拉瓦錫與他的十二天實驗

人們在遠古時代就已經學會了用火，利用燃燒來獲得熱量，烹煮食物，燒制器具，冶鍊金屬。然而，燃燒到底是怎麼一回事？他的本質是什麼？人類對這個問題的思考和研究持續了相當長的時間。

中國仰韶文化陶器，由陶土燒制而成，距今約七千至五千年

1703年，德國醫生施塔爾（G.E.Georg Ernst Stahl，1659～1734)）在他所著的《化學基礎》中提出了「燃素說」，其主要觀點為：

一切可燃物均含有「燃素」，物體燃燒時「燃素」從物體中跑出來，留下灰燼，因此得出：燃燒物質-灰燼=燃素，「燃素」不會自動釋放出來，必須藉助空氣將物體中的「燃素」提出出來，燃燒才能繼續進行。

施塔爾

後來人們發現，某些金屬燃燒時，生成的灰燼的重量不僅沒有減少，反而增加了，這是怎麼回事呢？「燃素說」的擁護者解釋到，「燃素」具有「負重量」，金屬燃燒時失去「燃素」，好比活著的人失去「靈魂」變成屍體，重量反而會變重一樣。

在現代人聽起來有些荒謬的「燃素說」，卻曾經統治化學界長達100多年！

同世紀的英國化學家普利斯特裡（J.Joseph Priestley ，1733～1804）於1774年用凸透鏡加熱汞灰（HgO）得到了純淨的氧氣。同樣，瑞典化學家舍勒（Carl Wilhelm Scheele，1742- 1786）於1773年通過加熱硝酸鹽也單獨發現了氧氣，舍勒稱之為「火空氣」。然而，由於普利斯特裡和舍勒都是「燃素說」的擁護者，因此他們並不知道自己發現的是氧氣，也沒有揭開燃燒的奧秘，可謂與真理擦肩而過。

氧化汞（HgO）是一種紅色固體

1774年10月，普利斯特裡來到巴黎，拜訪了拉瓦錫（Antoine Laurent de Lavoisier，1743～1794）。拉瓦錫盛宴招待普利斯特裡。在宴會上，普利斯特裡把自己的重要發現，告訴了拉瓦錫。也就在這個時候，拉瓦錫還收到瑞典化學家舍勒九月三十日的來信。

拉瓦錫受到普利斯特裡和舍勒的啟發，做了很精細的實驗。這個實驗被人們稱為「十二天實驗」，實際上一連進行了二十多天。拉瓦錫夫人是拉瓦錫在化學研究工作中的好助手。她不僅幫助拉瓦錫做實驗，而且精確地描繪了實驗時的情景，使後人能夠一目了然。拉瓦錫所有化學著作的插圖，幾乎都是拉瓦錫夫人親手繪製的。

拉瓦錫和夫人的畫像

從下面這張拉瓦錫夫人繪製的插圖，可以看出「二十天實驗」是怎麼回事。

那個瓶頸彎曲的瓶子，叫做「曲頸甑」。瓶中裝有水銀。瓶頸通過水銀槽，與一個鐘形的玻璃罩相通。玻璃罩內是空氣。

拉瓦錫用爐子晝夜不停地加熱曲頸甑中的水銀。在水銀那發亮的表面，很快出現了紅色的渣滓。拉瓦錫明白，那是水銀與空氣中的「失燃素空氣」化合所生成的「三仙丹」（HgO）。

隨著時間的推移，紅色的渣滓越來越多。

拉瓦錫和夫人本來是很喜歡社交的，各種宴會、舞會總少不了他們夫婦。可是，在實驗進行的那些日子裡，他們成天守在爐子旁，觀察著變化。

他們發現，到了第十二天，紅色渣滓不再增多了。

他們繼續加熱，一直到第二十晝夜，紅色渣滓仍不增多，才結束了實驗。於是這個「馬拉松」式漫長的實驗，成為化學史上著名的實驗。拉瓦錫發現，實驗結束時，鐘罩裡的空氣的體積，大約減少了五分之一。

他收集了紅色的渣滓，用高溫加熱。「三仙丹」分解了，重新釋放出氣體。拉瓦錫總共得到7~8立方英寸（1立方英寸等於16.377cm3）的氣體，正好與原先鐘罩中失去的氣體體積相等。至於剩下來的氣體，既不能幫助燃燒，也不能供呼吸用。

拉瓦賜把那佔空氣總體積五分之一的氣體，稱為「氧氣」（也就是普利斯特裡所謂的「失燃素空氣」、舍勒所謂的「火空氣」）。

至於剩下的佔空氣總體積五分之四的氣體，拉瓦錫稱它為「氮氣」。此外，他認為空氣中還有「固定空氣」，即二氧化碳，不過，含量很少。

就這樣，千百年來被人們當作「元素」的空氣，終於被拉瓦錫揭開了真面目──原來，空氣是由氧氣、氮氣、二氧化碳等氣體混合組成的。

隨著空氣之謎被揭開，燃燒的本質也隨著被拉瓦錫查清楚了。

燃燒的本質

一七八九年，拉瓦錫在他的名著《化學基礎論》（《化學綱要》）裡，清楚地闡明了燃燒的本質:

一、燃燒時發出光和熱；

二、物質只有在氧氣中燃燒（也有例外，如氫氣能在氯氣中燃燒，氯氣也能在氫氣中燃燒）；

三、氧氣在燃燒時被消耗；

四、燃燒物在燃燒後所增加的重量，等於所消耗的氧氣的重量。

在這個著名的「十二天實驗」中，拉瓦錫使用了密閉的容器，稱取了所有容器、原料、反應物的重量，量取了它們的體積，因此得出，鐘罩中失去的氣體體積，正好等於氧化汞分解後生成氧氣的體積，因此驗證了物質守恆定律，那就是：在化學反應中物質既不能被創造也不能被毀滅，總產物的物質的量應該等於總的反應物的物質的量。所以，化學只是研究物質變化的科學。

拉瓦錫在他的學說中還建立了「氧化-還原」反應的概念：物質和氧發生化合反應稱為「氧化反應」生成各種氧化物。反之，使氧化物去掉氧的反應稱為「還原反應」，拉瓦錫從得、失氧的角度定義「氧化還原」的概念，從18世紀末一直沿用到20世紀初。

描述拉瓦錫實驗場景的畫作

拉瓦錫的一生頗具傳奇色彩，他於1743年8月26日出生於法國巴黎的一個高級律師之家，他自幼聰慧好學，25歲就成為了法國科學院院士。

在法國大革命期間，拉瓦錫由於加入了總包稅公司，被視為人民的敵人，1974年5月8日，51歲的拉瓦錫成為政治的犧牲品被送上了斷頭臺。法國數學家拉格朗日痛心疾首地說：「他們可以一瞬間把他的頭割下，而他那樣的腦袋也許再過100年也長不出一個來。」

是非功過，誰來評說？然而在化學史界，人們公認，拉瓦錫在化學領域所取得的成就，絲毫不遜於牛頓之於物理、達爾文之於生物。如果說波義耳的名字是一顆預告了化學黎明的到來的啟明星的話，拉瓦錫則像一顆天秤座，照耀著古老而又逢新生的化學界。

拉瓦錫揭露了燃燒的本質，指出了燃燒是一種氧化反應，徹底推翻了「燃素學說」。他驗證了質量守恆定律，建立了最初的元素周期表（在門捷列夫之前），對33種元素進行了早期分類，初步打開了物質世界的秩序大門。他的著作《化學綱要（Traité élémentaire de chimie）》與牛頓的《自然哲學的數學原理》齊名，被稱為科學的奠基性著作。

拉瓦錫歸納的元素周期表