氧气发现与命名:撼动燃素学说大厦

作者:鲁闻生来源:中国科普博览发布时间:2019-04-01

从最初命名氧气,直到创立氧化说,阐述燃烧理论

“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。” 

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参考文献: 

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

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

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

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

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

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