來(lái)源：“中國(guó)科普博覽”公眾號(hào)（ID：kepubolan）
“火空氣”、“脫燃素空氣”，這些名字對(duì)您而言一定很陌生吧。不過(guò)，這絕不是什么新鮮事物，它就是氧氣。
那么，人們?yōu)槭裁磿?huì)給氧氣起如此奇異的名字？原因很簡(jiǎn)單，最初命名的時(shí)候?qū)瘜W(xué)元素的認(rèn)識(shí)尚不成熟，因此無(wú)法用含有這些元素的名詞進(jìn)行命名。從這一點(diǎn)上來(lái)看，各個(gè)元素的發(fā)現(xiàn)與命名對(duì)于化學(xué)、物理等學(xué)科，甚至對(duì)于我們的日常生活都有十分重要的意義。
2017年12月，聯(lián)合國(guó)大會(huì)將2019年定為國(guó)際化學(xué)元素周期表年[1]。讓我們一起回顧一下與元素發(fā)現(xiàn)以及元素周期表有關(guān)的科學(xué)故事，而我們今天要講的就是氧氣。
包含118個(gè)元素的元素周期表（圖片來(lái)源http://www.chemsoc.org.cn/）
燃素學(xué)說(shuō)的出現(xiàn)
在眾多的元素被發(fā)現(xiàn)之前，人們很早便知道有金、銀、銅、鉛等物質(zhì)，但他們并不能理解組成物質(zhì)的元素是什么。古希臘人認(rèn)為世界是由土、空氣、火和水組成的，萬(wàn)物皆出于這四種元素。但隨著人們對(duì)物質(zhì)研究的深入，這一理論慢慢受到了質(zhì)疑。
到17世紀(jì)中葉，人們已能區(qū)分3種氣體：普通的空氣、易燃的空氣（即氫氣）、固定空氣（即二氧化碳）。至18世紀(jì)，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了近20種元素，并且隨著研究的深入，人們相信會(huì)有更多的元素被發(fā)現(xiàn)。這一時(shí)期，對(duì)空氣的研究成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。
1.火空氣
在瑞典，18世紀(jì)70年代初期，藥劑師卡爾·威爾海姆·舍勒（Carl Wilhelm Scheele, 1742-1786）受朋友伯格曼（Bergman）的啟發(fā)，分析了氧化汞、軟錳礦等物質(zhì)加熱后生成氣體的性質(zhì)，他發(fā)現(xiàn)這種氣體有助于燃燒。在18世紀(jì)，“燃素學(xué)說(shuō)”（Phlogiston Theory）十分盛行，該學(xué)說(shuō)認(rèn)為物質(zhì)燃燒的時(shí)候，“燃素”開始離開物體，當(dāng)物體中所有的“燃素”都消失的時(shí)候，燃燒也就停止了。當(dāng)時(shí)化學(xué)家認(rèn)為空氣中至少存在兩種不同的氣體，一種有助于燃燒，一種不支持燃燒。舍勒對(duì)“燃素學(xué)說(shuō)”也深信不疑，根據(jù) “燃素學(xué)說(shuō)”解釋了他的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并稱他發(fā)現(xiàn)的氣體為 “火空氣”（fire air）。后來(lái)他把這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果寫入一本書中《火與空氣》（Chemical Treatise on Air and Fire），但由于書稿在出版社壓了兩年，直至1777年才發(fā)表[2]。
卡爾·威爾海姆·舍勒（圖片來(lái)源：wikipedia）
2.脫燃素空氣
同時(shí)期，英國(guó)的牧師約瑟夫·普利斯特里（Joseph Priestley, 1733-1804）也喜歡做氣體實(shí)驗(yàn)。1774年8月1日，普利斯特里加熱氧化汞，發(fā)現(xiàn)有氣體生成。他收集氣體后，研究了它的性質(zhì)。發(fā)現(xiàn)把蠟燭放入新生成的氣體中，蠟燭燃燒得更旺了。木條在氣體中快速燃燒并且火花四射。將老鼠置于這種氣體中，本以為老鼠會(huì)很快死去，誰(shuí)知老鼠活的很自在。此時(shí)，他并沒有意識(shí)到自己發(fā)現(xiàn)了一種重要的氣體，由于對(duì)“燃素學(xué)說(shuō)”的虔信，普利斯特里只是認(rèn)為新生成的氣體中沒有燃素，并將這種沒有燃素的氣體稱為“脫燃素空氣”。1775年，他的研究成果得以發(fā)表[3] 。
約瑟夫·普利斯特里論文中關(guān)于燃燒現(xiàn)象的描述（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[3]，作者拍照并加下劃線）
氧氣被發(fā)現(xiàn)：“燃素學(xué)說(shuō)”開始動(dòng)搖
1774年10月，也就是發(fā)現(xiàn)“脫燃素空氣”后不久，普利斯特里陪同謝爾本勛爵到歐洲旅行。他們來(lái)到巴黎，并被邀請(qǐng)與法國(guó)著名科學(xué)家進(jìn)餐，宴會(huì)中有一名客人是安東尼·拉瓦錫（Antoine Lavoisier，1743-1794）。
拉瓦錫28歲就被推選到法國(guó)科學(xué)院，是一名年輕的科學(xué)精英。他在與普利斯特里談話的過(guò)程中，后者詳細(xì)描述了自己的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果，特別是“脫燃素空氣”。與普利斯特里簡(jiǎn)陋的實(shí)驗(yàn)條件不同，拉瓦錫擁有歐洲最好的實(shí)驗(yàn)室，數(shù)量眾多的精密儀器。
而且，不同于普利斯特里的定性研究方法，拉瓦錫更善于用定量的方法進(jìn)行研究。在一次實(shí)驗(yàn)中，他準(zhǔn)確稱量了金屬錫，在空氣中加熱后發(fā)現(xiàn)錫的重量并沒有減少，而是增加了。這與“燃素學(xué)說(shuō)”是矛盾的，因?yàn)椤叭妓貙W(xué)說(shuō)”認(rèn)為物質(zhì)在燃燒時(shí)，“燃素”跑掉了，應(yīng)該變輕。拉瓦錫認(rèn)為“燃素學(xué)說(shuō)”存在缺陷，增加的重量來(lái)自于空氣，但是這種氣體是什么呢？
這次與普利斯特里的談話啟發(fā)了拉瓦錫[4]，他重復(fù)了普利斯特里的實(shí)驗(yàn)，而且還做了汞在密閉的容器中加熱的實(shí)驗(yàn)。根據(jù)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中氣體增加或減少的量的對(duì)比，最終得出結(jié)論：加熱氧化汞時(shí)生成的氣體與“燃素”無(wú)關(guān)，這是一種新元素，并將其命名為氧。此后他又研究了氧氣在燃燒中的作用，提出了燃燒的原理…… “燃素學(xué)說(shuō)”的大廈開始動(dòng)搖了。
拉瓦錫（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[5]）
批判“燃素學(xué)說(shuō)”：拉瓦錫掀起化學(xué)革命
對(duì)于新元素的命名以及對(duì)“燃素學(xué)說(shuō)”的批判，讓堅(jiān)持“燃素學(xué)說(shuō)”的普利斯特里與拉瓦錫的關(guān)系一度變得比較緊張。但這一切隨著1789年法國(guó)大革命的到來(lái)，變得不再那么重要了。在英國(guó)，同情起義的普利斯特里被一名暴徒燒毀了房子。僥幸生還后，他不得不逃往美國(guó)生活。
而法國(guó)的拉瓦錫就沒有這么幸運(yùn)了，作為資產(chǎn)階級(jí)中非常富有的一員，同時(shí)又是一名征稅官，1794年5月8日，拉瓦錫被送上了斷頭臺(tái)。數(shù)學(xué)家拉格朗日（Lagrange）評(píng)論此事時(shí)說(shuō)：“砍下拉瓦錫的頭顱，只需要一眨眼的工夫，但要長(zhǎng)出這樣一個(gè)頭顱，也許100年都不夠。”[5]
不過(guò)拉瓦錫留下了寶貴的遺產(chǎn)，他摒棄了舊的教條，代之以定量的實(shí)驗(yàn)方法，并且提出了元素的定義，這些在化學(xué)領(lǐng)域掀起了一場(chǎng)革命。從1789年到1797年這8年間，他所著的《化學(xué)基礎(chǔ)論》在8個(gè)國(guó)家以6種文字印行了26次，足見其在當(dāng)時(shí)影響之大。
從最初命名氧氣，直到創(chuàng)立氧化說(shuō)，闡述燃燒理論。拉瓦錫對(duì)于“燃素學(xué)說(shuō)”的挑戰(zhàn)，曾遭到堅(jiān)持“燃素學(xué)說(shuō)”的多名化學(xué)家的質(zhì)疑。但他始終堅(jiān)持從定量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果出發(fā)，不斷驗(yàn)證其理論，從而以詳實(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和完善的理論解釋逐漸獲得了大家的認(rèn)可。
恩格斯在《資本論》第二卷序言中提到：“拉瓦錫就根據(jù)這個(gè)新事實(shí)研究了整個(gè)燃素說(shuō)化學(xué)，方才發(fā)現(xiàn)：這種新氣體是一種新的化學(xué)元素；在燃燒的時(shí)候，并不是神秘的燃素從燃燒物體中分離出來(lái)，而是這種新元素與燃燒物體化合。這樣，他才使過(guò)去在燃素說(shuō)形式上倒立著的全部化學(xué)正立過(guò)來(lái)了。”
參考文獻(xiàn)：
[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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