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从燃素到氧化 “烧”出来的化学新纪元

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作者:科普中国来源:科普中国

用火是人类史上的一个里程碑,它让人类从此多了一种改造自然的途径。但什么是火,火的本质是什么,直到18世纪人们对它有了更深刻的认识。


燃素说成主流


燃烧问题一直是化学研究的核心问题。人们发现,在燃烧的过程中有火焰迸出,而燃烧后的木柴质量会变轻,于是推测再燃烧的过程中有东西离开了燃烧物,人们又推测这种东西应该事非常容易燃烧的物质,于是有燃素说的基本想法——在燃烧过程中“跑掉”的东西后来被成为燃素。


燃素理论最早可以追溯到化学家贝歇尔。1669年,他发表了《地下物理学》一书,在书中,他提出在有机物燃烧过程中,其所包含的油状土会很快逸出,而只有玻璃状土留下来。贝歇尔认为,自然中的物质之所以不同,是因为他们含有不同的土元素,而土元素分为玻璃状土、油状土和流质土三种。


贝歇尔的学生斯塔尔深受原子论的影响,在原子论的基础上他建立了燃素的元素概念,将贝歇尔的油状土称之为燃素,phlogistou,这个词来自希腊文,意思是使火开始。


用燃素理论能够解释当时的很多化学现象。在燃素的框架内,斯塔尔还提出,金属生锈和木材燃烧是同一类化学过程,都是失去燃素的过程。虽然后来,被证实是错误的,但燃素说却是化学史上第一个将各种化学现象统一起来的化学理论,并引导化学走向更广阔的领域。


但燃素说中有一个明显地bug,就是燃素到底有没有重量。因为有机物在燃烧后重量会减少,而金属生锈重量却会增加。这是因为燃素学说将燃烧作为燃素从可燃物分离的过程,即分解反应,而现代化学认为的与氧结合的化合反应刚好相反。但由于这种说法确实能比较好地解释众多化学现象,所以还是被大多数化学家所接受。


普利斯特列发现“失燃素空气”


英国化学家普利斯特发现“失燃素空气”——氧气的对于颠覆燃素论起到了至关重要的作用。1767年,因为住在啤酒厂隔壁,英国化学家开始研究空气问题。


1772年,普利斯特列发表了长篇论文“对各种空气的观察”,文中记载了他利用集气槽收集到的各种气体:由铜、铁、银等金属于稀硝酸制取的“亚硝空气”(氧化氮)、“燃素化空气”(氮气)、与浓硝酸制取的“亚硝蒸气”(二氧化氮)、“减缩的亚硝空气”(氧化亚氮)、“酸性空气”(氢氯酸)。


774年,他做出了一个重要的发现,再空气中加热水印可以得到红色的氧化汞。6月,伦敦的科学仪器商赠给他1个直径30cm、焦距50cm的大凸透镜。8月1日,他用大凸透镜加热汞灰时看到有气体冒出,并有汞珠出现。他当时认为该气体是“失燃素硝气”。


10月,普利斯特在巴黎与拉瓦锡曾谈到有关“失燃素硝气”的事情。11月初回到伦敦后,从11月19日到21日,他再次进行实验,实验后他断定该气体不是“失燃素硝气”。1775年3月1日至9 日,他通过著名的小白鼠实验,发现该气体可以助呼吸。但由于虔信燃素说,他认为这种气体不过是含燃素极少的空气。3月15日,他将发现报告以书信的形式呈交皇家学会会长,报告中把发现的气体称为“失燃素空气” (dephlogisticatedair)。


普利斯特列认识到普通空气中包含着“燃素化空气”(氮气),但按照燃素说,物体在空气中燃烧后,脱燃素空气应转化为燃素空气,但实际上并没有这个过程。


几乎和普利斯特列同时,瑞典化学家也发现了氧气和氮气,将其称之为“浊空气”和“火空气”。而他也是燃素说的信奉者。


拉瓦锡推翻燃素说开启新纪元


同时在研究燃素的还有另一个人——拉瓦锡。拉瓦锡从1772年开始研究燃烧问题,他的方法非常简单,就是在物质燃烧前后进行称重。1774年,拉瓦锡在一个密闭的容器中加热锡和铅,两种金属表明出现了一层灰,而金属灰的重量要比原来的重,但他还发现,整个容器在加热后并不好变得更重。他推测,金属增加了重量,说明空气中必定失去了重量,若空气失去重量就会出现真空。果然,当他打开容器,空气马上进入了容器,容器的重量立刻增加了。这个实验说明,金属的燃烧是化合的结果。


后来,普利斯特列访问巴黎,拉瓦锡得到了“脱燃素空气”的信息。第二年,拉瓦锡重做了普利斯特列的实验,明确得出了燃烧是与空气中的某种成分相化合的结论。1790年,拉瓦锡建议将“最宜于呼吸的空气”命名为氧。大量的实验表明,燃烧现象是一种氧化现象,于是拉瓦锡开始向燃素挑战。


1787年,拉瓦锡和其他几位化学家出版了《化学命名法》,从此每一种物质均有了自己的名称,单质的名称反映其化学性质,化合物则由组成它的元素来标定。


再接再厉的拉瓦锡,于1789年出版了化学史上划时代的著作《化学纲要》。书中,他详尽地说明了对以氧化理论为核心的新燃烧理论,并且推翻了燃素说。在书中,还阐述了化学反应过程中的物质守恒思想,并将化学反应过程写成了一个代数式。从此化学进入了一个新纪元,所以后来有人将拉瓦锡人称作“近代化学之父”。


燃素说虽然被拉瓦锡所推翻,但燃素说以科学求真的精神,取代了化学的炼金术传统和神秘主义的束缚,有意识地不借上帝而运用实验和思维方法研究物质的变化现象,力图建立全新的化学理论体系来揭示燃烧的本质,这在思想方法上和研究方法上是一个空前的跃进。而拉瓦锡也正是因为坚持了这种以科学求真的精神,才能颠覆燃素说。


文章分类: 化学视野