2.2
燃素学说兴衰
2.2.1 燃素学说建立前关于燃烧现象的研究
在波义耳提出科学元素概念的同时期，关于燃烧本质和机理的讨论也在欧洲展开，吸引了许多学者。这是因为生产实践一次又一次证明，炼金术的神话和经院哲学的空谈根本无法解答与燃烧现象有关的问题，而迅速发展的冶金和化工工业又促使人们迫切想要彻底弄清火及燃烧现象的本质。
人们对于燃烧现象的实践经验由来已久，在波义耳时代及以后的一段时间里，很多人对燃烧现象特别是金属焙烧现象进行了认真研究，提出了各种观点。然而，由于波义耳的上述先进思想尚未被人们接受，这些研究成果最终导致了一种建立在传统的“四元素说”或“三元素说”唯心主义基础上，具有一定进步意义却十分错误的学说——燃素学说的诞生。尽管如此，这些研究工作仍为后来的近代化学革命打下了一定的基础。
早在15世纪，意大利著名艺术家达·芬奇（L．Da Vinci，1452—1519）就曾注意到，没有新鲜空气补充，燃烧就无法继续下去，这表明空气与燃烧有密切的关系。
1630年，法国医生雷伊（J．Rey，约1583—1630）在其《医学博士让·雷伊关于焙烧时锡和铅质量增加原因的研究论文》中指出：“这个质量增加起因于空气。……空气同粉末最微细的颗粒黏合在一起。这种情形恰如你把砂子抛入水中搅拌，使水把砂粒弄湿，同最细小的砂粒相黏合，结果使水变重”。
波义耳和胡克先将木炭或硫黄放在一个器皿中，然后用抽气机把其中的空气抽干净，再将该器皿强烈加热，木炭或硫黄并不能燃烧。但如果把木炭或硫黄与硝石混合，即使在抽空的条件下，仍会猛烈燃烧。
波义耳在1673年仔细研究了密闭容器内煅烧金属铜、铁、铅、锡后出现的增重现象，1674年在题为《使火与焰稳定并可称重的新实验》的论文中提出了公式：金属+火微粒=金属煅灰。
胡克通过1664年所做的一系列实验表明，火焰或火是由一种“空气所固有的和混合的亚硝物质”所组成的。
胡克还通过实验指出：“动物只有不断获得新鲜空气进行呼吸才能生存，呼吸可以说是在吹起生命之火；因为一旦这种供给告缺，这火也就死去。”
英国医生梅奥在1674年对燃烧现象作出了更为新颖和进步的结论。
梅奥认为空气中含有两种不同的粒子。其中一种为“硝气精”，在燃烧过程中被燃烧的物质吸收并破坏掉；另一种在这些过程后，仍在一小块体积中剩下来。他认为空气被动物呼吸而丧失作用力和燃烧过程中被破坏是一样的。
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胡克
罗伯特·胡克（1635—1703）出生在怀特岛。他因在1660年发现胡克定律而出名，这个定律首先在1676年以字谜形式表述出来，1678年发表了一个明确陈述。
1665年（也有称1667年），胡克发表了他的《显微术——用放大镜观察的微小物体的生理描述，附有关的观察及探究》（后文简称“显微术”）。这本书是献给查理二世的，其中有有趣的序言以及显微镜下所见东西的大量插图，也有一些木炭和打火石的火星的观察，还包括燃烧学说。
胡克在“显微术”中没有叙述任何实验细节，但他根据未发表的观察提出了包括12个命题的燃烧学说，尤其是他在其中说道：“空气是所有硫素物体的万用溶剂；进行溶解作用时产生大量的热，我们称之为火；溶解作用由一种固有的、同空气混合的物质产生，这种物质与固定在硝石中的东西即使不完全相同，也是极其类似的；在这种空气溶解物体的过程中，有一部分被化合和混合或被溶解并转变为空气，与空气共浮沉”。胡克没能离析出空气和硝石所共有的组分——他在1682年称之为“亚硝空气”。波义耳也含糊地叫它空气中的“挥发硝石”。
胡克在1678～1679年间做了一些实验：他将一块质量为8.2944克的木炭放在盛满砂子的铁箱中，保持红热2小时，只减少0.0972克；将含有木炭的箱子中的空气用风箱使之流通，过一会儿火就熄灭了，空气“饱足”了。胡克还看到木炭与硫黄落在熔化硝石的表面上就亮晃晃地燃烧起来。
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空气
空气是指地球大气层中的混合气体，在自然状态下透明且无色无味，它主要由氮气和氧气组成。
空气是由78%的氮气、21%的氧气、0.93%的稀有气体（氦、氖、氩、氪、氙），0.04%的二氧化碳，0.03%的其他物质（如水蒸气、杂质等）组成的混合物。空气的成分不是固定的，随着高度的改变、气压的改变，空气的组成比例也会改变。
胡克在另一本著作《灯》中，对他在“显微术”中提到的烛焰结构的描述予以扩充。他说：“所谓火焰这种短促的一时发亮的物体”“不是别的，只是受热变成稀薄的、形成蒸气或烟的形状的油的一部分”，空气作用于其上，它“由于其溶解作用，吞掉其外面的部分……产生我们所见到的光；但从中间的烛心一直到焰锥顶端那部分并不变成亮焰，到了焰锥顶端，自由的空气才能达到并能溶解它们（形成亮焰）”。拿一薄玻璃片或云母片横过火焰，可看到“焰锥中部既不发亮也不燃烧，只有火焰的最外层表面才和自由的、未饱足的空气接触”。
因此胡克假定，因为空气中存在一些硝石中也存在的东西，所以它能够溶解可燃的物体自身，而放出的热就是溶解热，它近似于碳酸钾和硫酸这样一些物质溶解于水放出来的热。胡克的实验被梅奥所推进。
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硫酸
硫酸（H2SO4）是硫最重要的含氧酸。无水硫酸为无色油状液体，10.36℃时结晶。
硫酸是一种最活泼的二元无机强酸，能和许多金属发生反应。高浓度的硫酸有强烈吸水性，可用作脱水剂，炭化木材、纸张、棉麻织物及生物皮肉等含碳水化合物的物质。硫酸与水混合时，会放出大量热。具有强烈的腐蚀性和氧化性，需谨慎使用。常用作化学试剂，在有机合成中可用作脱水剂和磺化剂。
梅奥
约翰·梅奥（1641—1679），英国化学家和生理学家。1658年进入牛津瓦德翰学院学习，1660年被选为万灵学院的研究员，1670年在牛津得到民法博士学位，但后来在巴斯和伦敦成为执业医生。他大部分的化学研究工作是在牛津进行的。1673年，他完成著作《医学哲学五论》，该书在1674年在牛津出版。他在这本书里面提出了由精巧和新创的实验作根据的燃烧与呼吸的学说。
2.2.2 燃素学说的建立
就在波义耳等致力于探讨燃烧现象的本质的同时，欧洲大陆却逐渐形成了解释燃烧现象本质的另外一种不同的观点——燃素学说，这种被后来的化学理论证明是本末倒置的学说主宰了近代化学一个多世纪。
贝歇尔继承了“三要素说”，并将其应用于对燃烧现象的解释，从而初步形成了燃素学说的思想基础。
贝歇尔将燃烧看成是一种分解作用，认为不能分解的物质是不会燃烧的。
施塔尔是贝歇尔的学生，1703年，他重印了老师的著述，同时还亲自书写了一个长长的评注，对贝歇尔的观点备加推崇。
在此之后，施塔尔在使用的教科书《化学基础》中继承并发展了贝歇尔的观点，使之发展成为一个解释燃烧现象甚至所有化学现象的完整和系统的学说。
施塔尔对燃素学说内涵进行了系统阐述：燃素是“火质和火素而非火本身”，在燃烧的物体中进行一种快速转动逸出，燃素包含在所有可燃烧物体中，也包含在能燃烧成烧渣的金属里面。
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燃素学说的危机
燃素学说最早遇到的麻烦，也最令其难堪的是如何解释金属焙烧后产生的金属会比原来的金属重。因为按照燃素学说，金属焙烧后是燃素损失了，这种观点对于解释像木炭之类燃烧后质量会减少的物质是可以接受的，但对于金属之类燃烧后质量会增加的物质来说就令人无法接受了。于是便产生了许多牵强的甚至是荒唐滑稽的辩解：
①芬涅尔认为燃素有负质量（1750年左右）。
②舍费尔认为金属质量增加还是减少要看燃素从其中除去还是添加于其中，言外之意，金属焙烧后也可能是添加燃素（1757年）。
③查登农认为应该区别相对密度和绝对质量（质量），当化合物中有比空气轻的元素时就力图上升（质量减少）（1764年）。
④莫尔渥认为燃素比空气或最稀薄的介质轻，在这种介质中，物体的质量减少（1772年）。
⑤马凯则提出了另一种比较简单的解释：这种质量的增加可能是被焙烧的物质密度增加或者它吸收了空气微粒的缘故（1778）。
然而，由于燃素学说把化学变化的公式颠倒了，把化学现象的映像当作了原形，结果只能是越辩越乱，最后几乎达到有多少种燃烧现象就有多少种相应的燃素学说的变形解释。
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化合物
化合物是由两种以上的元素以固定的摩尔比通过化学键结合在一起的化学物质。化合物可以由化学反应分解为更简单的化学物质。
化合物主要分为有机化合物和无机化合物。
有机化合物含有碳氢化合物，如甲烷（CH4），分为：糖类、核酸、脂质和蛋白质。
无机化合物不含碳氢化合物，如硫酸铜（CuSO4），分为：酸、碱、盐和氧化物。
离子化合物一般含有金属元素，如氧化钠（Na2O）。
共价化合物如水（H2O）。
2.2.3 燃素学说时期几种重要气体的发现过程
直到17世纪中叶为止，人们对气体、空气的认识一直很模糊，多数人仍然认为空气是唯一的气体元素。到了18世纪，对燃烧现象和呼吸现象研究的深入，使人们逐步认识到气体的多样性和空气的复杂性。于是许多著名的化学家纷纷把精力投入到气体的制取和研究上，从而发现、认识和制得了很多种对化学理论形成具有重要意义的气体。
（1）碳酸气（二氧化碳）的发现
布莱克在1755年的毕业论文中通过石灰石煅烧前后的质量改变，判断反应中释放出一种气体，称之为“固定空气”。
布莱克通过生石灰不吸收普通空气，却吸收这种“固定空气”的实验认为，它异于大气中的空气。
由于理论和实验条件的限制，布莱克一直未能制得纯净的碳酸气，更没有证明它的组成元素。
1766年，卡文迪许用汞槽法成功收集了纯净的二氧化碳气体。1774年，拉瓦锡证实它是碳的氧化物。
（2）氢气的发现
1766年，卡文迪许发现，这种气体具有下列性质：
①易燃。
②和空气混合后点燃会发生爆炸。
卡文迪许还发现不管用哪种酸也不管酸的浓度高低，只要金属量一定，产生这种气体的量就是一定的。
1781年，卡文迪许与普里斯特利分别独自在这种气体与空气混合爆炸实验中发现了产物——水。这一实验结果意味着水是氢与氧的化合物而并不是一种元素。
因为卡文迪许和普里斯特利都是燃素论的虔诚信徒，所以他们只能用燃素学说的观点，把这种气体解释为燃素与水的化合物或是含有过多燃素的水，并坚持认为水是一种元素。
1787年，拉瓦锡将这种元素命名为“hydrogen”，意思是“成水元素”。
（3）氮气的发现
1774年，舍勒用“硫酐”溶液（硫的石灰水溶液）来吸收空气中的氧而取得氮气。经研究后他指出：“这种气体较空气轻，能灭火，性质颇似固定空气”。舍勒称之为“浊空气”。
大约在1779年，舍勒又发现空气通过电火花时体积会减少，生成的气体具有酸性，他误以为是碳酸气；后来被卡文迪许证实是硝酸气。拉瓦锡给了它一个名字“azote”，意思是“无益于生命”。
（4）氧气的发现
舍勒是最早取得氧气并研究的人。舍勒在1775年年底将《论火与空气》一书送交印刷所，但被出版商积压，直至1777年才和读者见面。
1774年，普里斯特利得到氧气，并证明氧气具有下列性质：
①实际上不溶于水。
②助燃，使蜡烛发出耀眼的光。
舍勒与普里斯特利对氧的发现是他们发现真理的一次极好机会。在此基础上更进一步，就可以揭示燃烧现象的真谛，从而推翻燃素学说，取得具有划时代意义的伟大成就。
因为二人都是燃素学说的忠实信徒，不肯对燃素学说有一丝一毫的怀疑，所以“从歪曲的、片面的、错误的前提出发，循着错误的、弯曲的、不可靠的途径进行探索”，从而使碰到鼻尖上的真理溜掉了，成为化学发展道路上唯心主义造成的一个科学悲剧。
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布莱克
约瑟夫·布莱克出生在波尔多，1750年（或1751年），布莱克移居爱丁堡，1754年6月他的博士学位论文题为《论胃中食物产生的酸，兼论白镁氧》。文章附有有趣的附录：弱性碱和苛性碱的关系的化学实验及其解释。1755年6月，他在爱丁堡哲学会宣读了它的扩充的英文本，此英文本在1756年出版，题目是《关于白镁氧、生石灰和其他碱性物质的实验》。1756年，布莱克继卡伦任格拉斯哥大学的解剖学教授和化学讲师职位，但这工作开始于1750年。1766年，他继卡伦任爱丁堡大学的化学教授，直至1799年他坐在椅子上平静地死去为止。他最后一次任教是在1796～1797年度。布莱克讲课非常受欢迎，他备课和准备讲课实验很认真。他有一个学生叫本杰明·拉什，后来成为美国第一位化学教授。
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苛性碱
苛性碱属强碱物质，为氢氧化物，化学通式R——OH，R可以是金属或碱土金属离子，也可以是铵。常见的有氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铷等，苛性钠和苛性钾，即氢氧化钠与氢氧化钾，由于它们的水溶液或其他溶液对皮毛、皮肤、纸张等具有强烈腐蚀作用（如氢氧化钠水溶液可以强烈腐蚀纸张），因此有“苛性”之名。
氢氧化钠化学式为NaOH，俗称烧碱、火碱、苛性钠，常温下是一种白色晶体，具有强腐蚀性。易溶于水，其水溶液呈强碱性，可以使酚酞变红，使石蕊溶液变蓝，实验中可用于除二氧化碳（CO2）。
氢氧化钾化学式为KOH，俗称苛性钾，白色固体，溶于水、醇，但不溶于醚，在空气中极易吸湿而潮解，可以与二氧化碳反应生成碳酸钾，所以它会被用于吸收二氧化碳。
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卡文迪许
1731年10月10日，卡文迪许出生在英国一个贵族家庭。
1766年，卡文迪许发表了他的第一篇论文《论人工空气的实验》。
以后他又陆续发表了一些关于化学、物理学的富有成果的报告，逐渐引起英国甚至欧洲科学界的震惊。
卡文迪许的生活一直非常有规律，所以很少生病，直至1810年3月10日才以79岁高龄与世永别。
卡文迪许对于金钱的概念淡薄
卡文迪许的父亲是德文郡公爵二世的第五个儿子，母亲是肯特郡公爵的第四个女儿。早年，卡文迪许从叔伯那里得到了大宗遗赠。1783年父亲逝世，又给他留下大批遗产。这样他的资产超过了130万英镑，成为英国的巨富之一。虽然家资万贯，他的生活却非常俭朴。他身上穿的，永远是几套过时陈旧的绅士服。他吃得也非常简单，就是在家待客，照样是羊腿一只。这些钱该怎么用，卡文迪许从没想过。
有一次，经朋友介绍，一老翁前来帮助他整理书籍。此老翁穷困可怜，朋友本希望卡文迪许给他较优厚的酬金。哪知工作完后，酬金一事卡文迪许一字未提。事后那朋友告诉卡文迪许，这老翁非常可怜，请他帮助。卡文迪许惊奇地问：“我能帮助他什么？”朋友说：“给他一点生活费用。”卡文迪许连忙从口袋中掏出支票，边写边问：“2万镑够吗？”朋友吃惊地叫起来：“太多，太多了！”可是支票已写好。由此可见，钱的概念在卡文迪许的头脑中是非常淡薄的。
第一只享用氧气的老鼠
有一次，布莱克将一只老鼠放在“脱燃烧素”的气体里，他发现这只老鼠过得非常舒服，这使得布莱克非常好奇。正是在这种好奇心的驱使下，他又进行了实验。这次他用自己做实验，他用玻璃吸管从盛装这种气体的大瓶里吸气，当时他的肺部所得到的感觉，跟平常吸入普通空气一样；但经过一段时间，身心一直觉得非常轻快舒畅。
“有谁能说这种气体将来不会变成时髦的奢侈品呢？不过现在只有我与这只老鼠，才有享受呼吸这种气体的权利啊！”布莱克幽默地说。
之后，布莱克将这个实验过程记录到他的一本书《几种气体的实验与观察》中，成为了许多讨论氧气学的著作中最权威的一本。这本书在1766年出版。在这本书中，他向科学界首次详细描述了氧气的各种性质，他当时把氧气称为“脱燃烧素”。
因为在制取出氧气之前，他就制得了氨、二氧化硫、二氧化氮等，与同时代的其他化学家相比，他还采用了许多新的实验技术，所以，他被称为“气体化学之父”。
1783年，拉瓦锡的“氧化说”已经普遍被人们接受。虽然布莱克只相信“燃素学”，但是他所发现的氧气，却是导致化学后来蓬勃发展的一个重要因素。
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氧气
氧气（O2）是无色无味的气体，氧元素最常见的单质形态，常温下不很活泼，与很多物质都不易作用，但在高温下则很活泼，可以与多种元素直接化合，这与氧原子的电负性仅次于氟有关。
氧气的化学性质比较活泼。除了稀有气体、活性小的金属元素如金、铂、银以外，大部分的元素都能与氧气反应，这些反应称为氧化反应，而通过反应产生的化合物（由两种元素构成，且一种元素为氧元素）称为氧化物。通常而言，非金属氧化物的水溶液呈酸性，而碱金属或碱土金属氧化物则为碱性。另外，几乎所有的有机化合物，都可在氧中剧烈燃烧生成二氧化碳与水。氧气具有助燃性、氧化性。