化学的发展

3．1．4　化学的发展

化学在这个时期还没有成为一门独立的科学，因为化学与医学的关系非常紧密，正是在化学领域的突破，外科手术、现代制药技术等才成为了可能。而在中世纪，化学还只是巫师、炼金术士们的小把戏，真正把化学拉入科学殿堂的是波义耳（Robert Boyle）。

波义耳在科学研究上的兴趣是多方面的，他曾研究过气体物理学、气象学、热学、光学、电磁学、无机化学、分析化学、物质结构理论以及哲学、神学，其中成就突出的主要是化学。

和当时的许多科学家一样，波义耳首先研究的对象是空气。通过对空气物理性质的研究，特别是真空实验，他认识到真空所产生的吸力乃是空气的压力。他做了一系列实验来考察空气的压力和体积的关系，并推导出空气的压力和它所占体积之间的数学关系。在他的著作《关于空气弹性及其物理力学的新实验》中，他明确地提出：“空气的弹性和它的体积成反比。”法国物理学家马略特（Edme Mariotte）在15年后也根据实验独立地提出了这一发现，所以后人把关于气体体积随压强而改变的这一规律称作波义耳马略特定律，这一定律用当今较精确的科学语言应表达为：一定质量的气体在温度不变时，它的压强和体积成反比。

波义耳读了很多前人在化学实验方面的著作，这使他对化学有了自己的想法。在当时德国有一位工业化学家格劳伯，他的大半生从事的都是化学实验，他对金属冶炼、酸碱盐的制取研究颇多，对德国工业的进步有很大的贡献。读过格劳伯的化学实验著作《新的哲学熔炉》后，波义耳得到了一个重大的启示：化学在工业生产中具有重大的意义，而不应该只限制于制造医药。波义耳根据自己的实践和对众多资料的研究，主张化学研究的目的在于认识物体的本性，因而需要进行专门的实验并收集观察到的事实。这样就必须使化学摆脱从属于炼金术或医药学的地位，发展成为一门专为探索自然界本质的独立科学。这就是波义耳在《怀疑派化学家》中所阐述的第一个观点。为了引起人们的重视，他在书中进一步强调指出：“化学到目前为止，还是认为只在制造医药和工业品方面具有价值。但是，我们所学的化学，绝不是医学或药学的婢女，也不应甘当工艺和冶金的奴仆，化学本身作为自然科学中的一个独立部分，是探索宇宙奥秘的一个方面。化学，必须是为真理而追求真理的化学。”而对于化学的独立性的确立，他决定从元素着手，首先是对传统的元素论产生了怀疑。最早提出元素这一概念的是古希腊一位著名的唯心主义哲学家柏拉图，他用元素来表示当时认为是万物之源的四种基本要素：火、水、气、土。柏拉图的学生亚里士多德则进一步明确提出构成万物的四元素说，这一学说曾在两千年里被许多人视为真理。后来医药化学家们提出的硫、汞、盐的三要素理论也风靡一时。但在波义耳的实验之后，提出这些说法并不正确，因为有很多东西都不是由它们所组成的。比如黄金就不含这些“元素”，也不能从黄金中分解出硫、汞、盐等任何一种元素。恰恰相反，这些元素中的盐却可被分解。对于元素，波义耳认为应该是只有不能用化学方法再分解的简单物质才是元素。其实从今天的角度看，波义耳说的是单质的问题，但在那个时代，能提出这个已经是很大的成就了。从一定程度上，他找到了化学研究的方向，可以说是找到了走向近代化学的方向，从而引导了化学走上培根所说的实验道路。

同时期的还有一位拉瓦锡（见图33），这是一个化学天才，他为后人留下的杰作是《化学概要》，这篇论文标志着近代化学的诞生。在这篇论文中，拉瓦锡除了正确地描述燃烧和吸收这两种现象之外，在历史上还第一次开列出化学元素的准确名称。名称的确立是建立在物质是由化学元素组成的这个基础之上的，而在此之前，这些元素有着不同的称谓。在书中，拉瓦锡将化学方面所有处于混乱状态的发明创造整理得有条有理。

图33　拉瓦锡

化学家拉瓦锡原来是学法律的。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。拉瓦锡的父亲是一位颇有名气的律师，家境富有，所以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，后来他又对气象学产生了兴趣。在地质学家葛太德的建议下，拉瓦锡师从巴黎著名的化学家鲁伊勒教授。从此，拉瓦锡就和化学结下不解之缘。

拉瓦锡对化学的贡献归纳起来主要有三点。

（1）他从实验的角度验证了质量守恒定律，这就要感谢他的天平了。拉瓦锡用硫酸和石灰合成了石膏，当他加热石膏时放出了水蒸气，拉瓦锡用天平仔细称量了不同温度下石膏失去水蒸气的质量。他的导师鲁伊勒把失去的水蒸气称为“结晶水”，从此就多了一个化学名词“结晶水”。这次意外的成功使拉瓦锡养成了经常使用天平的习惯。在天平上总结出来的质量守恒定律，可以说在俄罗斯科学家罗蒙诺索夫提出的虽然缺乏实验根据但却富含哲学意蕴的质量守恒定律（当时称为“物质不灭定律”）的基础上前进了一大步。用科学实验做出来的结论更能让人们所接受并应用。在这之后，拉瓦锡发明了一种用来表示守恒思想的等式，如“葡萄糖＝二氧化碳＋酒精”，这个就是现在化学界常用的方程式。

（2）他发现了燃烧原理，给予当时的“燃素”说法以科学的反驳。他描述了氧、氮和氢的作用，认为燃烧是由于燃料和空气中的氧气（成酸的元素）结合，氮气不应该被称为“废气”，“氢气”为成水的元素。他认为，从化学的观点看，物质燃烧和动物的呼吸同属于空气中氧所参与的氧化作用。

1772年秋天，拉瓦锡照习惯称量了定量的白磷，使之燃烧，冷却后又称量灰烬（五氧化二磷，P₂O₅）的质量，发现质量竟然增加了！他又燃烧硫磺，同样发现灰烬的质量大于原来硫磺的质量。他想这一定是什么气体被白磷和硫磺吸收了，于是他又改进实验的方法：将白磷放入一个钟罩，钟罩里留有一部分空气，钟罩里的空气用管子连接一个水银柱（注：测定空气的压力），加热到40℃时白磷就迅速燃烧，水银柱上升。拉瓦锡还发现1盎司的白磷大约可得到2．7盎司的白色灰烬（P₂O₅），增加的重量和所消耗的1／5容积的空气重量基本接近。

拉瓦锡的发现和当时的燃素学说是相悖的。燃素学说认为燃烧是分解过程，燃烧产物应该比可燃物质量轻。他把实验结果写成论文交给法国科学院。此后他做了很多实验来证明燃素说的错误。在1773年2月，他在实验记录本上写到：“我所做的实验使物理和化学发生了根本的变化。”他将新化学命名为“反燃素化学”。

1775年，拉瓦锡对氧气进行研究。他发现燃烧时增加的质量恰好是氧气减少的质量。以前认为可燃物燃烧时吸收了一部分空气，实际上是吸收了氧气，与氧气化合，这就彻底推翻了燃素学说。

1777年，拉瓦锡批判燃素学说：“化学家从燃素说中只能得出模糊的要素，它十分不确定，因此可以用来任意地解释各种事物。有时这一要素是有重量的，有时又没有重量；有时它是自由之火，有时又说它与土素相化合成火；有时说它能通过容器壁的微孔，有时又说它不能透过；它能同时用来解释碱性和非碱性、透明性和非透明性、有颜色和无色。它真是只变色虫，每时每刻都在改变它的面貌。”

1777年9月5日，拉瓦锡向法国科学院提交了划时代的《燃烧概论》，系统地阐述了燃烧的氧化学说，将被燃素学说“倒立”的化学“正立”过来。这本书后来被翻译成多国语言，逐渐扫清了燃素学说的影响。化学自此切断了与古代炼丹术的联系，揭掉神秘和臆测的面纱，取而代之的是科学实验和定量研究。化学由此也进入了定量化学（即近代化学）时期。

（3）他否定了古希腊哲学家的四元素说和三要素说，建立起在科学实验基础上的化学元素的概念：“如果元素表示构成物质的最简单组分，那么目前我们可能难以判断什么是元素；如果相反，我们把元素与目前化学分析最后达到的极限概念联系起来，那么，我们现在用任何方法都不能再加以分解的一切物质，对我们来说，就算是元素了。”

在1789年出版的历时四年写就的《化学概要》里，拉瓦锡列出了第一张元素一览表，元素被分为四大类：

①简单物质，如光、热、氧、氮、氢等物质元素；

②简单的非金属物质，如硫、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，如锑、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，如石灰、镁土、钡土、铝土、硅土等。

对空气的研究好像很吸引科学家们，当然，我们都生活在这样一个大气环境中，了解自己周围的亲密伙伴也是必须的。以上的两位化学巨才对空气已经有了很多的研究成果，之后还有一位科学家告诉了我们空气的组成成分，他就是卡文迪许。1784年左右，卡文迪许研究了空气的组成，发现普通空气中氮占五分之四，氧占五分之一。除此之外他还确定了水的成分，肯定了它不是元素而是化合物。

化学一直都是与医学紧密联系的，化学领域所取得的进步都能对医学起到很大的推动作用，不管是对人体本身的研究还是对疾病的治疗，化学都功不可没。