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撼动“燃素学说”大厦:氧气是这样发现和命名的

科普中国-科普融合创作与传播 2019-03-13

  出品:科普中国

  制作:鲁闻生(中国科学院化学研究所)

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  火空气脱燃素空气,这些名字对您而言一定很陌生吧。不过,这绝不是什么新鲜事物,它就是氧气。

      那么,人们为什么会给氧气起如此奇异的名字?原因很简单,最初命名的时候对化学元素的认识尚不成熟,因此无法用含有这些元素的名词进行命名。从这一点上来看,各个元素的发现与命名对于化学、物理等学科,甚至对于我们的日常生活都有十分重要的意义。

  201712月,联合国大会将2019年定为国际化学元素周期表年[1]。让我们一起回顾一下与元素发现以及元素周期表有关的科学故事,而我们今天要讲的就是氧气。

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  包含118个元素的元素周期表(图片来源http://www.chemsoc.org.cn/

  燃素学说的出现

  在众多的元素被发现之前,人们很早便知道有金、银、铜、铅等物质,但他们并不能理解组成物质的元素是什么。古希腊人认为世界是由土、空气、火和水组成的,万物皆出于这四种元素。但随着人们对物质研究的深入,这一理论慢慢受到了质疑。

  17世纪中叶,人们已能区分3种气体:普通的空气、易燃的空气(即氢气)、固定空气(即二氧化碳)。至18世纪,科学家已经发现了近20种元素,并且随着研究的深入,人们相信会有更多的元素被发现。这一时期,对空气的研究成为一个研究热点。

  1.火空气

  在瑞典,18世纪70年代初期,药剂师卡尔·威尔海姆·舍勒(Carl Wilhelm Scheele, 1742-1786)受朋友伯格曼(Bergman)的启发,分析了氧化汞、软锰矿等物质加热后生成气体的性质,他发现这种气体有助于燃烧。18世纪,“燃素学说”(Phlogiston Theory)十分盛行,该学说认为物质燃烧的时候,燃素开始离开物体,当物体中所有的燃素都消失的时候,燃烧也就停止了。当时化学家认为空气中至少存在两种不同的气体,一种有助于燃烧,一种不支持燃烧。舍勒对“燃素学说”也深信不疑,根据 “燃素学说”解释了他的实验现象,并称他发现的气体为火空气fire air)。后来他把这些实验结果写入一本书中《火与空气》(Chemical Treatise on Air and Fire),但由于书稿在出版社压了两年,直至1777年才发表[2]

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  卡尔·威尔海姆·舍勒(图片来源:wikipedia

  2.脱燃素空气

  同时期,英国的牧师约瑟夫·普利斯特里(Joseph Priestley, 1733-1804)也喜欢做气体实验。177481日,普利斯特里加热氧化汞,发现有气体生成。他收集气体后,研究了它的性质。发现把蜡烛放入新生成的气体中,蜡烛燃烧得更旺了。木条在气体中快速燃烧并且火花四射。将老鼠置于这种气体中,本以为老鼠会很快死去,谁知老鼠活的很自在。此时,他并没有意识到自己发现了一种重要的气体,由于对“燃素学说”的虔信,普利斯特里只是认为新生成的气体中没有燃素,并将这种没有燃素的气体称为脱燃素空气1775年,他的研究成果得以发表[3]

  普利斯特里发表论文388页燃烧描述.jpg

  约瑟夫·普利斯特里论文中关于燃烧现象的描述(图片来源:参考文献[3],作者拍照并加下划线)

  氧气被发现:“燃素学说”开始动摇

  177410月,也就是发现脱燃素空气后不久普利斯特里陪同谢尔本勋爵到欧洲旅行。他们来到巴黎,并被邀请与法国著名科学家进餐,宴会中有一名客人是安东尼·拉瓦锡(Antoine Lavoisier1743-1794)。

  拉瓦锡28岁就被推选到法国科学院,是一名年轻的科学精英。他在与普利斯特里谈话的过程中,后者详细描述了自己的实验过程和结果,特别是脱燃素空气。与普利斯特里简陋的实验条件不同,拉瓦锡拥有欧洲最好的实验室,数量众多的精密仪器。

  而且,不同于普利斯特里的定性研究方法,拉瓦锡更善于用定量的方法进行研究。在一次实验中,他准确称量了金属锡,在空气中加热后发现锡的重量并没有减少,而是增加了。这与“燃素学说”是矛盾的,因为“燃素学说”认为物质在燃烧时,燃素跑掉了,应该变轻。拉瓦锡认为“燃素学说”存在缺陷,增加的重量来自于空气,但是这种气体是什么呢?

  这次与普利斯特里的谈话启发了拉瓦锡[4],他重复了普利斯特里的实验,而且还做了汞在密闭的容器中加热的实验。根据两个实验中气体增加或减少的量的对比,最终得出结论:加热氧化汞时生成的气体与燃素无关,这是一种新元素,并将其命名为氧。此后他又研究了氧气在燃烧中的作用,提出了燃烧的原理…… “燃素学说”的大厦开始动摇了

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  拉瓦锡(图片来源:参考文献[5]

  批判“燃素学说”:拉瓦锡掀起化学革命

  对于新元素的命名以及对“燃素学说”的批判,让坚持“燃素学说”的普利斯特里与拉瓦锡的关系一度变得比较紧张。但这一切随着1789年法国大革命的到来,变得不再那么重要了。在英国,同情起义的普利斯特里被一名暴徒烧毁了房子。侥幸生还后,他不得不逃往美国生活。

  而法国的拉瓦锡就没有这么幸运了,作为资产阶级中非常富有的一员,同时又是一名征税官,179458日,拉瓦锡被送上了断头台。数学家拉格朗日(Lagrange)评论此事时说:砍下拉瓦锡的头颅,只需要一眨眼的工夫,但要长出这样一个头颅,也许100年都不够。[5]

  不过拉瓦锡留下了宝贵的遗产,他摒弃了旧的教条,代之以定量的实验方法,并且提出了元素的定义,这些在化学领域掀起了一场革命。从1789年到1797年这8年间,他所著的《化学基础论》在8个国家以6种文字印行了26次,足见其在当时影响之大。

  从最初命名氧气,直到创立氧化说,阐述燃烧理论。拉瓦锡对于“燃素学说”的挑战,曾遭到坚持“燃素学说”的多名化学家的质疑。但他始终坚持从定量的实验结果出发,不断验证其理论,从而以详实的实验结果和完善的理论解释逐渐获得了大家的认可。

  恩格斯在《资本论》第二卷序言中提到:拉瓦锡就根据这个新事实研究了整个燃素说化学,方才发现:这种新气体是一种新的化学元素;在燃烧的时候,并不是神秘的燃素从燃烧物体中分离出来,而是这种新元素与燃烧物体化合。这样,他才使过去在燃素说形式上倒立着的全部化学正立过来了。

  参考文献:

  http://www.un.org/zh/documents/view_doc.asp?symbol=A/72/422/ADD.2

  J. R. Partington (1962). A History of Chemistry, vol. 3. Macmillan, London; St. Martin's Press, New York.

  Joseph Priestley. An Account of Further Discoveries in Air, Philosophical Transactions,1775,vol. 65, 384–394.

  https://www.encyclopedia.com/people/science-and-technology/chemistry-biographies/antoine-laurent-lavoisier

  https://www.sciencehistory.org/historical-profile/antoine-laurent-lavoisier

责任编辑:sun

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