拉瓦锡和他的氧化论 (1)

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在17世纪到18世纪，启蒙运动席卷整个欧洲，不仅造就了文学艺术的万木峥嵘，也使得科学思想舒枝展叶，结出理论的果实。而在这期间，化学领域中最硕大的果实莫过于推翻燃素说的氧化论。十分钟让你爱上化学，这里是化十学堂，今天我们就来聊聊拉瓦锡和他的氧化论。

1661年，波义尔出版了著作《怀疑的化学家》。在他书中抛弃了亚里士多德的“四元素论”，并为元素下了全新的定义：只有那些不能用化学方法再分解的物质才是元素。这一概念也使得寻找元素成为当时化学界的重点问题。而火作为“四元素”之一，也是人类体验最深刻的反应，自然吸引了化学家们的目光。

化学家们观察到木头等大部分可燃物在燃烧时，会放出大量的光和热，最后只留下一些灰烬，并且灰烬的质量要远远小于木头的质量。这说明有一些可以燃烧的物质在燃烧过程中被损耗掉了，而损耗掉的这些物质就被称为燃素，这就是燃素说。

燃素说它并不是一个单一的理论，许多化学家都用过类似的概念，最终将燃素说发扬光大的是德国化学家斯特尔。他系统的阐述了燃素说，认为：“燃素”存在于一切可燃物中，这些微粒既可以与其他元素结合在一起形成化合物，也可以游离在空气中单独存在。日常观察到的物质燃烧过程既是物质释放燃素的过程，也是空气吸收燃素的过程，而空气对燃素的承载量是有限的，所以密封燃烧后的剩下的空气不能再继续支持燃烧。另外除了木头的燃烧，人的呼吸也是一种燃烧。在人的食物中含有大量燃素，当人呼吸时，就可以将燃素再释放到空气中。同时植物又可以通过吸收空气中的燃素，形成一个完整的循环。这个燃素循环就很像我们今天说的一种元素的循环，没错，就是碳循环。而且因为燃素可以转移，就很好的解释了燃烧后的金属与木炭一起加热时，可以再一次变成金属，很好的解释了冶金的过程。

燃素说凭借着可以解释如此多的现象，加上当时化学家对空气的认识很模糊，导致燃素说在此后100多年一直广为流传。但它存在一个致命的缺陷，就是很难解释为什么金属燃烧后质量会变大，为此一些化学家牵强地引入了“负质量”的概念来解释。后来空气的层层面纱被揭开，燃素说的地位开始了动摇。

给燃素说致命一击的，就是我们今天的主角拉瓦锡。拉瓦锡非常注重定量研究，在他的实验室里拥有当时世界上最精密的天平，这也为推翻燃素说提供了巨大帮助。他最开始设计了著名的“钟罩实验”，发现铅在密封的容器中燃烧时，容器总质量保持不变，但打开容器后，发现质量迅速增加。因此他认为：物质的燃烧是可燃物与空气中某种物质发生了结合，这才是为什么燃烧需要空气以及金属燃烧后质量会增加。但是当时的他仍无法确定到底是空气中的哪一种组分与可燃物发生了结合。

直到1774年，普利斯特利将加热后的汞灰再进行加热时，制备了一种神奇的气体，这种气体闻起来会让人身心感到非常舒服。虽然这种气体不能燃烧，但是却可以助燃，具有很强的吸收燃素的能力，所以就将这种气体命名为了“脱燃素气体”。拉瓦锡了解到这种气体后深受启发，因此他设计了一个非常精细的实验，后来被称为“20天实验”。他向一个曲颈瓶中加入一些水银，然后让瓶颈通过水银槽，与一个钟形的玻璃罩相通，在玻璃罩内充有空气。然后不断地加热曲颈瓶中的水银，很快水银表面就出现了红色粉末。大家可以猜猜红色粉末是什么呢？没错，红色粉末就是氧化汞。加热到12天时，红色的粉末便不再增多。为了严谨，拉瓦锡继续加热到第20天，红色粉未仍不再增多，才结束了实验。

实验结束后，拉瓦锡发现：钟罩内的空气体积大约减少了五分之一，将红色粉末再加热后，粉末可以重新释放出“脱燃素气体”，而气体的体积正好与钟罩内失去的气体体积相等。另外，钟罩中剩下来的气体，既不能支持燃烧，也不能用来呼吸，与之前发现的氮气性质相同；把脱燃素气体与钟罩中气体重新混合后，性质与空气完全一样。至此，拉瓦锡得出结论：空气是由氧气和氮气所组成的，其中氧气占空气总体积的五分之一，并且物质燃烧时，可燃物就是与空气中的氧气发生了结合。

于是拉瓦锡在1777年发表了《燃烧概论》，系统阐明了燃烧的氧化论，彻底地推翻了燃素说。基于氧化论和质量守恒定律，1789年拉瓦锡又发表了《化学概要》，建立了近代化学的完整体系。不过与拉瓦锡耀眼的成就相比，他的命运则更令人惋惜。拉瓦锡在法国大革命中因为包税官的身份被押上了刑场，结束了他的生命。看到法国人亲手毁掉了他们最优秀的化学家，数学家拉格朗日痛心地说：“他们可以一眨眼就把他的头砍了下来，但他那样的头一百年也长不出来一个了。”

拉瓦锡的结局虽然令人惋惜，但他通过严谨的实验，引领化学走向了定量时代，为化学中定量关系的发现以及道尔顿原子论的提出铺平了道路，也因此拉瓦锡与波义尔齐名，共同被誉为了”近代化学之父”。