燃烧氧化建理论

拉瓦锡因为发现了氧气并建立了燃烧的氧化学说，从而被人们称为“现代化学之父”。氧化学说建立并为科学界确认之后，化学才独立地形成了一门完整的科学体系。1782年拉瓦锡写成了《燃烧通论》一书，对燃素说进行了猛烈的抨击。拉瓦锡与莫尔沃、福尔克拉和贝尔托来等一起将化学物质做了统一命名，于1787年主编出版了《化学命名法》一书，论述了化合物的命名原则，这个原则一直沿用至今。这个体系简单明了，语言准确鲜明又易于表达和接受，为各国化学家们所热烈欢迎和采用。此后，拉瓦锡又陆续出版了《化学基础》等著作，标志着现代化学进入了一个新纪元。

氧化学说的建立也是采用了科学界众所周知的假说方法。英国科学哲学家贝·哈雷说过：“如果一个理论不提示任何存在假说，那么，这样的理论就没有推进我们对自然过程基本机制的理解。”因此，要建立一个科学理论就必须提出存在假说。在拉瓦锡建立氧化学说之前，化学界对物质燃烧的现象和理论已经做了大量的研究探讨，但均未提出物质燃烧的本质规律。其中，最有影响的是以德国化学家斯塔尔为代表的燃素说。他的支持者认为：一切与燃烧有关的化学变化都可以归结为物体吸收燃素或释放燃素的过程。煅烧金属，燃素从中逸去，变成锻渣；锻渣与木炭共热，锻渣从木炭中吸收燃素，金属重生。硫黄燃烧，燃素从硫黄中释放出来变成硫酸，硫酸和富有燃素的松节油共煮，硫黄又从松节油中夺回燃素，复为硫黄。物体中所含燃素越多，燃烧起来就越旺盛；不含燃素的物体就不会燃烧。按照燃素说，金属煅烧过程就可以表示为：

金属－燃素＝锻渣。

按照这个公式，金属煅烧后，锻渣比金属的质量还重，燃素的失去反而增加了质量。这显然是违反牛顿力学的。但当时人们却都愿意相信这个结论，对燃素说又提出了许多种假设来为之辩护。拉瓦锡决心弄清这个问题。他也做了很多金属锡的燃烧实验，结果证明，金属锡在燃烧后重量增加。这使从18世纪70年代就开始进行燃烧理论研究的拉瓦锡有了新的想法。他想：重量的增加可能是由于吸收了空气中某种东西的缘故。拉瓦锡于是遍读查阅了前辈们有关吸收气体或放出气体实验的著作。他从中看出不同的作者对于同一系列的事实往往给出不同的解释。这使拉瓦锡产生了一种新的见解，就是应当批判地重复许多前人的实验，才能在不同解释间做出抉择，甚至建立一种新理论来代替旧理论。拉瓦锡决心攻克这个难题。

拉瓦锡于1743年出生在法国一个富有的中产阶级家庭。父亲是一名律师，他要拉瓦锡继承家庭传统而攻读法律，而拉瓦锡却热爱自然科学。他进入著名的马扎林学院以后，虽然身在法律系，但他却努力学习植物学和化学。学院著名的化学家鲁伊尔是一位化学传统观念的反对者。当时学院虽然讲授燃素说，但鲁伊尔却要求拉瓦锡“尊重事实，从事实出发”。正因为拉瓦锡没有接受正规的传统化学教育，也没有造成一种墨守成规的传统心理，所以，拉瓦锡善于独立思考，不盲目同意别人的观点。本来在拉瓦锡之前有人已经走到了发现氧的大门口，但他们由于受燃素说的影响太深刻，未能抓住这把成功的钥匙。英国化学家普里斯特利于1774年进行了一次化学实验，他利用一块凸透镜将日光聚焦，给装在玻璃瓶里的红色氧化汞粉末加热。结果氧化汞还原为水银，同时释放出一种气体。当他把这些气体收集起来研究其性质时，他说：“它使我吃惊，真非语言能形容。在这种空气里燃烧的蜡烛，简直光芒耀眼。”与此同时期，瑞典药剂师舍勒凭他多年的经验感到，如果不懂火焰的性质，就没有办法去研究人们从来没有见过的新物质和已知物质。因为，能够不用火、不加热而进行的化学实验是极少的。可舍勒用心研究火焰的性质，发现给燃烧的蜡烛罩上玻璃罩或把罩内空气抽掉，蜡烛就会熄灭，而送进大量空气时蜡烛就会燃烧得很旺。舍勒又进行了多次试验，他把各种不同性质的物质放在密闭的容器内进行试验，结果每次都有大约五分之一的空气不知去向。而燃烧的物质再放进剩下的那五分之四的空气里，火就会立即熄灭。经过反复试验，舍勒开始注意到瓶子里剩下的空气和那些在燃烧中消失的空气是不一样的。舍勒未能猜破火的哑谜，但却发现了空气是“两种”气体的混合物。普里斯特利和舍勒均独立地发现了那种能够助燃的气体，不但未能揭破其本质，反而为摇摇欲坠的“燃素说”大厦做出牵强附会的解释，称之为“脱燃素气体”或“不会燃烧的气体”。它之所以助燃，是因为它不会燃烧，因而对燃烧物的燃素具有特殊的吸引力。正像恩格斯所指出的那样：“普里斯特利和舍勒析出了氧气，但不知道他们析出的是什么。他们为既有的‘燃素说’范畴所束缚。”他们走到了真理的大门前，却与之失之交臂。

拉瓦锡也在进行着同样的试验工作。他不相信燃素说。为了解开这个谜，拉瓦锡进行了著名的十二天实验。普里斯特利来访时，告诉拉瓦锡，说他发现了一种“脱燃素空气”，是把氧化汞加热后获得的。拉瓦锡受到了很大启发。他在实验过程中发现，过去的燃素说把燃烧现象看成是燃烧物放出燃素的过程，因而无法解释金属在燃烧后重量为什么反而增加，结果不得不假设燃素具有某种神秘的负的重量。如果把它颠倒过来，把燃烧看成是燃烧物同空气结合的过程，那么一切就变得非常简单了。拉瓦锡把水银放在曲颈瓶里，将瓶颈伸入盖在玻璃钟罩下的水银槽内，用炭火连续加热，发现密闭在曲颈瓶内的空气容积减少了五分之一。用燃烧着的木片检验残余的空气，发现木片不仅不能燃烧，而且熄灭了，可见空气中的助燃气体已被除去。接着拉瓦锡又将红色氧化汞放置在容器中加热，收集所放出的气体。他发现放出气体的量正好与密闭在曲颈瓶中加热生成氧化汞时所减少的气体量相等，各种可燃物皆能在这种气体中剧烈燃烧。由此可知空气体积的五分之一由这种气体组成，其余五分之四的气体是不能助燃的。

经过一系列实验论证和理论思考，拉瓦锡于1777年向法国科学院提交了一篇报告，题为《燃烧通论》，提出了著名的燃烧的氧化假说。其要点是：

（1）燃烧时均有火或光放出；

（2）物体只能在纯粹空气存在时才能燃烧；

（3）空气是由两种成分组成的，物质在空气中燃烧时，吸收了其中的纯粹空气，因此增加了重量，所增之重量恰为其所吸收的纯粹空气重量；

（4）一般的可燃物质（非金属）燃烧后，通常变为酸，氧是酸的本质，一切酸都含有氧元素，而金属煅烧后变为锻灰，它们是金属的氧化物；

（5）助燃的“纯粹空气”是热质和一个基的化合物，燃烧的物体在燃烧中取走这个基，同时把与这个基相结合的热质释放出来，表现为光和火。

1781年，在出版的论文《酸的性质及其组成要素通论》中，拉瓦锡又把“纯粹空气”的基酸称“酸化要素”“氧素”，把“纯粹空气”改称“氧气”，即成酸的元素。这时，拉瓦锡的氧化燃烧学说才被化学界普遍接受，一个新的化学体系终于建立起来了。

为什么在同样的实验条件下，普里斯特利和舍勒不能够成功，而只有拉瓦锡才能成功呢？我们可以从中得出如下启示。

1.拉瓦锡具有丰富的实践经验。拉瓦锡在马扎林学院毕业以后，在从事商业和法律的同时，在地质学家格塔尔的指导下研究矿物学和地质学，绘制过地质矿产资源图。在考察中，他对各地的水质进行了定量分析，反复地研究各地区水的比重，对塞纳河水通常含盐量进行了定量分析，又担任过负责制造武器的国家兵工厂厂长。在厂内，拉瓦锡建立了实验室，装备了世界上精度最高的天平。在使用天平过程中，拉瓦锡养成了严格定量操作、严细精密、相信科学事实和勇于探索的精神。拉瓦锡后来又研究比较了蒸馏水和水的密度，水对玻璃的影响等，进行了定量的实验，为以后分析氧和建立氧化燃烧学说打下了扎实的基础。到1771年，拉瓦锡基本结束了早期的科学研究工作，尽管这段时期的研究内容与他分析氧、建立氧化燃烧学说没有直接的关系，但正如亨利·莱斯特所说：“毫无疑问，这些早期研究对我们深入理解拉瓦锡后来的分析乃至化学革命是绝对必要的。”

2.使用天平。天平作为研究化学反应的定量工具使用，必须假定物质不灭或质量守恒定律成立为前提。拉瓦锡正是依据质量守恒定律作前提，在从事燃烧研究的同时，对参与化学反应的物质质量进行定量研究。因此，他与其他使用天平的化学家不同，不仅在于把天平作为称量的工具去发现自然定律，去论证并检验自己的理论观点。在进行实验之前，他仔细地称量参与化学变化的物质重量，实验终了时再称量化学变化产物的重量。拉瓦锡一面称量一面思考，一种物质增加了重量，另一种物质却减少了重量，一定是有一种物质离开了，去同另外一种物质化合。比如，拉瓦锡在进行木炭燃烧实验时，发现在盛满“脱燃素空气”的密闭容器燃烧纯净的木炭，木炭燃烧完了，只剩下刚刚能觉察到的一撮灰。天平指出：容器重量增加了，而这增加的重量恰恰等于烧掉了的木炭的重量。天平给了拉瓦锡精确科学的答案。

3.敢于向传统观念挑战。拉瓦锡在保证自己的理论——氧化燃烧学说的概念体系的内在一致性的基础上，批判了燃素说在概念体系上的矛盾性。他在1785年写了《对燃素的沉思》专题报告交给法国科学院，直接向燃素说发起了攻击。拉瓦锡抓住了燃素说的致命弱点，即燃素说的自相矛盾——既有重量又没有重量；燃素说解释概念的随意性。燃素说在当时的科学界已经统治了100多年，要动摇燃素说不是轻而易举的事情。拉瓦锡敢于坚持真理，打破传统观念的束缚，是因为他具有坚定信念，坚实的科学知识作基础。在已掌握和运用的理论知识和经验的同时，他审查原有理论中的一切旧概念。他通过新的实验和理论思考，揭示出它们之间的逻辑矛盾性，产生新观念，形成新的思想框架。他展开一系列的理论思维和实验工作，深化认识，从抽象变具体，不断地消化吸收，从而建立了崭新的氧化燃烧学说的理论体系。

4.有贤内助的帮助。拉瓦锡能够建立起新的理论体系，和他夫人的帮助也是分不开的。“在一个成功男人的背后一定有一个成功的女人。”由于拉瓦锡不懂英文，他的夫人将英国科学家柯尔瓦所写的英文版《燃素说》一书翻译成法文出版。在拉瓦锡主持下，科学共同体成员们对该书阐述燃素说的地方逐条加以批注，随后由尼柯尔逊于1789年将拉瓦锡等人批驳燃素说的论文译成英文。借此充分揭露燃素说的矛盾，使之暴露在公众面前，宣传和扩大氧化燃烧学说的影响。在1789年出版的名著《化学基础》一书中，有13幅精美的标图，是由拉瓦锡的夫人制作的。此书详细地论述了推翻燃素说的各种实验依据和以氧为中心的新燃烧理论，包括燃烧理论、气体的形成和分解、简单物质的燃烧、酸的形成、大气和水的成分、新的命名法等，标志着现代化学开始进入了一个新纪元。