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第7章 拉瓦锡与燃素

1794年5月8日,一位51岁的科学家被指控“在士兵的烟草中掺水”,而被押上断头台。临刑前,这位科学家要求:“情愿被剥夺一切,只要让我做一名普通的药剂师,做一点化学试验,就心满意足了。”然而,他的要求根本就得不到批准。随着行刑官一声令下,法国把自己伟大的化学家拉瓦锡处死了,世界失去了一位人类最杰出的科学家。

这位科学家就是被人们誉为“近代化学之父”的法国科学家拉瓦锡。他的死是科学界的一大损失,以至于法国数学家拉格朗日痛惜感叹道:“他们割下拉瓦锡的头,只不过是一瞬间的事,但是不知在100年之内,世界上还能不能再长出一颗那样的头颅。”

安东·洛朗·拉瓦锡1743年8月26日生于巴黎一个富裕的家庭,他5岁丧母,在姨母照料下生活,11岁进入当时巴黎著名的马沙兰学校,以后升入政法大学。父亲是一位律师,本来想让儿子继承他的事业,但拉瓦锡对科学表现出浓厚的兴趣。1763年,年仅20岁的拉瓦锡就取得了法律学士学位,并且获律师从业证书。拉瓦锡没有马上去当律师,那时他对植物学发生了兴趣,经常上山采集标本使他又对气象学产生了兴趣。

1765年,巴黎科学院有奖征求解决街道照明问题的办法,22岁的拉瓦锡也投交了一篇论文。他提交的方案虽然没有被采纳,但论文的才华还是引起了注意,科学院一致决定发表他的论文,并授予他金质奖章。1767年,拉瓦锡随同地质学家盖达尔一起去野外绘制法国矿产图,旅行结束后撰写了论比重计的论文,结果被选入法国科学院,当时他才24岁。这些促使他走向了自己喜爱的化学道路。

但是私人研究化学困难很大,要建实验室、买仪器,资金很难解决。拉瓦锡凭借他律师的眼光,分析了一下财政界,于是发现了一个诀窍。当时封建王朝为了搜刮更多的财富,加重了对人民的税收。而政府并不出面,而是承包给“包税人”。包税人先向国家交一笔巨款,然后再去收税。包税人只要保证向国家缴钱,至于他们向人民收多少税,政府却不管。为了研究化学,拉瓦锡违心地当上了一名包税人。他很快就拥有了自己的化学实验室,同时,又结识了一位美丽贤惠的姑娘玛丽。玛丽是包税公司经理的女儿,才14岁。但他们感情很好,很快他们结为伉俪。玛丽性情温柔,又能写一手好字,并擅长绘画,为丈夫抄论文,绘图表,是一个很好的助手。

有一天,拉瓦锡读到的一篇论文,说金刚石在空气中加热,会燃烧起来并且燃烧后的产物什么也没有,就这样金刚石消踪匿迹了(金刚石的化学成分是碳。它会燃烧,变成二氧化碳)。他想,这是不可能的,任何东西燃烧完总要留下一些灰烬的。这篇论文引起了拉瓦锡很大兴趣。

拉瓦锡重做实验。可是结果确实如文章所说的那样,金刚石不翼而飞了。他思考了很久,又采用不同的方法:即在金刚石外面裹上了一层厚厚的石墨稠膏,加热到发红。几小时以后,冷却,剥掉外面的稠膏,金刚石好端端的,没有烧掉!

“看来燃烧和空气大有关系。”拉瓦锡猜测说。他想用石墨稠膏涂在金刚石上,使金刚石隔绝了空气,所以金刚石没有烧掉。也就是说,在燃烧过程中,空气参与了整个反应而不是燃素。

燃素说认为,火是由无数细小而活泼的微粒构成的物质实体。这种火的微粒既能同其他元素结合而形成化合物,也能以游离方式存在。大量游离的火微粒聚集在一起就形成明显的火焰,它弥散于大气之中便给人以热的感觉,由这种火微粒构成的火的元素就是“燃素”。凡物质能燃烧就因为含燃素。而今天的实验,金刚石被裹严时就没有变化,露天时就发生变化,说明原因不在燃素,而在空气。

在燃烧过程中到底空气发生了什么变化呢?能不能通过检验它的重量解答呢?拉瓦锡又设计出另一个实验。

他在密闭的容器里燃烧金属,燃烧前后他都仔细地用天平称过重量,并没有一点变化,他再称金属灰的重量,是增加了,又称烧过后的空气的重量,却减少了,而减少的空气和增加了的金属灰正好重量相等。于是拉瓦锡便发现了化学上一条极重要的定律:重量(质量)守恒定律。物质既不能创生也不能消失,化学反应只不过是物质由这种形式转换成另一种形式。

拉瓦锡的实验室的设备在当时来说是非常先进的。很多科学名人,瓦特、富兰克林也都到他这里做客。

一天,英国著名学者普里斯特利来拜访拉瓦锡,他向拉瓦锡介绍了他用凸透境加热汞锻灰发现了一种脱燃素空气(即氧气)。不过,舍勒也是一个“燃素学说”的虔诚的拥护者,他把氧气称为“火焰空气”。正因为这样,他同样没有揭开燃烧的奥秘,与成功失之交臂。拉瓦锡立刻重做了普里斯特利的实验,证实了加热汞锻灰时逸出的气体重量与汞锻炼成锻灰所增加的重量相等。这是拉瓦锡用来推翻燃素学说最有力的证据。后来他又设计了大量精细的燃烧试验都证实了燃素是不存在的。

拉瓦锡推翻了流传多年的“燃素学说”,指出:“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,这可以看成是公理。”这番话体现了“物质不灭定律”的基本精神。拉瓦锡的思想超越了他的同时代人,因为他不仅注意到了物质在化学反应中性质的变化,而且注意到了数量上的变化,从而使得化学科学割断了与古代炼金术的最后一根纽带,以一种崭新的面目蓬勃发展起来。

拉瓦锡曾经出版过一本《化学教程》总结了他多年来的实验,提出氧化学说,统治化学界近百年的燃素说被彻底推翻。书一出版就被抢购一空。在1789年拉瓦锡又补充修订了这本书,准备再版。他又把那几年新发现的元素整理成一张表,共33种,分为四类:1.简单物质,光、热、氧、氮、氢等物质元素。

2.简单的非金属物质,硫、磷、碳、盐酸素、氟酸素、硼酸素等,其氧化物为酸。

3.简单的金属物质,锑、银、铋、钴、铜、锡、铁、锰、汞、钼、镍、金、铂、铅、钨、锌等,被氧化后生成可以中和酸的盐基。

4.简单物质,石灰、镁土、钡土、铝土、硅土等。

这是化学史上第一份科学的元素表。化学在拉瓦锡面前彻底敞开了大门。许多新的现象,没有见过的问题,呈现在人们面前。也许是听到别人的议论,但是他总觉得有什么祸事就要临头,手头的任务怕是干不完了。所以他整天埋头写作,妻子玛丽也加紧帮他画插图。

果然,一天,拉瓦锡坐桌旁工作的时候有两个人进来,传他去法庭一趟。法庭上法官根本没有问几个问题审判得很草率,连拉瓦锡自己这个律师出身的人也没能为自己辩护几句。好心的律师提醒法官:“拉瓦锡先生可是一位全欧洲闻名的科学家啊!”法官说:“革命不需要科学家,只需要正义。”于是当即判了拉瓦锡的死刑。

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