這期為大家介紹一位著名的化學(xué)家——安托萬·洛朗·德·拉瓦錫，拉瓦錫是法國偉大的化學(xué)家，近代化學(xué)的奠基人之一，1743年出生于一個律師家庭，1761年進(jìn)入巴黎大學(xué)法學(xué)院學(xué)習(xí)，1763年獲得律師資格。拉瓦錫利用課余時間自學(xué)自然科學(xué)，其后組織參加對法國礦產(chǎn)的考察，1768年25歲的拉瓦錫成為法蘭西科學(xué)院院士。拉瓦錫被稱為近代化學(xué)之父，他對近代化學(xué)的發(fā)展作出了里程碑式的貢獻(xiàn)。
在18世紀(jì)中期以前，人們對物質(zhì)基本構(gòu)成的認(rèn)識一直停留在“四元素說”與“燃素說”這兩種理論上。下面簡單介紹一下這兩種學(xué)說：
“四元素說”
“四元素說”起源于古希臘，經(jīng)泰利斯、畢達(dá)哥拉斯和亞里士多德等哲學(xué)家發(fā)展起來，“四元素說”認(rèn)為世界萬物均是由土、氣、水、火組成，并且這四種元素之間能夠相互轉(zhuǎn)化，在此基礎(chǔ)上，畢達(dá)哥拉斯提出土、氣、水、火是由冷、熱、濕、燥四種基本物性兩兩組合形成的。雖然“四元素說”的提出說明古希臘哲學(xué)家已經(jīng)意識到世界的物質(zhì)性，但是由于這種學(xué)說在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)統(tǒng)治著科學(xué)界，導(dǎo)致化學(xué)的發(fā)展停滯不前。
四元素說示意圖
“燃素說”
17世紀(jì)，德國化學(xué)家施塔爾對大量燃燒現(xiàn)象進(jìn)行總結(jié)后，系統(tǒng)地提出“燃素學(xué)說”，他認(rèn)為火是由無數(shù)活性小顆粒構(gòu)成的，這些顆粒可以與其他元素相互化合形成新的物質(zhì)，也能以游離形式存在，這些顆粒聚集在一起形成火焰，分散在大氣中則使人感受到熱量，這便是所謂的“燃素”。他指出物體一旦失去燃素就會變成沒有生命的灰燼，而當(dāng)灰燼獲得燃素，物體又會復(fù)活。
在當(dāng)時有限的認(rèn)識水平上，這兩種學(xué)說能夠較好地解釋一些常見的化學(xué)現(xiàn)象，但是隨著自然科學(xué)的不斷發(fā)展，這些學(xué)說逐漸與許多新發(fā)現(xiàn)的自然現(xiàn)象產(chǎn)生矛盾，隨著矛盾不斷激化，拉瓦錫等一批近代化學(xué)先驅(qū)開始通過各種實(shí)驗(yàn)手段推翻這些錯誤的學(xué)說。
“鵜鶘蒸餾實(shí)驗(yàn)”
為推翻土是由水轉(zhuǎn)化而來的論斷，拉瓦錫設(shè)計了“鵜鶘蒸餾實(shí)驗(yàn)”。他首先將一定量的蒸餾水加入到鵜鶘蒸餾器中，密閉后稱量裝置的總重量M1；然后連續(xù)加熱裝置101天，因?yàn)轾Y鶘蒸餾器可以將水蒸氣冷凝并重新流入到蒸餾器內(nèi)部，所以在加熱過程中不會造成水汽的蒸發(fā)，經(jīng)過長時間加熱會在裝置底部析出少量沉淀物；接著稱量加熱后裝置的總重量M2，比較發(fā)現(xiàn)M2=M1；更重要的是，拉瓦錫發(fā)現(xiàn)沉淀物重量恰好等于蒸餾器加熱前后重量的減少值，并且加熱前后裝置中水的重量幾乎沒有變化。這便說明，裝置中的沉淀物不是由水轉(zhuǎn)化成土形成的，而是長時間加熱后，少量玻璃發(fā)生溶解，然后重新析出產(chǎn)生的。通過這個實(shí)驗(yàn)，拉瓦錫可謂給“四元素說”以一記重拳，為近代化學(xué)發(fā)展鋪平了道路。
鵜鶘蒸餾器（圖片來源于牛津版《技術(shù)史》）
推翻“燃素說”建立氧化燃燒理論
1772年，拉瓦錫開始從定量的角度研究燃燒現(xiàn)象。他將一定量的錫加入到曲頸甑中，然后加熱焙燒，直到錫全部灰化。曲頸甑冷卻后，稱量曲頸甑與甑內(nèi)灰化物的總重量，發(fā)現(xiàn)加熱前后實(shí)驗(yàn)裝置的整體重量是沒有發(fā)生變化的，當(dāng)打開瓶塞時，會產(chǎn)生空氣充入瓶內(nèi)的響聲，此時再次稱量曲頸甑就會發(fā)現(xiàn)總重量比密封時增加了。隨后，拉瓦錫稱量錫灰的重量，發(fā)現(xiàn)它增加的重量正好等于打開瓶蓋充入空氣后裝置所增加的重量。通過這個實(shí)驗(yàn)說明，金屬灰的重量的增加，不是由于金屬與“燃素”/“火粒子”相結(jié)合的緣故，而是金屬與空氣中某種成分相互結(jié)合的結(jié)果，從而推翻了統(tǒng)治化學(xué)界百余年之久的“燃素學(xué)說”。
雖然推翻了“燃素學(xué)說”，但是當(dāng)時拉瓦錫并不知道導(dǎo)致金屬灰重量增加的這種物質(zhì)是什么。1775年，拉瓦錫受到英國化學(xué)家普里斯特列的啟發(fā)，設(shè)計了那個出現(xiàn)在我們初中化學(xué)課本中的著名實(shí)驗(yàn)。他將一定量的汞放入到密閉的曲頸甑中，然后連續(xù)加熱12天，在銀白色的液態(tài)汞表面會生成少量紅色的粉末，同時他發(fā)現(xiàn)玻璃鐘罩中的汞液面上升，實(shí)驗(yàn)表面加熱后，裝置內(nèi)的空氣體積減少了約1/5，而剩下的約4/5體積的空氣是不能供給呼吸與支持燃燒的，隨后拉瓦錫將紅色粉末加強(qiáng)熱焙燒，發(fā)現(xiàn)生成的氣體體積正好等于原實(shí)驗(yàn)裝置中減少的氣體體積，而將這部分氣體重新混入到剩下的4/5體積的氣體中，得到與空氣性質(zhì)一致的氣體。通過這個實(shí)驗(yàn)拉瓦錫弄清了空氣是由一種助燃?xì)怏w與一種不助燃?xì)怏w組成的，并在1779年將它們確定為“氧氣”與“氮?dú)狻保⑵鹧趸紵碚摚瑥氐淄品恕叭妓貙W(xué)說”。
拉瓦錫研究空氣成分的裝置（來源于人教版化學(xué)上冊）
拉瓦錫還根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)編寫了《化學(xué)基本論》一書，他在書中指出，“... ...在任何化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，化學(xué)反應(yīng)前后存在著等量物質(zhì)，元素的質(zhì)和量是同一的，只是發(fā)生了變化和變態(tài)。上述認(rèn)識可以看作是一條公理，一條化學(xué)上所有實(shí)驗(yàn)技術(shù)的根據(jù)”，這一關(guān)于質(zhì)量守恒的論述將化學(xué)帶入到定量化的時代。
《化學(xué)基礎(chǔ)論》扉頁
拉瓦錫的研究開創(chuàng)了化學(xué)研究的嶄新時代，他關(guān)于定量實(shí)驗(yàn)、氧化理論、元素理論、化學(xué)術(shù)語理論、質(zhì)量守恒等思想，成為了推動化學(xué)發(fā)展的重要基石，因此后人將其尊稱為近代化學(xué)之父。
