书城科普读物走进科学丛书:科学发现的探索
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第4章 发现燃烧的秘密

因为有了火,在万物不断进化的竞争中,人类终于脱颖而出成了自然界的精灵。然而物质为什么会产生燃烧?火到底是什么?这些疑问始终在人们头脑中萦回缠绕。

一直到了18世纪下半叶,法国塞纳河畔的一位化学家终于揭开了火的神秘面纱,建立了科学的燃烧理论。他就是安图瓦?拉瓦锡(Antoine-LaurentLavoisier,1743~1794),法国化学家,1774年发现氧气,1783年揭示“水是氢和氧的化合物”,其一生为推翻支配化学发展长达百年之久的燃素说努力,为现代化学奠定了基础,被称为“近代化学之父”。

1743年8月26日,拉瓦锡生于巴黎。11岁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。少年的拉瓦锡爱上了自然科学,在校时一直热心钻研自然科学问题,并逐渐加深了这方面的兴趣。1763年获法学学士学位,并取得律师开业证书。21岁时转向自然科学研究,他拜法国著名科学家为师,刻苦学习了数学、天文学、地质矿物学、植物学和化学等,打下了深厚的基础。

拉瓦锡起初从事地质学研究,后来,他又转而学习化学。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。这些性格上的优秀品质使他攻破了许多科学难关,为他成为出色的科学大师奠定了基础。

18世纪中叶,法国城镇的市政建设还是相当落后的,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。昏暗的街灯常常使飞奔的马车与行人相撞,频繁发生交通事故。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成绩,使拉瓦锡坚定了终生从事科学探索的信念。

这一年,他当选为巴黎科学院候补院士。

他最早的化学论文是对石膏的研究,发表在1768年《巴黎科学院院报》上。他指出,石膏是硫酸和石灰形成的化合物,加热时会放出水蒸气。

1775年,拉瓦锡出任皇家火药局局长,火药局里有一个相当好的实验室,拉瓦锡的大量研究工作都是在这个实验室里完成的。

拉瓦锡从事的科学研究是以研究街灯的形式开始的,这使拉瓦锡接触到了燃烧及其现象问题。

早在拉瓦锡之前的一百多年,人们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”。许多物质如木材、纸张、煤炭和油类中都含有大量燃素,一旦燃烧就集中释放形式猛烈的火焰。事后剩余的灰烬远远少于可燃物燃烧之前的重量,这就是燃素放出的结果。

当时人们把这种观点叫做“燃素说”。它统治化学界长达一百多年之久。然而,社会生产技术和科学研究的日益深入,使燃素说暴露出许多破绽,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但重量没有减少,反而出现增重现象。这就迫使人们重新审视燃烧理论。

拉瓦锡详尽搜集了前人关于燃烧的研究成果,加以认真地审视和分析,经过长时间的研究,拉瓦锡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是吸收了空气所致。

接着拉瓦锡在三四年的时间内,连续进行了大量的关于燃烧和气体方面的实验。他用金属锡、铅和水银作实验,再用非金属硫磺、磷作实验,还用有机物作实验。他逐渐把注意力集中在空气中有某种助燃气体能够与金属结合使其增重上,这究竟是什么样的物质呢?他在努力探索着。

1774年4月,拉瓦锡发表了论文,用实验论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。

拉瓦锡家境富有,比科学界的多数同事的状况优越得多。妻子玛丽乐善好施,拉瓦锡也毫不吝啬,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,在拉瓦锡家的“科学沙龙”上,英国化学家J.普利斯特里介绍了自己做的一个实验。原来,普利斯特里用口径很大的聚光火镜加热汞灰(即氧化汞)时,搜集到一种助燃作用极强的气体,他将这种气体取名叫“脱燃素空气”。这种气体使蜡烛燃烧得更明亮,还能帮助呼吸。这就是我们现在说的氧气。但是普利斯特里一直坚信燃素说,所以他虽然发现氧气却没有揭开燃烧的奥秘。

拉瓦锡重复了普利斯特利的实验,得到了相同的结果。拉瓦锡并不相信燃素说,所以他认为这种气体是一种元素。难能可贵的是,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。现在,拉瓦锡全明白了。燃烧就是可燃物通过水分解得到两种气体,再将这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。1777年,拉瓦锡正式把这种气体命名为oxygene(中译名“氧”),含义是“酸的元素”。同年,拉瓦锡向巴黎科学院提出了一篇报告《燃烧概论》,阐明了燃烧作用的氧化学说,要点为:

①燃烧时放出光和热;

②只有在氧存在时,物质才会燃烧;

③空气是由两种成分组成的,物质在空气中燃烧时,吸收了空气中的氧,因此重量增加,物质所增加的重量恰恰就是它所吸收氧的重量;

④一般的可燃物质(非金属)燃烧后通常变为酸,氧是酸的本原,一切酸中都含有氧。金属煅烧后变为煅灰,它们是金属的氧化物。

他还通过精确的定量实验,证明物质虽然在一系列化学反应中改变了状态,但参与反应的物质的总量在反应前后都是相同的。于是拉瓦锡用实验证明了化学反应中的质量守恒定律。

虽然在今天看来,拉瓦锡的一些结论是错误的,比如:他认为凡是含有氧的化合物都是酸性化合物,例如硫酸、硝酸都含有氧,由此推断盐酸也含有氧,只是结合得牢固,因此不能从盐酸中分出氧——但是,他的实践仍然是革命性的。拉瓦锡的氧化学说彻底地推翻了燃素说,揭开了燃烧的奥秘,他创立了燃烧理论,为人类作出了巨大贡献,使化学开始蓬勃地发展起来。许多科学家盛赞拉瓦锡为“近代化学之父”,将拉瓦锡伟大的化学实践视为推翻“燃素说”的一场“化学革命”。

1794年5月8日,作为近代化学奠基人之一的拉瓦锡于巴黎去世。