他颠覆了化学世界

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  亚里士多德的“四元素说”中有水土互变的提法,17世纪比利时化学家海尔蒙特曾以柳树的实验来支持这一观点。然而,有个年轻人却不相信这个说法。1768年的一天,这位年轻人耐心地观察着一个正在被加热的容器,这个容器里的水已经沸腾了100天,这些水在不断被蒸馏的同时也不断被冷却流回这个密闭容器。当他仔细地称量出容器、水以及沉淀物的质量时,脸上不禁露出了笑容:沉淀物的质量恰好等于容器减少的质量,而水的质量在整个蒸馏过程中丝毫未变。他用精确科学的实验,有力地驳倒了当时化学界十分流行的水转化为土之说。
  这位相信实证、不盲从权威的年轻人,就是现代化学的奠基人——拉瓦锡。
  
  放弃律师职业的科学家
  
  1743年8月26日,拉瓦锡出生在巴黎一个家境富裕的律师世家。11岁时,拉瓦锡进入巴黎的名校马沙兰学校求学,毕业后升入法政大学专攻法律。1763年春天,拉瓦锡以优异的成绩毕业。正当拉瓦锡如愿以偿地要从事律师这一行业时,有两件意外的事改变了他的一生。
  第一件事是在大学的最后一个暑假,拉瓦锡跟随矿物学家格塔尔教授到法国各地进行地质调查,帮助他做一些绘制法国地质图的研究工作。拉瓦锡的这趟旅行无疑是等于上了一堂丰富多彩、生动活泼的自然科学课。他们黎明即起,检查温度仪和气象仪,白天忙碌地记录土质和地形,观察矿坑和铁厂,分析河水和湖水,晚上则把收集来的植物、矿物标本整理分类,做好笔记。随着对矿物界的认识增多,拉瓦锡越来越觉得矿物学比他打算献身的法学更为有趣。
  第二件事是由城市照明问题引起的。那时候,法国的首都巴黎夜里一片漆黑,市民行动颇为不便。为此,1765年法国科学院重奖征集一种使路灯既明亮又经济的发明设计方案。拉瓦锡大胆应征,由于他的方案简明扼要地剖析和阐述了这个问题,科学院一致通过:在科学院的杂志上发表这个方案,并颁发给拉瓦锡一枚金质奖章。授予他奖章的那个晚上,拉瓦锡通宵难眠,他思考着自己的前途。第二天,他就果断地决定:放弃律师事业,献身于科学事业。这个决定,不但改变了他的一生,而且加速了科学发展的进程。
  1768年,25岁的拉瓦锡有幸当选为法国科学院最年轻的会员,他的科学生涯正式开始。他被邀请单独或与科学院的其他成员合作,提出关于各种理论或实际问题的科学报告,如动物的磁性比重,苹果酒的水分,巴黎的水的供应,色彩的理论,昆虫的呼吸,火药的成分等等。他在这些研究工作中锻炼出自己非凡的实验才能,为后来的成功打下了良好的基础。
  同年,为了自己的科学航船不因经费不足而搁浅,拉瓦锡在父亲的帮助下,做起了“包税商人”。拉瓦锡用“包税”赚来的大笔钱买来最新、最贵的仪器装备自己的大型实验室。拉瓦锡的个性并非贪得无厌,但这种鱼肉百姓的行业的确臭名远扬。在这场赌博中,命运注定他要赢得金钱,但输掉生命。
  1789年是法国大革命的开始之年,这场大革命大大地动摇了拉瓦锡一帆风顺的地位。这位化学之父,在他刚刚把世界从“错误的统治”下解放出来不久,自己却成为“恐怖统治”的牺牲品。1794年5月8日清晨,他被作为人民公敌,同其他包税商人一样判处死刑,送上了断头台。“砍掉他的脑袋只需一刹那”,当时著名的数学家拉格朗日不无遗憾地说:“可是,也许我们要等上一个世纪,才能有像他这样一个脑袋。”
  
  验证质量守恒定律
  
  拉瓦锡的对化学的第一个贡献便是从试验的角度验证并总结了质量守恒定律。早在拉瓦锡出生之时,俄罗斯科学家罗蒙诺索夫就提出了质量守恒定律,他当时称之为“物质不灭定律”,因当时科学还很落后,该定律没有得到广泛的传播。
  拉瓦锡用硫酸和石灰合成了石膏,加热石膏时会放出水蒸气。他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。由此,他总结出质量守恒定律,并成为他进行实验、思维和计算的基础。为了表明守恒的思想,用等号而不用箭头表示变化过程。如糖转变为酒精的发酵过程表示为下面的等式:葡萄糖=碳酸 酒精。
  这正是现代化学方程式的雏形。
  
  反燃素说
  
  拉瓦锡最终排除了当时流行极广的关于“燃素”的错误看法。按照那种理论,在燃烧期间,任何被燃烧的物质同一种被称为“燃素”的物质相分离。“燃素”被认为是整个燃烧过程的主导者。
  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。加热到40℃时白磷就迅速燃烧,水银柱上升。通过测量,拉瓦锡发现,增加的质量和所消耗的1/5容积的空气质量基本接近。
  他把实验结果写成论文交给法国科学院。从此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说的燃烧学说。
  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。这本书后来被翻译成多国语言,逐渐扫清了燃素说的影响。化学自此切断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。化学由此也进入定量化学(即近代化学)时期。因此称拉瓦锡是近代化学的奠基者,他当之无愧。
  
  建立化学元素概念
  
  拉瓦锡为后人留下的杰作是《化学概要》,这篇论文标志着现代化学的诞生。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。名称的确立建立在物质是由化学元素组成的这个基础之上。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。
  拉瓦锡在书中指出:“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《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,光、热、氧、氮、氢等物质元素。
  2.简单的非金属物质,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,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,石灰、镁土、钡土、铝土、硅土等。
  现在看来,这张表虽然存在一些错误,但是世界公认这是第一张真正的化学元素表。
  
  化学术语的改革
  
  拉瓦锡之所以被誉为现代化学的奠基人,除了他提出了反燃素说以外,更主要的是因为他在化学术语改革方面的重要贡献。所谓化学术语,是与有关化学的基本学说分不开的。例如,普里斯特里为他所发现的氧元素命名为“脱燃素空气”,这个名称就是以他所信奉的燃素学说为背景而创造的。相反,拉瓦锡将氧气命名为酸素,则是根据认为这种物质是一切酸的基础这种他独自提出的学说才定名的。
  拉瓦锡的化学体系,是在与四元素说或燃素说根本对立的革新学说的基础上建立的。为了与新的学说相适应,他必须对旧的化学术语进行改革。从1785年起,贝特来、孚克劳、德莫瓦等化学家相继由燃素学说派转变为反燃素学说派。连同拉瓦锡一道,四人根据新理论体系着手编纂一部崭新的化学词典。三位化学家在拉瓦锡的领导下,于1787年出版了合著的《化学命名法》,从而奠定了现代化学术语的基础。
  在这部著作中,化学家们破天荒地第一次将过去一直被称为金属灰的物质,根据它的组成改称金属氧化物。例如,金属灰的一种锌白改为氧化锌,原来被称为矾油或矾酸的改为硫磺酸(硫酸)等等。由此可见,拉瓦锡所发明的许多术语,直到今天都还是“化学家们的国际词汇”。
  作为一名卓越的化学家,拉瓦锡永远只恪守一个公式:永远只从已知进到未知,永远只从观察到的原因归纳出特定的结果。这是他科学研究成功的秘密,也是他留给后人的最好教益。纵观拉瓦锡的一生,他主要享受着天资的幸福,却又因财富而大受其祸。他的天资给了他崇高的荣誉,他的财富却导致他悲惨地死去。
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