火焰空气是如何形成的？

火焰空气——氧

氧气是空气的组成成分之一，无色、无臭、无味。氧气比空气重，在标准状况（0℃和大气压强101325帕）下密度为1.429克/升，能溶于水，但溶解度很小。

氧气能与很多元素直接化合，生成氧化物。

氧气是人和动植物维持生命所必需的气体。氧气的用途非常广泛，它可用于医疗和高空飞行，纯氧可用于炼钢和切割、焊接金属，液氧用作火箭发动机的氧化剂。

生产上应用的氧气由液态空气分馏得来。实验室借含氧盐类（氯酸钾、高锰酸钾等）受热分解来制取氧气。

氧气的发现经历过一段曲折的过程。18世纪初，德国化学家施塔尔（Stahl G E，1660—1734年）等人提出“燃素理论”，认为一切可以燃烧的物质由灰和“燃素”组成，物质燃烧后剩下来的是灰，而燃素本身变成了光和热，溢散到空间去了。这样一来，燃烧后物质的质量应当减轻，但人们发现，在潮湿的空气中放置的铁块的质量不是减轻，而是增加了，锡、汞等燃烧后，也都比原来重。为什么燃素跑掉后，物质反而会增加呢？随着欧洲工业革命的发展，金属的冶炼和煅烧在生产实践中给化学提出了许多新问题，冲击着燃素理论。

铁、蜡烛、木炭、硫在空气和氧气中燃烧

舍勒是氧气的最早发现者，他在1773年就用两种方法制得了比较纯净的氧气。第一种方法是将硝酸钾、硝酸镁、碳酸银、碳酸汞、氧化汞加热，就会放出氧气。第二种方法是将黑锰矿（二氧化锰）与浓硫酸共热，产生氧气。接着，他对氧气的性质作了研究，他发现，当一种物体在这种气体中燃烧后，这种气体便消失了，所以他把这种气体叫做“火焰空气”。舍勒的研究成果发表在《论空气和火的化学》中，但这本书被出版商延误，直到1777年才出版。而英国化学家普里斯特利于1774年发现氧气后，很快就发表了论文，时间比舍勒还要早。现在，化学史上都认为舍勒和普里斯特利各自独立地发现了氧气。由于舍勒是燃素学说的信奉者，所以他认为燃烧是空气中的“火焰空气”与燃烧物体中的燃素相结合的过程，火是“火焰空气”与燃素形成的化合物，因此，舍勒与普里斯特利一样，虽然发现了氧气，但是都未能对燃烧现象作出正确的解释。

舍勒的生命是短暂的，但他所取得的成果却相当多，他一生发现的新物质有30多种，这在当时是绝无仅有的。在舍勒一生的发现中，最为突出的贡献是发现氧气和氯气。

瑞典科学家卡尔·威廉·舍勒出生于斯特拉尔松城，地处当时瑞典王国波美尼亚境内。他的父亲是瑞典商人，在城内有一家商店。父亲认为他有开药店的才能，14岁就送他到药房当学徒。舍勒早年曾在哥德堡、马尔默、乌普萨拉、斯德哥尔摩等地的药房短期工作过，大部分时间是在小城镇彻平的药房工作，大量实验研究也是在彻平进行的。舍勒经常处于穷困之中，大量的实验工作是用简陋的仪器在寒冷的实验室中进行的。他还经常在夜里工作，这大大损害了他的健康，得了哮喘病，使他在1786年5月21日过早地病故了，终年仅44岁。

舍勒

舍勒去世后，瑞典人十分怀念他，在他150和200周年诞辰时，给他举行了隆重的纪念会。在科平城和斯德哥尔摩都为他建立了纪年塑像，在他墓地前方有方形墓碑。碑上的浮雕是一个健美男子，高举着一把燃烧的火炬。

一、为什么火会灭

一天夜里，舍勒在药店的实验室里，做自己已经安排好的实验。

药店里非常寂静，店门早就关了，店主和店里的小伙计们也早就睡着了。舍勒一个人兴致勃勃地拿着那些瓶瓶罐罐做试验。

舍勒的实验室

他把上次做试验的密闭容器放在水槽里，水涌入了容器到其1/4处停下来了。这个密闭容器是前几天他放入湿铁屑的容器。现在铁屑生锈，空气减少了1/5。他又把一支蜡烛在容器中剩下的4/5空气中点燃，怎么回事，蜡烛居然不能燃烧。难道剩下的空气和那1/5空气不一样吗？

这是为什么？带着这样的思考，他又开始了另一个试验：他从一只盛满了水的大罐子中，取出一小块蜡状的磷。磷这种物质化学性质非常活泼，如果把它暴露在空气中它很快就会自己燃烧起来。所以化学家们一般会把它保存在水里，而且每次取用时也都是在水里切割。

舍勒拿刀插进罐里切下一小块磷。他把这一小块磷放进空烧瓶里，塞上瓶塞，然后把烧瓶在一支蜡烛上加热。烧瓶中的磷很快熔化，在瓶底摊成一片。又过了一会儿，磷开始燃烧起来，发出一阵明亮的火焰，放出白色的浓烟。很快，这些浓烟沉积在瓶壁上变成了一层白霜。整个试验过程很快就完成了。磷立即烧尽变成了磷酸。

这个试验变化很明显能给人留下深刻的印象，可是舍勒似乎并没在意。因为使磷燃烧，观察燃烧的现象，这在很久以前对于他来说就已经不是第一次。现在他感兴趣的不是燃烧的现象，而是烧瓶中的空气在磷燃烧时有什么变化。

烧瓶冷却后，舍勒立刻将瓶口的一端没入水槽中，然后拔去瓶塞。这时候，奇怪的事情又发生了：水槽里的水进入瓶中只填充了烧瓶体积的1/5。

“又是一样！”舍勒喃喃地说，“还是1/5的空气不知道去哪了，水涌进来补充了这些空气剩下的位置……”

奇怪！无论舍勒把什么东西放在密闭的容器里燃烧，总会看见一种相同的现象，即容器内的空气会在燃烧中少掉1/5。烧瓶是用塞子塞严的，瓶里的空气怎么能够跑掉呢？它会跑到哪里去呢？

为了弄清这些，舍勒又开始了另一个试验。他这次想在密闭的容器中燃烧另一种易燃物质——金属溶解在酸中时发生的那种易燃的气体。

舍勒很早就掌握了这种易燃气体的制取方法，所以他能很快就制取到这种气体。舍勒把一些铁屑放进一个小瓶里，然后往铁屑上浇了些稀硫酸溶液。然后他用一个带孔的软木塞把瓶口塞住，并且通过这个孔插上了根长长的玻璃管。瓶里开始反应铁屑吱吱地响，酸也开始沸腾，冒出银色的气泡来。

舍勒用一支蜡烛点燃玻璃管冒出的气体，气体燃烧起来形成一个苍白色火舌。

接着，舍勒把小瓶放进一只盛水的玻璃缸里，又用一只空烧瓶倒扣在火舌上面。烧瓶的口直插进水里，这就使瓶外的空气无法进入瓶中，而那气体就在密闭状态下燃烧。

烧瓶刚一罩到火焰上，玻璃缸里的水立刻往瓶里涌。上面的气体燃烧着，下面的水不断地向上升。水越升越高，那气体所生的火焰也越来越暗。最后，火焰完全熄灭了。这时候，舍勒发现涌入瓶中的水也只占烧瓶体积的1/5左右。

“这样，”他想，“假定由于我不知道的某种原因，而致使空气在燃烧的过程中消失了。可是，为什么消失的只是一部分空气，而不是全部所有的空气？那剩余的气体不是还够燃烧很久吗？铁屑还在响，小瓶里的酸还在沸腾，反应也还在进行着。现在我只要在通畅的地方，把那易燃气体点着，它肯定还会开始燃烧起来。那么，在烧瓶里面，它为什么就要熄灭呢？烧瓶里还剩下4/5的空气呀？”

舍勒心中常常产生的一种模糊的疑念，此时又在他脑海里闪现了一下：

“这么说，瓶里剩下的空气和那在燃烧中从瓶里消失的空气肯定是完全不同。”

舍勒想再准备进行几种新试验，把自己的想法彻底检验一下。可是看了看钟，时间已经不允许了，他叹了口气，停止了工作，开始动手收拾试验用的仪器和药品。

二、拉瓦锡与燃素

1794年5月8日，一位51岁的科学家被指控“在士兵的烟草中掺水”，而被押上断头台。临刑前，这位科学家要求：“情愿被剥夺一切，只要让我做一名普通的药剂师，做一点化学试验，就心满意足了。”然而，他的要求根本就得不到批准。随着行刑官一声令下，法国把自己伟大的化学家拉瓦锡处死了，世界失去了一位人类最杰出的科学家。

这位科学家就是被人们誉为“近代化学之父”的法国科学家拉瓦锡。他的死是科学界的一大损失，以至于法国数学家拉格朗日痛惜感叹道：“他们割下拉瓦锡的头，只不过是一瞬间的事，但是不知在100年之内，世界上还能不能再长出一颗那样的头颅。”

安东·洛朗·拉瓦锡1743年8月26日生于巴黎一个富裕的家庭，他5岁丧母，在姨母照料下生活，11岁进入当时巴黎著名的马沙兰学校，以后升入政法大学。父亲是一位律师，本来想让儿子继承他的事业，但拉瓦锡对科学表现出浓厚的兴趣。1763年，年仅20岁的拉瓦锡就取得了法律学士学位，并且获律师从业证书。拉瓦锡没有马上去当律师，那时他对植物学发生了兴趣，经常上山采集标本使他又对气象学产生了兴趣。

1765年，巴黎科学院有奖征求解决街道照明问题的办法，22岁的拉瓦锡也投交了一篇论文。他提交的方案虽然没有被采纳，但论文的才华还是引起了注意，科学院一致决定发表他的论文，并授予他金质奖章。1767年，拉瓦锡随同地质学家盖达尔一起去野外绘制法国矿产图，旅行结束后撰写了论比重计的论文，结果被选入法国科学院，当时他才24岁。这些促使他走向了自己喜爱的化学道路。

拉瓦锡

但是私人研究化学困难很大，要建实验室、买仪器，资金很难解决。拉瓦锡凭借他律师的眼光，分析了一下财政界，于是发现了一个诀窍。当时封建王朝为了搜刮更多的财富，加重了对人民的税收。而政府并不出面，而是承包给“包税人”。包税人先向国家交一笔巨款，然后再去收税。包税人只要保证向国家缴钱，至于他们向人民收多少税，政府却不管。为了研究化学，拉瓦锡违心地当上了一名包税人。他很快就拥有了自己的化学实验室，同时，又结识了一位美丽贤惠的姑娘玛丽。玛丽是包税公司经理的女儿，才14岁。但他们感情很好，很快他们结为伉俪。玛丽性情温柔，又能写一手好字，并擅长绘画，为丈夫抄论文，绘图表，是一个很好的助手。

拉瓦锡和他的妻子

有一天，拉瓦锡读到的一篇论文，说金刚石在空气中加热，会燃烧起来并且燃烧后的产物什么也没有，就这样金刚石消踪匿迹了（金刚石的化学成分是碳。它会燃烧，变成二氧化碳）。他想，这是不可能的，任何东西燃烧完总要留下一些灰烬的。这篇论文引起了拉瓦锡很大兴趣。

拉瓦锡重做实验。可是结果确实如文章所说的那样，金刚石不翼而飞了。他思考了很久，又采用不同的方法：即在金刚石外面裹上了一层厚厚的石墨稠膏，加热到发红。几小时以后，冷却，剥掉外面的稠膏，金刚石好端端的，没有烧掉！

拉瓦锡研究空气成分所用的装置

“看来燃烧和空气大有关系。”拉瓦锡猜测说。他想用石墨稠膏涂在金刚石上，使金刚石隔绝了空气，所以金刚石没有烧掉。也就是说，在燃烧过程中，空气参与了整个反应而不是燃素。燃素说认为，火是由无数细小而活泼的微粒构成的物质实体。这种火的微粒既能同其他元素结合而形成化合物，也能以游离方式存在。大量游离的火微粒聚集在一起就形成明显的火焰，它弥散于大气之中便给人以热的感觉，由这种火微粒构成的火的元素就是“燃素”。凡物质能燃烧就因为含燃素。而今天的实验，金刚石被裹严时就没有变化，露天时就发生变化，说明原因不在燃素，而在空气。

在燃烧过程中到底空气发生了什么变化呢？能不能通过检验它的重量解答呢？拉瓦锡又设计出另一个实验。

他在密闭的容器里燃烧金属，燃烧前后他都仔细地用天平称过重量，并没有一点变化，他再称金属灰的重量，是增加了，又称烧过后的空气的重量，却减少了，而减少的空气和增加了的金属灰正好重量相等。于是拉瓦锡便发现了化学上一条极重要的定律：重量（质量）守恒定律。物质既不能创生也不能消失，化学反应只不过是物质由这种形式转换成另一种形式。

拉瓦锡的实验室的设备在当时来说是非常先进的。很多科学名人，瓦特、富兰克林也都到他这里做客。一天，英国著名学者普里斯特利来拜访拉瓦锡，他向拉瓦锡介绍了他用凸透境加热汞锻灰发现了一种脱燃素空气（即氧气）。不过，舍勒也是一个“燃素学说”的虔诚的拥护者，他把氧气称为“火焰空气”。正因为这样，他同样没有揭开燃烧的奥秘，与成功失之交臂。拉瓦锡立刻重做了普里斯特利的实验，证实了加热汞锻灰时逸出的气体重量与汞锻炼成锻灰所增加的重量相等。这是拉瓦锡用来推翻燃素学说最有力的证据。后来他又设计了大量精细的燃烧试验都证实了燃素是不存在的。

普里斯特利

拉瓦锡推翻了流传多年的“燃素学说”，指出：“由于人工的或天然的操作不能无中生有地创造任何东西，所以每一次操作中，操作前后存在的物质总量相等，且其要素的质与量保持不变，只是发生更换和变形，这可以看成是公理。”这番话体现了“物质不灭定律”的基本精神。拉瓦锡的思想超越了他的同时代人，因为他不仅注意到了物质在化学反应中性质的变化，而且注意到了数量上的变化，从而使得化学科学割断了与古代炼金术的最后一根纽带，以一种崭新的面目蓬勃发展起来。

拉瓦锡曾经出版过一本《化学教程》总结了他多年来的实验，提出氧化学说，统治化学界近百年的燃素说被彻底推翻。书一出版就被抢购一空。在1789年拉瓦锡又补充修订了这本书，准备再版。他又把那几年新发现的元素整理成一张表，共33种，分为四类：

1.简单物质，光、热、氧、氮、氢等物质元素。

2.简单的非金属物质，硫、磷、碳、盐酸素、氟酸素、硼酸素等，其氧化物为酸。

3.简单的金属物质，锑、银、铋、钴、铜、锡、铁、锰、汞、钼、镍、金、铂、铅、钨、锌等，被氧化后生成可以中和酸的盐基。

4.简单物质，石灰、镁土、钡土、铝土、硅土等。

拉瓦锡正在做试验

这是化学史上第一份科学的元素表。化学在拉瓦锡面前彻底敞开了大门。许多新的现象，没有见过的问题，呈现在人们面前。也许是听到别人的议论，但是他总觉得有什么祸事就要临头，手头的任务怕是干不完了。所以他整天埋头写作，妻子玛丽也加紧帮他画插图。

果然，一天，拉瓦锡坐桌旁工作的时候有两个人进来，传他去法庭一趟。法庭上法官根本没有问几个问题审判得很草率，连拉瓦锡自己这个律师出身的人也没能为自己辩护几句。好心的律师提醒法官：“拉瓦锡先生可是一位全欧洲闻名的科学家啊！”法官说：“革命不需要科学家，只需要正义。”于是当即判了拉瓦锡的死刑。

拉瓦锡纪念馆一角

三、元素名单的刷新

火焰空气即活空气的发现以及燃素学说的垮台，使整个化学领域里发生了翻天覆地的变化。也只有现在，才有可能来认真研究围绕我们的全部世界是由哪些元素组成的。是哪一种物质更为复杂：是磷呢，还是磷酸酐？是炭呢，还是碳酸？是金属呢，还是金属的灰烬？

被命名为窒素（我们叫氮，希腊文无生命的意思）。

拉瓦锡以前的所有化学家认为：“磷当然比磷酸酐复杂，金属当然比金属变成的灰烬更复杂。因为磷本身是由燃素和磷酸酐两种元素组成的，锡里面也包含着燃素和锡粉这两种元素。其余类推。”现在，已经知道物质燃烧或金属生锈（氧化）时，什么也没有失去，反而还把“火焰空气”吸进自己里面。于是一切都完全变了样子。现在必须把磷酸酐看成复合物质，把磷看成元素了，因为磷酸酐是由磷和“火焰空气”化合而成的，而磷再也不能分解成别的物质。必须承认纯碳为元素，而不承认碳酸是元素了。关于金属，拉瓦锡认为所有的金属都是元素，而金属的粉末是复合物质。此外，新发现的“火焰空气”和“无用空气”也出现在元素的名单里。“火焰空气”拉瓦锡给他取名叫酸素（我们叫氧），来表示它能和几种易燃物质化合成酸。例如：和磷化合，即成磷酸；和碳化合，即成碳酸；和硫化合，即成硫酸。而“无用空气”则此前，水一直被认为是一种不可分解的元素。从远古时代起，科学家和哲学家们列举元素时，总是从空气和水开始。空气的复合性被发现后，过了10年左右，人们又研究水的成分。水绝对不是一种元素，只是一种复合物质。英国物理学家和化学家卡文迪许，测定了水和空气的成分后，和拉瓦锡相继证明的。