撼动“燃素学说”大厦：氧气是这样发现和命名的

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　　“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。

　　2017年12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。

　　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。

　　到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。在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]。

　　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。1774年8月1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] 。

　　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

　　1774年10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 Lavoisier，1743-1794）。

　　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。

　　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，1794年5月8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