倒立的化学—燃素说的历险记

背景

公元前1500年前，人们对于化学研究处在不知而行的状态，即所谓的“有实无名”。化学的产生与发展总是在人们不断地尝试中曲折前进。化学的起源是火的发现，自人类学会使用火以后，就进入了文明时代，脱离了饮血茹毛的时代。并随着人们对火的掌握和使用的领域越来越深广时，火不光解决了食品问题，更多的应用在陶瓷、矿石与金属的冶炼中。然而这些知识是在人们生产生活实践中长期摸索积累下来的经验，最终形成早期的“化学工艺”。我们可以称它为朴素唯心主义的化学。然而即便在这样的状态下，我们的先辈从未停止追求真理的步伐。

图1.燧人氏（图片来自网络）

● 燃素说的诞生

科学总是在崎岖的道路上艰难前行，化学家们基于前人的经验摸着石头过河，对火的研究从未停止。1669年德国化学家贝歇尔首次提出“燃素说”的思想，他认为物质由气、水或土三种元素组成，他把“土”分为三种：固定土、油土和流质土，物质种类繁多就是构成土的比例不同。贝歇尔认为燃料在燃烧过程中，油土被燃烧而消失，从而留下流质土和固定土[1]。后来贝歇尔的学生施塔尔传播和完善贝歇尔的学说，把“油土”直接改为燃素，并且正式提出和系统阐述燃素学说，他指出所有的燃料都含有燃素，燃素在燃烧的过程中从燃料中释放出来通过空气来吸取从而产生发光放热现象，可燃物中的燃素越多，且燃烧越剧烈。燃料燃烧后变轻变重是由于它们所含燃素有的是“正质量”有的是“负质量”。不含燃素的物质是不会燃烧的，比如石头和木灰。十年之后，这种观点成为化学中的公理。17世纪末，燃素学说已经被全欧洲认可接受。

站在对化学发展的角度来说，施塔尔提出的“燃素说”是第一个把化学现象形成系统框架的理论，是近代化学建立和发展的基础[2]。

● 燃素说的畸形成长

科学可在博弈中艰难前行，人们在大众文化束缚下，不敢怀疑此学说的真伪。1775年布拉克发现碳酸气，对其定量研究发现石灰石煅烧前后质量减轻44%，他确信在煅烧过程中有气体放出。之后他用石灰石与酸作用后生成的气体用石灰水来吸收，结果石灰石释放的气体与石灰水吸收的刚好相等[3]，而且气体与石灰水作用生成的石灰石性质与之前的石灰石是一样的，在以后的实验中改变煅烧的燃料与石灰石的反应都是一样的。

图2.约瑟夫·布拉克（图片来自网络）

在化学史上很难确定谁先发现氢气，但卡文迪许是第一个收集并研究氢气的。他用较活泼金属作用于盐酸和硫酸，不管酸的浓度如何都会产生等量氢气，并且将收集到的氢气与空气混合点燃都会爆炸，所以卡文迪许断言说金属中含有燃素，在酸的作用下燃素被释放出来形成“易燃空气”。将这种易燃空气充入气球中，气球上升恰好说明燃素有“负质量”。再弄清浮力后，卡文迪许确定氢气是有质量的，只是比空气轻，所以上升。另外，布拉克的学生卢瑟福和普利斯特里在实验过程中发现了一种既不能维持生命又能灭火的气体（氮气），如果按照“燃素说”的观点认为所产生的燃素是可燃烧，或者与其他物质作用后可燃烧。而这两位科学家所发现的刚好与“燃素说”相反，但他们也是“燃素说”信徒，对于这种违“科学”的现象并不去思考背后真正的原因，而是机械套用“燃素说”的观点。

● 燃素说的衰落

1774年前后，舍勒和普利斯特里发现并制的氧气，而且发现这种气体使火燃烧的更加剧烈，由于他们也是燃素说的保守派，对于这一现象他们借用前人对氮气的定义，认为氧气是一种“脱燃素的空气”[4]，所以能吸收大量燃素使之燃烧更加剧烈。之后许多科学家做了这一方面的研究，但都没有揭开蒙蔽真理的面纱，真正打开科学大门是拉瓦锡。正所谓有人在科学的大道上一直徘徊甚至在马上接近真理的顶峰却又功亏一篑，笔锋一转走向伪科学的陌途很难拨云见日，也有人一直站在巨人的肩膀上凭着先辈的真知灼见而又大展宏图，勇往直前。布拉克的碳酸气体有力抨击了燃素说，氢和氮的发现则动摇了燃素说的根基，那么，氧气的发现直接引爆了“燃素说”。拉瓦锡深受普利斯特里的启发，做了精细的钟罩实验（即灼烧水银），实验结束后发现钟罩里空气减少五分之一，然后进行逆向实验，发现从氧化汞里分解出能助燃、助呼吸的气体，而且逆向分解的气体与原先钟罩失去的气体体积刚好相等，之后把分解的氧气与钟罩剩下的气体混合后做了一定研究后发现与空气性质几乎一样，所以又得出空气的组成成分。并把支持燃烧的气体命名为氧（Oxygen）[5]，他大胆的认为对于可燃物的燃烧不是燃素被分解，而是可燃物与氧气的化合反应，为了证明这一观点，他又做了大量的燃烧实验，对各种物质的燃烧都做了一一试验，最终提出了科学的燃烧学说—氧化学说，彻底地否定了久经百年的“燃素说”，将倒立的化学从此正立过来，开始了现代意义的化学，因此拉瓦锡享有了“化学之父”的冠名。

图3洛朗•拉瓦锡（图片来自网络）

图4洛朗•拉瓦锡  《化学基础轮》又名《化学纲要》（图片来自网络）

图5《化学概要》（图片来自网络）

启示

其实颠覆燃素说的导火线一直攥在舍勒和普利斯特里的手里但都未能点燃，直到拉瓦锡对他们的实验进行了全面研究之后才推翻燃素说的老窝，这是由于两人受前人研究结果的束缚，无法摆脱顽固观念更不敢向固有的观点提出挑战。追求真理的道路上充满了荆棘，只有具备劈荆斩浪、石坚心穿的决心方可长风破浪。