近代化学革命

三、近代化学革命

自古以来，人类一直对自然界物质的丰富多变充满着好奇，古代炼金术就是这种好奇心的产物。化学主要源于炼金术，到近代科学革命时，人们对化学规律的认识基本上没有什么进展，因为化学的研究对象不像天文、物理那样直观。化学真正取得突破是在玻意耳提出元素概念之后。

1．玻意耳——近代化学的奠基者

罗伯特·玻意耳（ Robert Boyle， 1627— 1691年）是化学史上的第一位伟人，他第一次为化学元素下了明确的定义，使化学发展有了新的起点。恩格斯曾对此评价道：“玻意耳把化学确立为科学。”玻意耳出生在爱尔兰，小时在伊顿就学，读书时非常喜欢实验科学，他最崇拜的人是英国大哲学家和科学家弗兰西斯·培根。他认为，培根是一个脚踏实地的人，他把培根说的“知识就是力量，力量就是知识”作为自己一生的座右铭，他主张，“空谈无济于事，实验决定一切”。

玻意耳大胆批驳了当时炼金术士的三要素说和仍广为流行的亚里士多德的四元素说，提出了科学的元素定义。在他的代表作《怀疑的化学家》（1661年）一书中，他说道：我说的元素是指“某些原初的和单纯的即丝毫没混合过的物体，这些物体不是由任何其他物体组成，也不是相互组成，而是作为配料，一切所谓的完全混合物体都直接由它们化合而成，最终也分解成它们”⁽¹⁸⁾。

玻意耳的元素定义的提出，激起了人们对已知的“元素”进行重新鉴别的热情。当然，从现代化学的观点看，玻意耳所定义的元素实际上是单质，他以这一定义将单质与化合物和混合物区别开来。不过人们发现，根据玻意耳的元素定义，被炼金术士们称作元素的硫和汞确实是元素，而被炼金术士们称为元素的盐、水和空气根本不是元素；反之，炼金术士们认为不是元素的铜、铁、锌、碳等倒是真正的元素。正是在玻意耳的元素定义的指引下，人们逐渐发现了一系列新的化学元素，而化学也因之得以迅速进步。玻意耳的科学的元素概念以及他对各种化学现象和化学物质的深入研究，使化学真正以科学的形态出现了。作为研究物质及其变化规律的化学，把化学元素当成了自己最基本的概念，因此，这个概念的确有着十分重大的意义。它不仅是化学史上的一个里程碑，而且是整个科学史上的一个里程碑，因为它标志着人类对物质基本组成的认识进入了一个科学的新阶段。

2．燃素说

1669年，德国医生兼化学家贝歇尔出版了《土质物理学》一书，提出了燃素说。他认为，燃烧是一种分解作用，是复杂物质分解成硫、汞、盐这些简单东西并放出“油土”（燃素）而剩下“石土”或“汞土”的过程。德国化学家施塔尔对老师贝歇尔的理论极为推崇，1703年，他根据当时已知的各种燃烧现象，提出了比较系统的燃烧理论。他认为，可燃的要素是一种气体物质，它存在于一切可燃的物质中，他把此种要素称之为“燃素”。“燃素”在燃烧的过程中，从可燃物中飞散出来，与空气结合，从而发光发热，这就是火。他还认为，物质失去燃素就会变成灰烬，灰烬获得燃素还会复活起来。施塔尔在解释金属燃烧过程中还提出一个公式：金属－燃素＝煅灰。

对有机物燃烧需要空气的原因，施塔尔解释说，因为空气可以帮助燃烧物把“燃素”吸出来。后来，人们经广泛地研究燃烧现象发现，某些金属燃烧时，它形成灰烬的重量反而会增加，这样用上述公式就无法解释。这时燃素说的维护者又说燃素和“灵气”一样与地心是相排斥的，具有“负重量” 。金属在燃烧时失去燃素，好比活着的人失去灵魂，因此就像尸体比活着的时候要重那样， “死”的灰渣自然就比活的金属重。在当时，燃素说虽然有些牵强附会，但是它足以说明当时大多数化学现象，着眼于从物质燃烧本身去解释燃烧，完全抛弃了炼金术士的神秘理论。在燃素说流行的一百多年中，化学家们积累了许多实验材料，这些材料对近代化学的发展和科学的燃烧理论的建立都是有价值的。因此，恩格斯指出化学是“借燃素说从炼金术中解放出来”。

3．揭开燃烧的秘密——拉瓦锡革命

18世纪后期，越来越多的化学实验结果使燃素说穷于应付，无法自圆其说， 1774年，普里斯特利和舍勒两位化学家分别发现了氧气，化学也由此迎来了大发展的转折点。

约瑟夫·普里斯特利（ Joseph Priestley， 1733—1804年）出生于英国利兹城附近的菲尔德海德， 1765年获爱丁堡大学法学博士。他的职业是牧师，化学只是他的业余爱好。他1772年发现了二氧化氮、 1773年发现氨、 1774年发现二氧化硫。 1774年，他利用一个大凸透镜，把阳光聚集起来，加热氧化汞，用排水集气法收集产生的气体，并研究了这种气体的性质。他发现在这种“空气”中不仅蜡烛会更旺盛地燃烧，而且火焰非常之大。他又将小白鼠放入这种气体中，他发现小白鼠活的时间延长了四倍。他自己亲自闻了一下，觉得这种“空气”使呼吸轻快了许多，使人感到格外舒畅。由此，普里斯特利知道自己发现了一种新气体，但由于他是燃素说的忠实信徒，他认为，这种气体之所以助燃能力特别强是因为该气体中一点燃素也没有，因而吸收燃素的能力特别强，因此，他称该气体为“脱燃素空气” 。

另一位发现氧的是瑞典化学家舍勒。他用高锰酸钾制得氧气，并发现这种气体有助燃的作用。由于他也相信燃素说，于是他把制得的氧气称为“助火空气” 。他是这样解释的：这种“助火空气”能够帮助燃烧，与燃素生成的化合物是火，燃烧便是这种“助火空气”与燃烧物体中的燃素结合的过程。他的解释与普里斯特利大同小异。

普里斯特利和舍勒两人分别独立地发现了氧，但都没有能进一步揭开燃烧的秘密，最后揭开燃烧奥秘的是拉瓦锡。

安托万·洛朗·拉瓦锡（ Antoine Laurent Lavoisier，1743— 1794年）出生于法国巴黎，其父是一位富有的律师。虽然拉瓦锡早年学习的科目是法律，但他对法律不感兴趣， 1763年法律专业毕业并取得律师开业证书后转向研究自然科学。 21岁时从事地质学研究，后又转为学习化学。拉瓦锡一直对“燃素说”持怀疑的态度，他实在难以接受“燃素”具有负重量的说法。1772年2月，他读到一篇研究报告，其中谈到“在高温下烧得炽热的金刚石会消失得无影无踪” ，这一实验结果使他深受启发——那么，在没有空气的条件下，加热金刚石会怎样呢？于是他把金刚石用调成糊状的石墨厚厚地包上一层，再把这些乌黑的圆球放在烈火中烧得通红，几小时后，剥去石墨外衣，里面的金刚石竟然完好无损！拉瓦锡琢磨：金刚石的失踪看来与空气有关，莫非它与空气发生作用了？这种想法和“燃素”学说截然相反！为了证明自己的设想，他用白磷做了一系列实验，毫无例外，白磷燃烧之后产生的白烟比白磷重了，这证明磷和空气发生了化合。而白磷在燃烧过程中，只有五分之一的空气可以助燃，拉瓦锡把这种空气暂时称为“有用空气” 。

接下去的几年里，拉瓦锡连续做了大量关于燃烧和气体方面的实验，他用实验证实金属能与“有用空气”相结合。 1774年10月，普里斯特利到巴黎访问，向拉瓦锡介绍了自己的实验：氧化汞加热时，可得到“脱燃素气体” ，这种气体使蜡烛燃烧得更明亮，还能帮助呼吸。拉瓦锡重复了普里斯特利的实验，得到了相同的结果。他又用制得的气体逆向重新和汞作用，结果又生成了氧化汞。这下完全清楚了，物质燃烧的过程，就是它与这种气体相化合的过程。拉瓦锡认为，这种气体是一种元素， 1777年正式把这种气体命名为“氧” ，含义是酸的元素。

拉瓦锡经过研究认为：空气由两部分组成，一部分可以维持燃烧，另一部分不能维持燃烧，在不能维持燃烧的空气中，活的生命体会死亡。燃烧只是物质与空气中的氧进行化学反应的现象，根本不存在“燃素” ， “燃素”只是因为人们对燃烧现象不了解而臆造出来的。 1777年9月5日，拉瓦锡向巴黎科学院提交了划时代的具有深远意义的论文《燃烧概论》 ，建立了燃烧的氧化学说，主要内容是：①空气由两种成分组成，物质在空气中燃烧因与氧结合而加重，所增之重等于吸收氧之重；②物质只有在氧存在的情况下才能燃烧；③物质燃烧时有光和热产生；④一般非金属燃烧时通常变为酸，而金属煅烧时生成金属氧化物。

拉瓦锡的氧化燃烧理论在1785年终于被著名科学家拉普拉斯第一个承认，后来又得到许多著名的物理学家和化学家的承认，并认为拉瓦锡的理论是“化学中的革命” 。拉瓦锡的氧化理论彻底推翻了长达百年之久占统治地位的燃素说，完全割断了化学与炼金术的联系，使得化学重新恢复了科学的本来面目。