科学化学的确立与燃烧的氧化理论

（一）从炼金术到化学

炼金术的思想源头在亚里士多德的“四元素”说。西方最早的炼金术著作是伪托德谟克里特的名字写的（约公元100年）。西方炼金术认为金属都是活的有机体，逐渐发展成为十全十美的黄金。这种发展可加以促进，或者用人工仿造。所采取的手段是把黄金的形式或者灵魂隔离开来，使其转入贱金属；这样贱金属就会具有黄金的形式或特征。金属的灵魂或形式被看作是一种灵气，主要是表现在金属的颜色上，因此，贱金属的表面镀上金银就被当作是炼金术者所促成的转化。

文艺复兴时期，炼金术分成三个走向：一是继续传统的点石成金术（将贱金属炼为贵重金属）；二是将炼金术知识用于医药方面，形成了所谓的医药化学运动；三是将炼金术知识用于矿物冶炼方面，形成了早期的矿物学。

化学作为一门科学是从炼金术和化学工艺中脱胎而来的。在从炼金术到科学化学的转变中，冶金化学和医药化学起了桥梁作用。

使化学开始从炼金术的影响下解放出来，真正成为一门科学的是英国科学家波义耳（1627年—1691年）；他于1666年出版的《怀疑的化学家》，提出了化学的基本理论。

波义耳是一位英国贵族的后代，也是一位神童。11岁随同家庭教师周游欧洲，读到了伽利略和笛卡儿的著作。1644年回国，父亲已经去世，给他留下了一份遗产。1654年，波义耳移居牛津，在那里结识了胡克并收为助手，关于压缩空气的实验就是在这段时间做的。1668年，波义耳移居伦敦，在那里建立了一家私人实验室，埋头从事化学实验，写出了许多实验报告和理论著作。

波义耳对化学科学的确立有三大贡献：

第一，波义耳第一次明确地把化学视为自然科学的一个独立学科，并把化学同化学工艺严加区别。冶金化学家和医药化学家，虽然在物质分类和定量实验方面做了许多工作，但他们的工作依然是为着实用的目的。从波义耳开始，化学被看成一门理论科学，它不只是制造贵重金属或有用药物的经验技艺，而是自然哲学的一个分支，主要从事对物质现象的理论解释。确立这样的化学概念，是波义耳的第一个重要贡献。

第二，波义耳继承古希腊原子论思想，把构成自然界的材料视为一些细小致密、用化学方法不可分别的粒子，这些粒子又可以结合成大小和形状不同的粒子团，粒子团是参加化学反应的基本单位，也是决定物质性质的根本原因。

第三，波义耳确立了元素的科学内涵。既反对亚里士多德的四元素说，也反对帕拉塞尔苏斯的三要素说，在他看来，万物由不多几种元素组成思想是不可靠的，这就好像读一本密码书只认识里头的几个字，这样的破译是不可能的。他在书中说：“我所指的元素，就是那些化学家讲得非常清楚的要素，也就是某种不由任何其他物质构成的或是互相构成的原始的和简单的物质，或是完全没有混杂的物质，它们是一些基本成分，一切真正的混合物都是由这些成分直接混合而成的，并且最后仍可分解为这些成分。”^[19]他这里所说的混合物即化合物，他这里讲的元素定义还不是现代意义上的元素概念，他还没有把元素同单质区分开。他认为化学的任务是研究物体由什么元素构成，能分解为何物，又能化合为何物。

（二）燃素说与氧气的发现

波义耳在燃烧问题上，提出了“火微粒”的理论。在他看来，火是一种由“火微粒”构成的物质元素。他曾在密闭容器内煅烧金属铜、铁、铅、锡等，仔细定量地研究了它们在煅烧后增重的情况，最后得出结论，在金属煅烧时，从燃料中散出来的火微粒，穿透容器壁，钻进了金属，并与它们结合形成了比金属本身更重的煅灰。

1703年，德国化学家施塔尔（1660年—1734年）正式提出了燃素说。认为“燃素”是火微粒子构成的火元素。一切可以燃烧的物质本身都含有“燃素”。一切与燃烧有关的化学变化，都可以归结为物体吸收燃素和释放燃素的过程。物体的燃烧过程，就是失掉燃素变为灰渣的过程。如用木炭煅烧金属汞，燃素从中逸出，变成灰渣；灰渣又与木炭混合燃烧，从木炭中吸收燃素，汞金属重生。由于“燃素说”比较好地解释了众多化学现象，似乎符合人们的常识，因而燃素说支配了化学家的思想达一个世纪之久。

燃素说可以解释氧化—还原反应，但正好相反，凡是氧化（得到氧，即化合）过程均被解释成分解过程（失去燃素），凡是还原（失去氧，即分解）过程均被解释成化合过程（得到燃素）。燃素说作为一种化学理论是错误的，但它比炼金术大大前进了一步。炼金术是与宗教观念和神秘主义联系在一起的，玄妙莫测；燃素说则要求化学家研究实实在在的物质变化本身，它是作为一种科学假说提出来的。在燃素说思想指导下，化学家对气体、金属、氧化物和盐类，都做了相当多的研究，推动了化学的发展。

18世纪后半叶，随着冶金工业和实验化学的发展，燃素说越来越暴露出破绽：一是没有人看见过燃素，也无法证明燃素的存在；二是金属燃烧后变重了，说明燃素非但没有重量，而且是负重量，不可思议。燃素说面临挑战。后来人们陆续发现了氢气、氮气、氯气等气体，尤其是氧气的发现，为氧化理论的建立提供了基础。

最先制得氧气的并对其性质进行研究的是瑞典化学家舍勒（1742年—1786年），他曾进行了大量火和空气的实验研究。1773年左右，他用两种不同的方法制得他称之为“火空气”的气体（氧），并通过实验证明：空气中也含有“火空气”，“火空气”有助于燃烧和一切与燃烧相似的过程，“火空气”可以同普通空气相分离。后来，他还发现了氯、硫化氢、氧化钡、氢氰酸、高锰酸盐等。虽然舍勒坚信燃素说，总把自己的发现用燃素说来解释，但其实验的结果对于后来氧化说的建立具有很大价值。

1774年，英国化学家普里斯特列（1733年—1804年）用聚焦太阳光加热氧化汞，收集到氧气。由于他信奉燃素说，就把氧气称为“失去燃素的空气”。 1781年，他还当众表演过用氢气和氧气靠蜡烛火使其合成为水珠的实验，但他仍坚信水是元素，不能正确理解自己所做的实验。直到他去世的前一年，他还出版了《论燃素说的成就并驳水是化合物的观点》，笃信燃素说至死未变。

舍勒和普里斯特列虽然都独立地发现并制得了氧气，但由于他们都信奉燃素说，造成他们片面、错误地理解判断自己的发现，错失建立新理论的机遇。但普里斯特列所进行的一系列实验和记录的结果，则为后来拉瓦锡氧化学说的建立奠定了实验基础。

（三）燃烧的氧化理论的确立

推翻长期统治人们化学思想的燃素说的是法国化学家拉瓦锡（1743年—1794年）。拉瓦锡继承和总结了波义耳、普里斯特列等人的研究成果，于1774年—1775年间，反复进行了普里斯特列的燃烧实验和波义耳煅烧金属的实验。

拉瓦锡出生于巴黎，先是学习地质学，后又学习自己非常感兴趣的化学。他从波义耳的著作中获知，当把铅或锡放在一个内有空气的封闭容器内加热时，它们将变成相应的金属灰，并且重量增加。拉瓦锡重新做了波义耳的实验，他比波义耳高明之处是在加热前后都精确地称量了金属的重量，也称量了整个容器的重量，确认煅烧后金属增重但总重量未变，这就得出了与波义耳不同的结论。

1774年，拉瓦锡设计了一个实验。他在一个密闭的容器里加热锡和铅，两种金属表面均起了一层金属灰。从前的实验都表明带有金属灰的金属比原来的要重，但他发现，整个容器在加热后并不比从前更重，这就是说金属增加了重量，空气必定失去了重量。空气若有所失，便会在密闭容器里形成部分真空。果不其然，一打开容器，空气马上涌了进来，容器重量立见增加。这个实验充分证明了，金属燃烧的结果是与部分空气相化合。

当时拉瓦锡并不知道空气是多种气体的混合物，在他向科学院的报告中也没有进一步的解释。但同年，普利斯特列访问巴黎，告诉了拉瓦锡他已发现“脱燃素空气”。次年，拉瓦锡重做了普利斯特列的实验，明确地得出燃烧即与空气的较纯净部分相化合的结论。这个部分他当时称为“最宜于呼吸的空气”，空气的其余部分则称为“硝”，即无生命的意思。1790年，化学家查普特尔改称为“氮”，沿用至今。1779年，拉瓦锡建议将“最宜于呼吸的空气”称作“氧”，意思是“可产生酸的东西”，因为他认为各种酸里都含有这种气体。

1777年，拉瓦锡在《燃烧通论》一书中系统地提出了氧化燃烧学说，揭示了燃烧和空气的真实联系，指出燃烧是有氧气参加的发出光和热的化学反应。物体只有在氧存在时才能燃烧；金属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气的重量。

1783年，拉瓦锡又发表了《对燃素的沉思》，进一步揭露燃素说的错误；指出了燃素说的诸多困难，相反，氧化理论可以十分恰当地解释燃烧现象，燃素理论完全是一种不必要的学说。也是在这一年，拉瓦锡的家里举行了一个仪式以宣告燃素说的终结。拉瓦锡夫人身着长袍，扮作女祭司的样子，焚烧了斯塔尔和其他燃素论者的著作。

历史上，卡文迪许、波义耳、舍勒、普里斯特列等人都是气体化学方面的专家，都进行过大量有关燃烧方面的实验，舍勒和普里斯特列还发现了氧气，但他们都未能冲破传统观念的束缚，发现真理。而拉瓦锡恰恰相反，他思想解放，不迷信权威，敢于打破传统，富有科学的怀疑和批判精神；他能够在别人实验的基础上，进行认真的分析，做出合乎逻辑的推理判断，正确阐述自己所得到的实验结果。这是拉瓦锡能成功建立氧化学说的主要原因。

拉瓦锡于1768年当选为科学院院士，同年成为征税官。法国大革命（1789年）后，任财务秘书。1793年11月，国民议会下令逮捕所有的征税官，于是拉瓦锡被捕入狱。1794年5月8日，拉瓦锡因包税罪被送上断头台，终年52岁。在法庭上，拉瓦锡曾要求缓期执行死刑，因为他还有一个关于人汗的实验尚未作完，革命法庭拒绝了这一请求，并说了一句：“共和国不需要学者。”拉瓦锡被处决的第二天，拉格朗日悲愤地说：他们砍下拉瓦锡的脑袋只需要一瞬间，可法国再过100年也长不出这样一颗脑袋。

法国人完全懂得拉瓦锡的价值，拉瓦锡死后不到两年，巴黎就为他立了半身塑像。