第3章 与化学家相约(3)

距今二百多年前，世界科学界爆发了一场革命，那就是被后人誉为18世纪科学发展史上最辉煌的成就之一的“化学革命”。在这场举世瞩目的科学革命中，统治化学界长达百年之久的燃素说被彻底推翻了，建立了以氧为核心的科学的燃烧理论；化学物质命名一片混乱不堪的状况结束了，代之以化学物质科学系统的命名原则以及质量守恒定律的发现。这些划时代的成就都和一个伟大的化学家的名字——安东尼·罗朗·拉瓦锡（Antoine Laurent Lavosier，1743～1794）紧紧地联系在一起。

从律师到院士

1743年8月26日，拉瓦锡出生于巴黎一个富有的律师家庭，不幸的是小拉瓦锡刚满5岁，母亲就因病去世了，从此他就在姨妈的照料下生活。望子成龙的父亲给他请了家庭教师，希望他长大以后能够继承父业，成为一个著名的律师。拉瓦锡自幼勤奋好学，聪颖过人，他就读的马沙兰学校是当时巴黎的名牌学校。拉瓦锡在那里学习拉丁文、希腊文、数学、物理、天文学、地质学，受到良好的教育和扎实严格的基础训练。他刻苦努力，成绩优异。1761年，荣获“优秀毕业生”称号的拉瓦锡中学毕业了，按照父亲的愿望考入法政大学攻读法律。在大学里，年轻的拉瓦锡对自然科学产生了浓厚的兴趣。他主动拜一些著名的科学家为师，大量阅读科学名著，对波义耳的著作，拉瓦锡反复精读了好几遍。他一面坚持上法学专业的课，一面抽时间去听法国著名的实验化学派创始人鲁埃尔教授的课。当他学到的化学知识越来越多的时候，他也就越加感到化学中有许多问题有待人们去解决。年轻的拉瓦锡对科学有着广泛的兴趣，而且善于思索，他从20岁开始，坚持每天进行气象观测，还曾利用假期跟随地质学家格塔尔去进行地质考察旅行。

1763年春天，拉瓦锡顺利地在法政大学毕业，荣获学士学位并取得律师资格。父亲的律师事务所热烈地欢迎他。然而，奇妙的化学和地质学仍然强烈地吸引着他。他感到躲在自己的房间里研究化学问题和整理那些采集到的矿物标本要比呆在律师事务所和司法会议厅愉快得多。经过慎重而认真地考虑，拉瓦锡终于做出了令他父亲大为失望的决定：放弃成为名律师的前途，献身科学研究工作。

年轻科学家格塔尔与拉瓦锡交往密切，他们常常在一起，长时间地讨论有关化学和地质方面的各种问题，并很快在实验工作中取得了进展。1765年，拉瓦锡发表了第一篇化学方面的研究论文“关于石膏的分析”。从这篇论文中，可以看出拉瓦锡与其他研究者的不同之处，他特别注重准确的测量。拉瓦锡把石膏加热除去水分，然后用天平准确地称量，以测出水分的质量。通过反复研究，拉瓦锡得出结论：硬硬的石膏中含有一定量的水分，它是由硫酸和石灰化合而成的。

当时，巴黎的街道照明很成问题，一到夜里，大街上一片漆黑，法国科学院重奖征集一种既明亮又经济的城市照明方案，22岁的拉瓦锡勇敢地参加了竞赛，他的方案荣获国王颁发的金质奖章，并在科学院的杂志上发表。这项活动给年轻的拉瓦锡很大的鼓舞，使他更热情地投入到科学研究的事业中。1766年3月，他又向科学院提交了第二篇关于石膏的研究论文。拉瓦锡选择的另一个研究课题是用科学的实验方法验证日常的水能否变成土。当时，许多化学家顽固地相信古老陈旧的“四元素说”中关于水土互变的说法，认为水能变成土。他们也确实发现，在容器中长时间煮沸水会有沉淀物生成。但拉瓦锡对这一观点一直持怀疑态度，要正确回答这个问题，惟一可靠的办法就是实验。为此，他精心设计了一个验证实验，他采用一种欧洲炼金术中使用过的很特别的蒸馏瓶，它可以使水蒸气在上端全部凝结为液态水，仍旧流回到瓶中。他先将很纯的蒸馏水和蒸馏瓶分别准确称重，然后将蒸馏水注入蒸馏瓶中，加热保持微沸状态。两个星期过去了，水还是清的，未见有沉淀析出。他决心继续实验下去，一定要看个水落石出。到第八个星期，蒸馏瓶中有沉淀生成。实验一直进行了101天，蒸馏瓶中产生了明显的白色沉淀物。这种白色沉淀物是不是水变成的“土”呢？冷却后，拉瓦锡首先称了总质量，发现总质量与实验前没有变化；他又分别对蒸馏水、沉淀物和蒸馏瓶进行准确称重，他惊喜地发现蒸馏水的质量没有变，蒸馏瓶的质量减少了，而蒸馏瓶所减少的质量恰好等于沉淀物的质量。拉瓦锡的朋友，瑞典化学家舍勒对这种白色沉淀物进行了仔细的分析，证明它的确是玻璃蒸馏瓶被热水侵蚀的产物。据此，拉瓦锡撰写论文驳斥了水能转化为土的谬论。但是，按照当时流行的“四元素说”，水还是构成物质的一种基本元素。根据波义耳科学的元素概念，其正确性显然是值得怀疑的。拉瓦锡又全力以赴地研究这一问题，在别人研究的基础上，他通过自己的实验，终于证明了：水可以分解为氢气和氧气，而干燥的氢气和氧气经燃烧又可以化合成水。至此，流行一百多年的“水能变成土”和“水是一种基本元素”的错误观点都被彻底推翻了。

拉瓦锡的才华逐渐引起科学界的注意，许多科学家都称赞拉瓦锡实验的准确性，高度评价他那一丝不苟的科学态度。1768年，年仅25岁的拉瓦锡被选为法国科学院院士，获得了法国知识界的最高荣誉。

揭开燃烧之谜

关于人们司空见惯的燃烧现象本质的解释，当时广泛流行的是德国化学家贝歇尔在17世纪末首先提出的“燃素学说”。燃素学说认为，物质燃烧时会释放出一种被称为“燃素”的东西。例如，燃烧金属时，金属就放出“燃素”，变成了金属灰（实际是金属氧化物）；若将金属灰和木炭共燃，金属灰就吸收了木炭放出的“燃素”，又变为原来的金属。由于燃素说能够解释当时已知的一些化学现象，因此，很快得到绝大多数化学家的认可。燃素说成了18世纪不可动摇的占统治地位的化学理论。尽管随着科学的进步，燃素说已暴露出一些与事实相矛盾的问题，但大多数化学家还是没法调和这一矛盾，致使燃素学说得到维持。比如，如果金属锻烧后放出了燃素，那么燃烧后的金属的质量应该比锻烧前的金属的质量小，而实验的结果恰恰相反，人们却多次发现金属灰的质量比锻烧前的金属质量增加了。对这个无法解释的大难题，一位忠实信奉燃素说的化学家，竟然提出了一个“燃素有负重量”的谬论，认为燃素跟一般物质不同，它不但不受地心的吸引，反而受到地心的排斥，所以它的重量是负值。

因此，金属失去燃素后，重量就增加了。拉瓦锡认真研究了化学史和前人的研究成果之后，决心向统治化学界百年之久的“燃素学说”提出挑战。

从1772年9月开始，拉瓦锡花了5年的时间，做了多种物质的燃烧实验。他首先对金刚石的燃烧现象进行了研究，在放大镜聚焦的太阳光下，金刚石灼烧后竟然完全消失了。按照常理，物质燃烧后总会有灰渣生成，为什么金刚石燃烧后连一点灰渣也没有呢？拉瓦锡经过深入分析，认为空气与燃烧现象有密切关系。拉瓦锡用耐火材料将金刚石严密包裹起来，然后加热灼烧至很高温度。冷却后，剥掉涂层，惊喜地发现里面的金刚石完好无损。可以肯定，金刚石燃烧后消失得无影无踪，一定是和空气中的某种成分结合在一起了。这一实验结果令拉瓦锡兴奋异常，他立即决定用易燃的硫和磷再深入进行燃烧实验研究。

他先用天平准确地称量出白磷的质量，然后让白磷在空气中受热燃烧生成浓密的白烟。他发现白烟是微细的固体小颗粒分散在空气中形成的，拉瓦锡设法将烟全部收集起来并成功地称量其质量，他发现，白烟的质量比燃烧前的白磷质量增加了。拉瓦锡更加相信白磷是与空气化合了。

那么白磷是与全部空气化合了，还是只和空气中的某些成分化合了呢？拉瓦锡巧妙地设计了下面的实验。他把准确称量的白磷放在一个小盘中，再把小盘放在水银的液面上。用烧红的金属将白磷点燃后，迅速用一个玻璃罩将其罩住。

这样，就把一部分空气与大气隔离开来，如果白磷是与空气化合，玻璃罩内的气压下降，水银的液面就会上升。上升的高度标志着消耗空气量的多少。实验结果表明，无论白磷的量怎样增大，玻璃罩内被燃烧的白磷的质量总是一定的，水银面上升的高度也是一定的，只占空气体积的五分之一。拉瓦锡改用硫做这个实验，也得到了相同的结果。随后，拉瓦锡又用锡、铅、铁等多种金属的燃烧现象进行了更精确的实验研究，都得到了相同的结论。

很显然，空气并不是纯物质，而是两部分气体的混合物，一部分可以维持燃烧并与可燃物化合，这部分气体占空气总体积的五分之一；另一部分不能维持燃烧，占空气总体积的五分之四。

那么，与可燃物相结合的空气成分究竟是什么呢？拉瓦锡又投入到深深的思索之中。1775年，英国化学家普利斯特里发表了关于氧元素的论文，拉瓦锡恍然大悟，原来空气中这种特殊的成分是一种新的气体元素！拉瓦锡迫不及待地重复了普利斯特里关于氧化汞的合成和分解实验，并对这种新元素的化学性质进行深入研究，发现其除了助燃、助呼吸外，还能与许多非金属物质化合生成各种酸。为此，他建议将这种新元素命名为“Oxygene”，希腊文“酸素”的意思。

1777年9月，拉瓦锡总结了他五年多潜心研究燃烧现象的大量实验结果，向巴黎科学院提交了一份划时代的研究报告，系统地提出了“燃烧氧化理论”这一科学论断，彻底推翻了燃素说，揭开了争论多年的燃烧之谜。

运用这个科学的燃烧氧化理论，拉瓦锡弄清了碳酸气（CO2）是碳与氧元素的化合物。他根据一般的有机物在空气中燃烧都生成碳酸气和水的实验事实，建立了有机化合物的组成元素的定量分析方法，将一定量的有机物在一定体积的空气或氧气中燃烧，用苛性钾或苛性钠溶液来吸收产生的碳酸气，再从残留物中计算出生成的水量，由此就可确定有机化合物中碳、氢、氧三种元素的质量比。

根据燃烧氧化理论，拉瓦锡发表论文指出，动物的呼吸也属于一种燃烧氧化现象，即：吸入氧气，呼出碳酸气。

值得指出的是，在拉瓦锡之前也有不少化学家做过金属燃烧的实验，但他们都没能从中得到科学的结论。拉瓦锡的成功之处就在于他始终注重称量和对实验现象的缜密分析。他以准确、无可挑剔的实验结果还清楚地证明了又一个科学结论：在化学反应中，反应前物质的总质量与反应后物质的总质量总是相等的。这就是我们熟知的化学反应中的“质量守恒定律”或称“物质不灭定律”。这种质量守恒的思想在他1789年出版的《化学纲要》中，作了系统清晰的阐述，这是他对近代化学发展的突出贡献之一。从此，化学便由对物质的定性研究，进入到了定量研究的新阶段。正如一位法国著名化学家评价拉瓦锡时所说：“他使化学发生了全面的革命。”

1778年，拉瓦锡成为法国皇家科学院有表决权的18名核心院士之一。1785年，他被推选为科学院的秘书，成为科学院的实际负责人。

永无止境

面对辉煌的成就和荣誉，拉瓦锡没有满足，更不会枕誉不前，他那双科学家的慧眼总是盯着科学领域中那些有待解决的课题。

当时，科学家们对“元素”这个概念没有统一的认识，虽然波义耳当时已经提出了比较科学的元素概念，但并没有被大多数化学家认可。拉瓦锡在总结自己多年科学研究实践经验的基础上，系统地发展了波义耳的元素概念，做了更具体、更科学的阐述。据此，拉瓦锡研究分析了大量的物质，确认了33种元素，并将它们分成四类排列成表。1789年，在他的名著《化学概论》一书出版发行时，这张化学元素表就与世人见面了。现在看来，这张表显得过于简单，也存在错误和不妥之处，但它却是世界公认的化学史上第一张化学元素表，对于当时化学的发展，起了很好的推动作用。

拉瓦锡的另一大贡献是对化学物质的科学命名法。由于长达千年之久的炼金术时代的影响，当时许多化学物质的名称混乱不堪，缺乏系统性和规律性，常常与物质本身的组成和性质毫不相干。随着化学的发展，科学家们觉得越来越不方便。拉瓦锡联合了几位著名化学家，组成了“巴黎科学物质命名委员会”。经反复研究讨论，一致同意做出如下规定：每种物质必须有一个固定的、通用的名称，不得各自任意命名；单质的命名应尽可能表达出它的特征；化合物的命名要反映出其组织；对碱、酸、盐各类物质的命名，还做了具体的规定。他们建议对过去被称为金属灰的物质依照它们的组成命名为金属氧化物；酸类和碱类物质要使用它们所含的元素来命名；盐类则用构成它们的酸碱来命名。例如，“汞灰”应称为“氧化汞”，“矾油”应叫做“硫酸”等等。拉瓦锡和命名委员会的专家们合作编写了《化学命名法》一书，该书出版后，很快被译成多种文字，在世界各地迅速传播开来，得到了各国化学家的好评和赞誉，在实际工作中广泛采用这个新的命名法。拉瓦锡及其同事们的这项开创性的工作奠定了现代化学术语命名的基础，给化学带来了前所未有的系统性和条理性。从此结束了化学物质命名长期混乱的局面。就是二百多年后的今天，许多化学物质的命名，还是按照当时的规则确定的。

科学的悲剧

拉瓦锡在科学研究领域取得一个又一个辉煌的成就，事业如日中天。然而，他万万没有想到，一场灭顶之灾正悄悄向他袭来。

1768年，在拉瓦锡当选为科学院院士的同时，他还谋到了一个临时包税官的职务。在三年之后，28岁的拉瓦锡与征税承包业主的女儿，14岁的少女玛丽·安娜结了婚。在岳父的支持和帮助下，拉瓦锡不久就成了正式的包税官，每年收入大约10万法郎。所谓征税承包业，就是把国家的部分征税承包下来，先向政府交出一笔巨额款项作税金，再向百姓征收税款，超出税金的款项归为己有，从中谋取一定的利润。所以，包税官们无不横征暴敛，人民对他们都非常痛恨。虽然拉瓦锡从未直接从事过征税活动，只是负责编制收支表，但他毕竟挂上了包税官头衔。