早期的化学

第二十一章　早期的化学

化学的诞生伴随着伪科学、谬误与苦难，最终走向了真理，为什么这么说呢？看下面就明白了。

最早的化学是以古老的炼金术为始的，或者说，古老的炼金术乃是最早的化学。

—造就了科学的伪科学—

我们这里所指的造就了科学的伪科学就是古老的炼金术。

炼金术是一门十分有趣的学问，几乎整个古代文明世界，从古代中国、埃及、希腊、阿拉伯文明中都有炼金术。

在古代中国，炼金术与炼丹术并称。两者当然也是有区别的，炼金术是炼金的，炼丹术则是炼丹的。在中国，炼丹比炼金更要让古人着迷一些。这“丹”乃是指能够使人长生不老的仙丹，就像太上老君的九转大还丹。古代的中国人从平民百姓到王侯将相以至于皇帝陛下，无不向望能够经由这种秘法炼制的仙丹而成仙得道，得享无量长寿。最有名的例子就是秦始皇与汉武帝了，他们都想通过吃仙丹仙草之类而长生不老。还有《红楼梦》里的贾敬，更是天天与炼丹术士为伍。这些人的结果我们都知道，纵使炼了千百金丹，最后仍离不了那个“土馒头”。

与古代中国的以炼丹为重不一样，古代西方人则是炼金。想要用不那么宝贵的东西，例如铅、铜之类炼出宝贵的黄金。西方人这种思想是有其久远的源流的，主要又是亚里士多德的理论。亚里士多德认为，所有物质的基础都不过是四种特性，即冷、热、湿、燥，这四种特性又可以衍生出水、火、土、气四种元素，例如水与火分别是由冷与湿、热与燥衍生出来的。更进一步地，如果变动四种特性的比例，这四种元素之间又可以互相转变。既然四种基本元素之间都能互相转变，那么不那么基本的元素之间当然更能转变了。这时，那些相信亚里士多德的聪明人自然想到了其他元素与黄金之间也能够有这样的转变，他们可不只是空想家，而是将这种信念投入了实践之中，这样就诞生了炼金术。

这些西方炼金术士们是这样炼金的：他们首先找到了各种各样比黄金要便宜的试剂，例如铜、铁、铅、硫黄等，又制造出了各式各样特制的容器，然后将这些试剂放在容器里加热，加热的方法也有许多种，用柴火呀、木炭呀、煤呀、油呀等，有时还将这些加热物密封起来。其中最重要的一步当然是如何调配这些试剂，调配时既要注意试剂的种类，又要注意剂量的配合。有时还要加入一些“催化剂”，像各种油脂、水银，甚至鲜血等。总之，凡他们可以找到的各种大自然里有的东西几乎都用尽了，目的只是为了将除金子之外的任何东西变成金子。

这种炼金术从古希腊一直延续到文艺复兴，在中世纪的欧洲尤其盛行。那时他们从阿拉伯人那里翻译过来一些炼金术著作，而阿拉伯人的这些著作是融合了古代希腊与中国的炼金术之菁华的，使欧洲的炼金术士们大开眼界，认为这下找着炼金的秘方了。在沉迷于炼金术的人中，以生活于14世纪初一个叫格贝尔的西班牙人最有名，他写了四本有关炼金术的著作。在这些著作中他神秘地指出，所有金属中都含有硫黄与水银。只要达到一定的条件，例如借助于“哲人石”，通过改变普通金属中水银与硫黄的比例就可以将这些金属转变成黄金。

格贝尔的书成为了后来所有炼金术士的炼金指南，一直流传了数百年之久，直到文艺复兴。

我们知道，文艺复兴是一个科学开始昌明的时代，然而炼金术并没有因科学开始昌明而退出历史舞台。相反，这个时期的西方人已经有了“资本主义”的苗头，更加把金银看得重于一切，更加渴望拥有金银，因此也更加重视炼金术了。许多达官贵人投入了炼金术的热潮中，他们争相聘请各种炼金术士到自己的府第，请他们帮助点石成金。许多贵族且不管有没有弄到金子，先给炼金术士们许多金子再说。这样，许多骗子冒了出来，妄称自己能够炼金，趁机大发横财。有许多蠢驴样的贵族便这样给诈了去。例如神圣罗马帝国的鲁道夫二世就是位这样的傻瓜。他迷恋炼金术，在自己身边养了一大群炼金术士，不断地给他们大笔赏赐，最后金子没找到，倒丢了自己的皇位。但也有许多炼金术士，他们并不是骗子，而是真的相信自己能够炼出黄金，但最后当然谁也没炼成，于是，许多这样的倒霉蛋就被他们感到上了当的雇主杀了。

虽然如此，仍然有许多炼金术士在孜孜不倦地努力，慢慢地，他们中的许多人将目光从单纯的炼金中脱身出来，开始关注物质本身，特别是当他们看到自己的炼制虽然没有得到黄金，有时却能炼制出一些从来没有看到过的新物质时，他们的眼睛便不由自主地转向了这些新物质，努力研究它们，想要了解它们。这时候炼金术士们的器皿也有了不小的改变，变得更加科学化，式样也更多了，许多简直就像现在的化学试验器皿呢！如果你进入这样的炼金术士的“丹房”，会感到自己是进了一个地地道道的化学实验室。除了器皿之外，丹房里还有大量文献资料和书籍等，也很像现在化学家们的研究室。

于是，慢慢地，炼金术士失去了其原来意义上的炼金意义了，开始成为了最早的化学家。他们研究的目的不再是为了炼出金子，而是试图从已有的自然物质中提炼出具有新用途的新物质。这已经与今天的化学工业有本质的相似了。

文艺复兴之后，原来地道的炼金术已经少有人理睬了，这时候科学已经越来越显示出强大的力量，科学家们对于炼金术士们发出了无情的嘲笑。特别是当科学的化学理论创立之后，炼金术就被正式宣判了死刑。

不过我们仍然不要忘记，虽然化学是科学而炼金术是伪科学，但这伪科学仍然是科学的基础，正像许多炼金术士乃是最早的化学家一样。

其实，从炼金术与化学的词源就可以看出它们之间的传承关系。英语中炼金术一词是“alchemy”，它源自拉丁语alchemia，后来这个拉丁词汇在德文中变成了chemie，在法文中变成了chimie，它们就是“化学”一词德文与法文的写法。而在英文中，它就变成了“Chemistry”。

—“化学之父”—

化学将传统的炼金术祖宗判处死刑，并取而代之的时间始于17世纪。这时候，在英国出现了西方历史上第一位伟大的化学家玻意耳。

玻意耳不但是第一个伟大的化学家，还是英国皇家学会的会长与主要创始人之一，他被尊为“化学之父”，所著《怀疑派化学家》至今仍是化学领域内的经典。

玻意耳的主要贡献有三条：一是发现了玻意耳定律，它指出在一定的温度条件下，定量气体的压强与体积成反比。二是提出了新的元素说。他反对亚里士多德的水、火、土、气四元素论，认为存在着一种基本的元素，它不能再分解，它们是一些微粒，正是这些微粒数目、位置与运动等不同方式的结合产生了不同的物质。

玻意耳的第三个贡献是指出了空气对于燃烧的必要性。他想法制造出了真空环境，并且发现在真空环境里，即使再易燃的东西也不会燃烧。从这个理论出发本来可以产生许多伟大的发现，例如发现燃烧所必需的氧气。但他的发现却没有被正确地推广，反而被一种新的不那么正确的理论所解释与代替，这就是燃素说。

燃素说是第一个系统化的化学理论，它也诞生于17世纪，是由一个德国人贝歇尔提出来的。这种理论认为，一切可燃物之所以能够燃烧，是因为在它的内部有一种“燃素”。一切与燃烧有关的化学变化都可以归结为物体的吸收与释放燃素。物体之内含燃素越多，燃烧起来就会越猛烈，反之则否。例如硫黄、磷、油脂、木炭等都是富含燃素的物质，而石头、炉灰、泥土等则不含有燃素，因此它们是不会燃烧的。当物体燃烧时，它里面的燃素就逸出去了。例如，当酒精燃烧后，它的燃素跑了，可燃的酒精就变成了不可燃的水。但燃素在某种条件下又可以回来，例如当我们煅烧金属时，由于它里面的燃素逸出，因此金属就会变成煅灰。如果煅灰与富含燃素的木炭放在一起燃烧时，它可以从木炭中吸收燃素，于是又会重新变成金属。至于为什么即使富含燃素的东西在燃烧时也一定需要空气，燃素说也能提供一个很好的解释：这是因为燃烧时燃素并不会自动从物质中出来，需要一个条件，那就是空气，是空气将燃素从可燃物中“吸”出来而发生燃烧的。

燃素说不仅能解释燃烧现象，还能解释许多非燃烧现象，例如为什么酸能腐蚀金属呢？这是因为酸将金属中的燃素夺走了的缘故。为什么天空中有闪电呢？这是因为大气中含有燃素。

如此等等，燃素说几乎能够解释当时发现的全部化学现象，由于它有这样大的本事，因此被许多人接受，成为统治几乎整个17和18世纪的权威化学理论。

—从空气中发现的新物质—

大约在燃素说大行其道的同时，化学家们在另一方面又不断地获取了新成就，这些新成就是从看上去一无所有的空气中取得的。

玻意耳虽然已经发现一无所见的空中并非一无所有，而是有空气存在，但他还是认为空气只是一种元素与一种气体。到了18世纪之后，人们开始从空气中发现许多性质迥然不同的新气体，发现看上去那么纯净的空气原来是如此复杂、含有如此之多的不同气体。

空气中第一种被发现的气体是二氧化碳。

18世纪中期时，一个叫布莱克的苏格兰化学家在煅烧石灰石时，发现有气体放出来，这种气体可以被石灰水吸收，吸收的同时会在盛石灰水的容器底部产生沉淀，这些沉淀同样是石灰石。与此同时，原来被煅烧的石灰石重量竟然减少了差不多一半。这说明原来的石灰石中差不多有一半重量是那些放出去的气体。后来，布莱克对这种奇怪的气体作了进一步研究，他发现，蜡烛一进入这种气体就灭了，小老鼠在它里面也活不了几分钟。他认识到，这种气体的性质与空气是不同的，例如它不含有“燃素”。

第二种被发现的气体是氢气。

氢气的发现者是著名科学家卡文迪许。1766年时，他在一篇《人造空气的实验》论文中公布了自己的发现。他将锌、铁或者锡块置入盐酸或稀硫酸中获得了一种气体，这种气体自己就能燃烧。他称为“易燃空气”。不过，他是一个燃素说的信奉者，认为这种气体不是来自于酸，而是来自金属。当金属与酸作用时，它就从酸里逸出来。由于这种气体能够燃烧，他甚至认为就是物质中神秘的燃素。

几年之后，布莱克的一个学生又从空气中发现了一种新气体。他发现这种气体不但不能燃烧，甚至能灭火，也不能供动物呼吸，而且它也不像老师布莱克发现的气体一样能够在石灰水中产生石灰石。于是，他称这种新气体为“毒气”，其实就是氮气。

大约在同时，一个叫普里斯特利的英国牧师又弄出了一种新的、更加引人注目的气体。他的方法比较简单，将氧化汞加热，就产生了一种新气体。这种气体最主要的特性是虽然自己不能燃烧，但火焰如果放在它里面会燃烧得更旺。这位牧师先生也是个燃素说的信仰者，他认为之所以发生这样的事情，是因为这种气体里的燃素被去掉了，因此当燃烧的物体放到它里面时，会更快地从燃烧着的物体上进入这气体里，因此火也就烧得更旺。他称这种新气体为“去燃素气体”。这时，另一个瑞典化学家舍勒也发现了这种气体，他称之为“火气”，后来他还发现了有毒的氯气。

—被斩首的伟大化学家—

这些新气体发现之后，尽管发现者大都以老的燃素说去解释它们，而且也似乎解释得通。但有一个人却不这么看，它就是伟大的化学家拉瓦锡。

拉瓦锡1743年诞生于文化之都巴黎。是一个富有的律师的儿子。他早年就读于马萨林学院，在那里受到良好的教育，不但学习了传统的人文知识，还学习了先进的科学知识，如数学、物理学、天文学等。

他最初的打算是像父亲一样学习法律，将来成为父亲一样的大律师与大富翁。才过20岁时，他已经得到了一大笔财产，成了富翁。不久他又取得了律师开业证书，准备真的当大律师了。但不久之后他发现自己的兴趣主要在科学上，于是将主要精力投入了科学研究。先是学习地质学，后来又学习了矿物学。他曾跟随当时一个著名的地质学家盖塔作过一次长途地质旅行。

虽然不过20来岁，但他的科学天才很快就使他崭露头角。22岁时他发表了第一篇论文，是有关石膏硬化作用的。次年他又发表了一篇关于大城市中最佳照明方法的论文。这篇论文立即赢得如潮好评，他因此被授予巴黎科学院的金质奖章。

到1768年时，他因为又写出了一篇有关水样分析的出色论文，被接纳入科学院，成了堂堂的院士，时年仅25岁。

就在同年，拉瓦锡不知道由于什么原因，也许是由于对财政经济问题发生了兴趣，或者是为了有更多的钱，反正钱多不扎手，他进入了一家包税公司。这些包税公司是最黑的地方，他们先向皇家承包定额的征税任务，然后大肆敲诈勒索，反正多的都属于他们自己。他们的劣行遭到了法国民众的普遍痛恨。后来的事实证明，拉瓦锡这一步真是走错了。

28岁时，他与一个叫M·波尔兹的女子结婚，她是一个冰雪聪明的女子，一个出色的制图专家与雕刻家，堪与老公相配，后来成为了他事业上极得力的助手。

进入包税公司后，拉瓦锡开始与政府的上层人士有了密切交往，得以进入许多政府部门，例如他是国家火药研究所的研究员，政府农业委员会的秘书，也是国家度量衡调查委员会的委员等，后来甚至当上了议员。这些职务中最重要的应当是他在火药研究所的职位了，由于他在科学与组织方面表现的出色才能，他在1775年时被任命为政府的火药总监。在这个职位里他的表现也十分杰出，使法国的火药生产面貌一新。

当上了总监后，拉瓦锡便在这年迁入了巴黎的兵工厂，不但把家安在了这里，还在这里建立了一个条件堪称当时最好的科学实验室。不久这里便成为法国乃至欧洲最优秀的科学沙龙，他的妻子成为了一个出色的沙龙女主人。

这时候，由于在政府中担任着许多职位，拉瓦锡每天都有干不完的公务，不过他仍坚持不懈地进行科学研究，取得了一系列重要成就，这些我们后面再说。

拉瓦锡命运的转折点发生在1789年，法国大革命就在这年爆发了。

法国大革命是一场平民革命，他们起来推翻封建特权制度。对于这些平民们，只要谁不是与他们一样的普通市民，只要谁与哪个贵族沾上边，都是他们的敌人，科学家也不例外。在那时，人们搞科研基本上是出于个人爱好，不但没报酬，还得自己大贴腰包，因此一般情况下只有阔佬们才搞得起科学研究。由于与贵族老财沾上了边，大革命后不久科学家便成了革命之敌。

这样的结果是，革命后不久，巴黎所有科学研究机构都面临着被解散的危机，原来的科学家们，运气好的被赶回老家，运气不好的就进了大牢。到1793年时，连光荣的法国科学院也被取缔了，科学家们一个个失了业。

几乎从革命开始的第一天起，拉瓦锡的日子就不好过了。他作为当时最有影响的科学家之一，早就感受着山雨欲来风满楼的气氛。不过，他并没有退缩，在革命爆发的日子里，他还在为科学事业奔走呼号，还在努力为同事们的研究筹措资金。他却想不到两股可怕的暗流正在逼近他。

这两股暗流一是马拉，我们在本丛书的历史卷中曾讲过马拉这位大革命的领袖之一，他在成为政治家前是一个相当有成就的医生和科学家，他也曾想在科学上取得大名声，并向法国科学院递交过一篇论文，在审阅时遭到了拉瓦锡的批评。这一直使马拉耿耿于怀，现在他成了革命领袖之一，当然要找机会惩罚这个贵族兼反动知识分子了。第二个危险的暗流是一个叫弗克罗伊的化学家，他同样是巴黎科学院的院士，曾得到过拉瓦锡的许多帮助，现在却想暗算自己的恩人加上级了。自从1785年起，拉瓦锡就是科学院的院长。

有这样两个可怕的对手，而且他们都是躲在暗处放箭，叫拉瓦锡如何躲得过？1793年11月的一天，魔爪终于伸过来了，拉瓦锡被抓入了大牢，借口他是罪恶的包税公司的一员。

这消息震动了科学界，许多人立即行动起来，设法营救拉瓦锡。他们称拉瓦锡是法国科学界的光荣，为科学作出了多少多少贡献，这样的话语只是招来了革命者们的哄堂大笑。他们的心理，就如同革命法庭的一个副庭长所言：“革命不需要科学”。

拉瓦锡于1794年5月7日被正式处以死刑，审判像革命时期的所有审判一样，十分草率，持续不到一天，并且规定要在24小时之内执行。

第二天，拉瓦锡就在巴黎革命广场被送上了断头台，他泰然受死。

这是科学史上从来也没有过的耻辱，也是法国大革命主要的污点之一。

拉瓦锡被处死之后，另一个伟大的科学家拉格朗日慨叹道：

“在一瞬间砍下的头，在一百年内将不可能产生相同的头”。

—燃烧的秘密—

我们现在来看看拉瓦锡在化学方面的成就。

拉瓦锡的化学研究始于1770年左右，这年他驳倒了当时流传的一个错误观念，那观念认为水经过反复蒸馏可以转化成为土。他经过这样的实验发现，根本不是水变成了土，而是反复的高温蒸馏使实验器皿里面的一层被烧成了土的样子。由这个出发，他进一步反驳了亚里士多德的水、火、土、气四元素说。

接着拉瓦锡开始专注于对燃烧的研究，并在这里为化学作出了划时代的贡献。

1772年，拉瓦锡向科学院提出了初步的报告，指出，当硫与磷在空气中燃烧时，重量为增加，这是因为它们吸收了“空气”，而一氧化铅与木炭一起加热后所生成的金属铅要轻于原有的一氧化铅是因为它失去了“空气”。

这时候，对于他而言，“空气”只是空中的一种带有神秘色彩的气体，它能够与一些物质产生反应并且进入或从这些物质内脱离。至于空气到底是什么，由一些什么成分组成，他还不知道。

到1774年，这年普里斯特利来到巴黎，告诉拉瓦锡他通过汞的红色沉淀（即氧化汞）而得到了“去燃素气体”。拉瓦锡立即重复了这个试验，又进一步作了类似的试验，对之进行了更加仔细的分析，作出了一系列新发现。

其中之一是著名的煅烧实验。拉瓦锡将锡密封在一个曲颈瓶中，加热煅烧，使瓶中的金属变成煅灰，再称量瓶子的总重量，发现并未减少。当他打开瓶子后，发现立即有空气冲进瓶子里，这时再一称就发现瓶子和煅灰的总重量增加了。而且空气进入瓶子里增加的重量，与金属经煅烧后增加的重量正好相等。这说明是瓶子里的一部分空气进入了金属，与之化合，才形成了煅灰。

经过更加仔细的试验，特别是通过普里斯特利的氧化汞试验，拉瓦锡发现空气中只有一部分气体与瓶子中的金属产生了反应，而另一部分气体则没有参加反应。起作用的这部分空气就是普里斯特利所说的“去燃素气体”，拉瓦锡称之为“氧”，意即“成酸的元素”，因为他认为所有酸里都含有这种气体。还有，在这种气体里鸟儿们活得很舒服，格外活跃。另一部分气体他称之为“氮”，意即“无活力的空气”，因为拉瓦锡发现它不但不参加反应，而且鸟儿在它里面也活不下去。他还发现氧可以与碳化合，产生早已发现的“固定的空气”，其实就是空气中的二氧化碳。

到1777年9月，拉瓦锡向科学院递交了一篇正式的论文《燃烧概论》，正式对燃素说提出了批判，并提出了新的燃烧学说。他指出：

1.燃烧时放出光和热。

2.物体只有氧存在时才能燃烧。

3.空气由两种成分组成。物质在空气中燃烧时，吸收了其中的氧，因而加重；所增加的重量恰好等于其所吸收的氧的重量。

4.非金属燃烧后通常变为酸，氧是酸的本质，一切酸中都含有氧元素。金属燃烧后变成煅灰，它们是金属的氧化物。

总之，燃烧不是什么燃素释放的结果，而是燃烧物质与氧化合的结果。

6年之后，他又给科学院提交报告，指出水是“易燃空气”与氧化合的结果。这成果本是由卡文迪许最早发表的，不过他还是用错误的旧燃素说去解释之，称“易燃空气”是燃素。拉瓦锡却作出了新的正确的解释，指出“易燃空气”根本不是什么燃素，而是一种元素，是它与氧化合产生了水，并且他将这种“易燃空气”命名为氢，意思是“成水的元素”。

此后，拉瓦锡继续抨击旧的燃素说，由于他的抨击十分有力有理，燃素说逐渐被人们抛弃，越来越多的人接受了他的新理论。

到1787年时，拉瓦锡终于出版了名著《化学命名法》，对许多已知的元素与化合物进行了重新分类与命名。由于这种命名法更加科学合理、也更容易理解，迅速产生了广泛的影响。

1789年，拉瓦锡与他的同事们创办了《化学年鉴》，传播他的新化学思想，也产生了广泛而持久的影响——这份杂志到今天还在出版，并且是化学领域内的权威刊物之一。

同年，拉瓦锡出版了其经典之作《化学纲要》。书中以大量的实验为根据，系统全面地批判了燃素说，创立了氧化学说。拉瓦锡指出：元素“是化学分析所能达到的真正终点”，其他化合物都来自这些元素之间的化学反应。

书中拉瓦锡还庄严地宣告：没有东西可以真正创造或者毁灭，只有形式的更换与变化，并且变化前后的质量必定相等——这就是我们这个物质世界的基本定律之一，质量守恒定律。

经过这些努力，旧的燃素说终于被人忘却了，化学也步入了一个崭新的时代。