科学的燃烧理论

科学的燃烧理论

科学的燃烧理论

1．信奉燃素说的学者制备氧气

舍勒和普利斯特里由于受燃素说的错误影响，虽然都有办法制备氧气，但是都未能对他们的重要发现做出正确解释。只有法国化学家拉瓦锡在普利斯特里对氧气研究的基础上得出了合理的结论，并推翻了错误的燃素说。

瑞典化学家舍勒是氧气的最早发现者。1773年，舍勒用两种方法制得比较纯净的氧气。舍勒将他的研究成果发表在《论空气和火的化学》一文中，但被出版商延误到1777年才出版。

舍勒在1773年发现了制备氧气的两种方法。

第一种方法是分别将硝酸钾KNO₃、硝酸镁Mg（NO₃）₂、碳酸银Ag₂CO₃、碳酸汞HgCO₃、氧化汞HgO加热分解放出氧气，其中主要反应如下：

另一种方法是将黑锰矿（MnO₂）与浓硫酸共热产生氧气：

舍勒研究了氧气的性质，他发现可燃物在这种气体中燃烧更为剧烈，燃烧后这种气体便消失了，因而他把氧气叫做“火气”。舍勒是燃素说的信奉者，他认为燃烧是空气中的“火气”与可燃物中的燃素结合的过程，火焰是“火气”与燃素相结合形成的化合物。

英国化学家、唯物主义哲学家普利斯特里（见图8－3）于1774年发现氧气后，很快就发表了研究论文，时间比舍勒早。普利斯特里的方法是把氧化汞放在玻璃制密闭容器内，用聚光镜加热而制得氧气。普利斯特里始终坚信燃素说，甚至在拉瓦锡用他们发现的氧气做实验，推翻了燃素说之后依然故我。

图8－3　普利斯特里的塑像和他的著作

普利斯特里称氧气为“脱燃素气”，他在文章中写到：“我把老鼠放在‘脱燃素气’里，发现它们过得非常舒服后，我自己受了好奇心的驱使，又亲自加以实验，我想读者是不会觉得惊异的。我自己实验时，是用玻璃吸管从放满这种气体的大瓶里吸取的。当时我的肺部所得的感觉，和平时吸入普通空气一样；但自从吸过这种气体以后，经过好长时间，身心一直觉得十分轻快舒畅。有谁能说这种气体将来不会变成通用品呢？不过，现在只有两只老鼠和我才有享受呼吸这种气体的权利。”

普利斯特里一生大部分时间是在英国的利兹作牧师，化学研究仅是业余爱好。1773年他结识了著名的美国科学家兼政治家富兰克林，他们后来成了经常书信往来的好朋友，普利斯特里受到好朋友多方面的启发和鼓励。他在化学、电学、自然哲学、神学四个方面都有很多著述。

1774年，普利斯特里到欧洲大陆参观旅行。在巴黎，他与拉瓦锡交换化学方面的看法。正直的普利斯特里同情法国大革命，曾在英国公开做过几次演讲，结果英国一批反对法国大革命的人烧毁了他的住宅和实验室。普利斯特里于1794年他61岁时不得已移居美国，在宾夕法尼亚大学任化学教授。美国化学会认为他是美国最早研究化学的学者之一。他住过的房子现在已建成纪念馆，以他的名字命名的普利斯特里奖章已成为美国化学界的最高荣誉。

尽管在拉瓦锡之前，舍勒和普利斯特里先后发现了氧气，但是他们并没有利用自己的发现来推翻燃素说。推翻燃素说还要等待后来的拉瓦锡。

2．拉瓦锡推翻燃素说

从17世纪末至1774年法国化学家拉瓦锡提出燃烧的氧化学说的大约一百年间，一直在欧洲流行的燃素说在化学界占据着统治地位。燃素说实际上是很不科学的，但许多著名化学家如舍勒、普利斯特里、卡文迪什却都拥护燃素说。

推翻燃素说的科学家是拉瓦锡，关于拉瓦锡的传记很多，在自然科学史里，专门介绍他的生平的书籍和论文有几十种之多。

1771年间拉瓦锡还不知道布拉克（1728～1799）的潜热理论，布拉克是英国化学家和物理学家法拉第的老师。拉瓦锡从实验中观察到，冰和水如果混合在一起，温度保持不变，这就是潜热的作用。他当时没有公布潜热实验的结果，是后来人们从他的实验记录本上找到这一记录的。

1772年，拉瓦锡观测到氧化现象，使他在化学革命上迈出了一大步，这个革命可以总结为一句话：燃素说是错误的！他的新化学一度命名为“反燃素化学”。他燃烧了称过重量的磷和硫，发现所得产物的重量大于单纯的磷和硫，这年秋天，拉瓦锡仔细地证实了实验报告，把实验结果寄给了巴黎科学院。

1773年2月20日，拉瓦锡在他的实验记录本上写了一句话：“我所做的实验使物理学和化学发生了根本的变化。”是他的实验使科学发生了革命，从化学史来看的确是这样的。1774年他写了一本很重要的书，书名就是《物理学和化学的重点》。

1774年10月，普利斯特里去巴黎参观，并与拉瓦锡及其他法国化学家座谈。他告诉他们，如果把红色的汞沉淀加热，可以得到一种很难溶于水的气体，比起普通空气来，它使蜡烛烧得更光亮。这实际上就是氧，普利斯特里叫它脱燃素气。拉瓦锡听到之后，在1775年把红色汞化合物拿来加热，他本来以为可以得到“固定气”（即CO₂），结果得到另外一种气体：通过石灰水以后不发生沉淀，而蜡烛在这种气体里燃得更光明。所以他得出结论，这不是普通空气，它比普通空气更纯。

1775年4月26日，拉瓦锡在巴黎科学院宣读了他的报告。拉瓦锡知道普利斯特里的发现，但他在实验报告里误把普利斯特里写成了“Prisley”，此外，他当时也用了脱燃素气这个名称。

1777年3月21日，拉瓦锡在巴黎科学院又宣读了一篇《极纯空气》的论文。

到1779年，他仍称这种气体为极纯空气或“生气”（vital air）。后来利用希腊文的“酸”和“根”两个字，组成oxigine一名。到1787年，在他和另外三人合著的《化学命名法》一书里才用了oxygene（法文，英文为oxygen）一名，我们现在翻译成氧气。德文里至今译成Sauerstoff，日文利用原字的本意，翻译成“酸素”。中文中氧气的命名也有多次变化，最早是在英国传教士、医生合信（1816～1873）所写的《博物新编》里使用的。这本书在1855年出版，用了养气（生气）一名。到了1920年，郑贞文在商务印书馆担任编辑的时候，加了气字头。后于1928年经中国化学会讨论，决定用“氧”字。

拉瓦锡又做了一个实验：他把氧气和氢气（当时叫“可燃气”）放在一起燃烧的时候，可以得到很高的温度，可使铂熔化。他在1782年4月10日，在巴黎科学院当众做了实验，引起了很多人的注意，认为这是当时能够得到的最高温度。

从古以来，人们一直认为水是一种基本元素，可是拉瓦锡却不这样想。当时英国的卡文迪什派了一位助手来看拉瓦锡，并且告诉他水可以分成氢和氧两种元素。拉瓦锡为了证实起见，自己重复了卡文迪什的实验，证明了水的确不是一种元素，是可以分解成氢气和氧气的，水的成分由此得已确定。拉瓦锡告诉卡文迪什的助手，他利用了很干燥的氢和氧两种气体，燃烧之后也得到了水。因此水是一种元素的古代传说被证明是不正确的了。

1783年，法国有人用氢气使东西升高，此事轰动一时，当时认为人能飞到像云那样高。法国政府组织了一个委员会，指定科学院来研究这一问题，这个委员会有三位物理学家和两位化学家，拉瓦锡是这个委员会的成员。实验中，拉瓦锡把水滴在加热的炮筒上用以产生氢气，并且由此得到了大量的氢气。1785年，拉瓦锡又在兵工厂里做了这个实验，并请很多人来参观，从此人们才相信水并不是元素。氢气也是由拉瓦锡开始使用现在的名称（英文为hydrogen）的。

从此拉瓦锡就更反对燃素说了。他曾发表一篇很出名的文章《燃烧概论》，这篇文章成为反对燃素说的一篇最重要的论文，也是拉瓦锡一生最重要的论文，曾经译成英文、德文、意大利文和西班牙文。这以后，很多化学家不再相信燃素说。

1789年，拉瓦锡写了一本重要的书《化学基本概念》，这本书也译成欧洲的几种文字。他给了元素一个定义：“凡是简单得不能再分解的物质，才可以称为元素。”但是他在这里也犯了错误：他认为少量存在的物质不是元素，例如他认为黄金不是元素，因为它在地球上存量不多。

拉瓦锡在发酵方面也有一定的成就。他把发酵分成三类，分别是酒精的发酵、醋酸的发酵和肉类的发酵。他在酒精发酵方面进行了相当多的工作，他认为糖类发酵可以得到乙醇、二氧化碳和醋酸。

1785年，拉瓦锡在法国皇家医学会宣读了一篇研究呼吸作用的论文，许多生理化学家都承认拉瓦锡是第一位研究呼吸作用的人。他注意到人在静止和运动时所需氧气的多少不相同。当然，拉瓦锡也有不少错误观点，例如他认为凡是含有氧元素的化合物都是酸性化合物；他分析了硫酸、硝酸等，发现都含有氧，但在分析盐酸时没有发现氧，但是他仍认为盐酸含有氧，只是结合很牢固分离不出氧气来。