拉瓦錫是法國破除燃素學說系統地提出了化學原理

2020-12-22 歷史解密社

安託萬-洛朗·拉瓦錫(A.L.Lavoisier,1743.8.26-1794.5.8)法國著名化學家,近代化學的奠基人之一,「燃燒的氧學說」的提出者。1743年8月26日生於巴黎,因其包稅官的身份在法國大革命時的1794年5月8日於巴黎被處死。拉瓦錫與他人合作制定出化學物種命名原則,創立了化學物種分類新體系。拉瓦錫根據化學實驗的經驗,用清晰的語言闡明了質量守恆定律和它在化學中的運用。這些工作,特別是他所提出的新觀念、新理論、新思想,為近代化學的發展奠定了重要的基礎,因而後人稱拉瓦錫為近代化學之父。拉瓦錫之於化學,猶如牛頓之於物理學。

拉瓦錫在學校是一個天才男孩。20歲時因出色地撰寫了巴黎街道照明的設計文章而獲得法國科學院的嘉獎。幾年之後,即1768年,他被評選為法國科學院的「名譽院士」。

他為後人留下的傑作是《化學概要》,這篇論文標誌著現代化學的誕生。在這篇論文中,拉瓦錫除了正確地描述燃燒和吸收這兩種現象之外,在歷史上還第一次開列出化學元素的準確名稱。名稱的確立建立在物質是由化學元素組成的這個基礎之上。而在此之前,這些元素有著不同的稱謂。在書中,拉瓦錫將化學方面所有處於混亂狀態的發明創造整理得有條有理。

化學家拉瓦錫原來是學法律的。1763年,年僅20歲的拉瓦錫就取得了法律學士學位,並且獲律師從業證書。拉瓦錫的父親是一位頗有名氣的律師,家境富有。所以拉瓦錫沒有馬上去做律師,那時他對植物學發生了興趣,經常上山採集標本使他又對氣象學產生了興趣。在地質學家葛太德的建議下,拉瓦錫師從巴黎著名的化學魯教授伊勒教授。從此,拉瓦錫就和化學結下不解之緣。

拉瓦錫的對化學的第一個貢獻便是從實驗的角度驗證並總結了質量守恆定律。早在拉瓦錫出生之時,多才多藝的俄羅斯科學家羅蒙諾索夫就提出了質量守恆定律,他當時稱之為「物質不滅定律」,其中含有更多的哲學意蘊。但由於「物質不滅定律」缺乏豐富的實驗根據,特別是當時俄羅斯的科學還很落後,西歐對沙俄的科學成果不重視,「物質不滅定律」沒有得到廣泛的傳播。

拉瓦錫用硫酸和石灰合成了石膏,當他加熱石膏時放出了水蒸氣。拉瓦錫用天平仔細稱量了不同溫度下石膏失去水蒸氣的質量。他的導師魯伊勒把失去水蒸氣稱為「結晶水」,從此就多了一個化學名詞——結晶水。這次意外的成功使拉瓦錫養成了經常使用天平的習慣。由此,他總結出質量守恆定律,並成為他進行實驗、思維和計算的基礎。為了表明守恆的思想,用等號而不用箭頭表示變化過程。如糖轉變為酒精的發酵過程表示為下面的等式:

葡萄糖(C6H12O6)=二氧化碳(CO2)+酒精(C2H5OH)

這正是現代化學方程式的雛形。為了進一步闡明這種表達方式的深刻含義,拉瓦錫又撰文寫到:

「可以設想,參加發酵的物質和發酵後的生成物列成一個代數式,再假定方程式中的某一項是未知數,然後通過實驗,算出它們的值。這樣,就可以用計算來檢驗實驗,再用實驗來驗證計算。我就經常用這種方法修正實驗初步結果,使我能通過正確的途徑改進實驗,直到獲得成功。」

拉瓦錫最重要的發現:燃燒原理,是他對化學研究的第二大貢獻。偉大的科學家描述了最重要的氣體:氧、氮和氫的作用。拉瓦錫最重要的發現是關於燃燒的原理。之所以能夠有此發現,是因為他第一次準確地識別出了氧氣的作用。事實上,科學家確認燃燒是氧化的化學反應,即燃燒是物質同某種氣體的一種結合。拉瓦錫為這種氣體確立了名稱,即氧氣,事實上就是「成酸元素」的意思。

拉瓦錫最終排除了當時流行極廣的關於「燃素」的錯誤看法。按照那種理論,在燃燒期間,任何被燃燒的物質同一種被稱為「燃素」的物質相分離。「燃素」被認為是整個燃燒過程的主導者。

拉瓦錫還識別出了氮氣。這種氣體早在1772年就被發現了,但卻被命名了一個錯誤的名稱——「廢氣」(意思是「用過的氣」,也就是沒有燃素的氣,因此不會再被用作燃燒的氣)。拉瓦錫則發現這種「氣體」實際上是由一種被稱為氮的氣體構成的,因為它「無活力」(來源於希臘語azofe)。後來,他又識別出了氫氣,這個名稱的意思是「成水的元素」。拉瓦錫還研究過生命的過程。他認為,從化學的觀點看,物質燃燒和動物的呼吸同屬於空氣中氧所參與的氧化作用。

1772年秋天,拉瓦錫照習慣稱量了定量的紅磷,使之燃燒、冷卻後又稱量灰燼(五氧化二磷,P2O5)的質量,發現質量竟然增加了!他又燃燒硫磺,同樣發現灰燼的質量大於硫磺的質量。他想這一定是什麼氣體被白磷和硫磺吸收了。於是他又改進實驗的方法:將白磷放入一個鐘罩,鐘罩裡留有一部分空氣,鐘罩裡的空氣用管子連接一個水銀柱(註:測定空氣的壓力)。加熱到40℃時白磷就迅速燃燒,水銀柱上升。拉瓦錫還發現「1盎司的白磷大約可得到2.7盎司的白色灰燼(P2O5)。增加的重量和所消耗的1/5容積的空氣重量基本接近」。

拉瓦錫的發現和當時的燃素學說是相悖的。燃素學說認為燃燒是分解過程,燃燒產物應該比可燃物質量輕。他把實驗結果寫成論文交給法國科學院。從此他做了很多實驗來證明燃素說的錯誤。在1773年2月,他在實驗記錄本上寫到:「我所做的實驗室物理和化學發生了根本的變化。」他將新化學命名為「反燃素化學」。

1775年,拉瓦錫對氧氣進行研究。他發現燃燒時增加的質量恰好是氧氣減少的質量。以前認為可燃物燃燒時吸收了一部分空氣,實際上是吸收了氧氣,與氧氣化合,這就是徹底推翻了燃素說的燃燒學說。

1777年,拉瓦錫批判燃素學說:「化學家從燃素說只能得出模糊的要素,它十分不確定,因此可以用來任意地解釋各種事物。有時這一要素是有重量的,有時又沒有重量;有時它是自由之火,有時又說它與土素相化合成火;有時說它能通過容器壁的微孔,有時又說它不能透過;它能同時用來解釋鹼性和非鹼性、透明性和非透明性、有顏色和無色。它真是只變色蟲,每時每刻都在改變它的面貌。」

1777年9月5日,拉瓦錫向法國科學院提交了劃時代的《燃燒概論》,系統地闡述了燃燒的氧化學說,將燃素說倒立的化學正立過來。這本書後來被翻譯成多國語言,逐漸掃清了燃素說的影響。化學自此切斷與古代煉丹術的聯繫,揭掉神秘和臆測的面紗,取而代之的是科學實驗和定量研究。化學由此也進入定量化學(即近代化學)時期。

拉瓦錫對化學的第三大貢獻是否定了古希臘哲學家的四元素說和三要素說,建立在科學實驗基礎上的化學元素的概念:「如果元素表示構成物質的最簡單組分,那麼目前我們可能難以判斷什麼是元素;如果相反,我們把元素與目前化學分析最後達到的極限概念聯繫起來,那麼我們現在用任何方法都不能再加以分解的一切物質,對我們來說,就算是元素了。」

在1789年出版的歷時四年寫就的《化學概要》裡,拉瓦錫列出了第一張元素一覽表,元素被分為四大類:

1.簡單物質,光、熱、氧、氮、氫等物質元素。

2.簡單的非金屬物質,硫、磷、碳、鹽酸素、氟酸素、硼酸素等,其氧化物為酸。

3.簡單的金屬物質,銻、銀、鉍、鈷、銅、錫、鐵、錳、汞、鉬、鎳、金、鉑、鉛、鎢、鋅等,被氧化後生成可以中和酸的鹽基。

4.簡單物質,石灰、鎂土、鋇土、鋁土、矽土等。

5、其他:以太。

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