科学的道路上不断前进。

拉瓦锡及其他一些化学家的卓越研究,给整个化学界以强烈的启示,激起他们对这门科学的高度热情。下面谈一谈从18世纪末到19世纪间拉瓦锡在法国的拥护者。

在拉瓦锡的著名支持者中,首推德莫沃。他是一位教授,研究的主要是化学分析和化学工艺方面的问题。最初他支持拥护“燃素说”,后来他首先提出化学命名法的概念,并赞成拉瓦锡的氧化学说,在与拉瓦锡合作制定化学命名方面起了主要作用,其功不可没。

还有一位化学家孚克劳,他是拉瓦锡氧化学说的坚定支持者,其主要功劳是通过各种途径,进一步促进氧化学说在各国的广泛传播。

拉瓦锡最著名的支持者应算是贝托雷。贝托雷自青年时就对化学产生了浓厚的兴趣,积极研究有关方面的问题。

1785年,他首先承认氧化学说,并同拉瓦锡一起进行有关的试验。此外,贝托雷在分析盐水的基础上,提出了化学亲和力的理论。

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