拉瓦錫與他的天平

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天平與石膏的成分

燃素說的推翻者,法國化學家拉瓦錫原來是學法律的。1763年,他20歲的時候就取得了法律學士學位,并且獲得律師開業(yè)證書。他的父親是一位律師,家里很富有。所以拉瓦錫不急于當律師,而是對植物學發(fā)生了興趣。經(jīng)常上山采集標本使他對氣象學也產(chǎn)生了興趣。后來,拉瓦錫在他的老師,地質學家葛太德的建議下,師從巴黎有名的魯伊勒教授學習化學。

拉瓦錫的第一篇化學論文是關于石膏成分的研究。他用硫酸和石灰合成了石膏。當他加熱石膏時放出了水蒸氣。拉瓦錫用天平仔細測定了不同溫度下石膏失去水蒸氣的質量。從此,他的老師魯伊勒就開始使用“結晶水”這個名詞了。

天平與質量守衡定律

這次成功使拉瓦錫開始經(jīng)常使用天平,并總結出了質量守恒定律。質量守恒定律成為他的信念,成為他進行定量實驗、思維和計算的基礎。例如他曾經(jīng)應用這一思想,把糖轉變?yōu)榫凭陌l(fā)酵過程表示為下面的等式:

葡萄糖 == 碳酸(CO2)+ 酒精

這正是現(xiàn)代化學方程式的雛形。用等號而不用箭頭表示變化過程,表明了他守恒的思想。拉瓦錫為了進一步闡明這種表達方式的深刻含義,又具體地寫到:

“我可以設想,把參加發(fā)酵的物質和發(fā)酵后的生成物列成一個代數(shù)式。再逐個假定方程式中的某一項是未知數(shù),然后分別通過實驗,逐個算出它們的值。這樣以來,就可以用計算來檢驗我們的實驗,再用實驗來驗證我們的計算。我經(jīng)常卓有成效地用這種方法修正實驗的初步結果,使我能通過正確的途徑重新進行實驗,直到獲得成功!

早在拉瓦錫出生之時,多才多藝的俄羅斯科學家羅蒙諾索夫就提出了質量守恒定律,他當時稱之為“物質不滅定律”,其中含有更多的哲學意蘊。但由于“物質不滅定律”缺乏豐富的實驗根據(jù),特別是當時俄羅斯的科學還很落后,西歐對沙俄的科學成果不重視,“物質不滅定律”沒有得到廣泛的傳播。

天平與“反燃素化學”

1772年秋天,拉瓦錫照習慣稱量了一定質量的白磷使之燃燒,冷卻后又稱量了燃燒產(chǎn)物P2O5的質量,發(fā)現(xiàn)質量增加了!他又燃燒硫磺,同樣發(fā)現(xiàn)燃燒產(chǎn)物的質量大于硫磺的質量。他想,這一定是什么氣體被白磷和硫磺吸收了。中/華/化/學/競/賽/網(wǎng)

他于是又做了更細致的實驗:將白磷放在水銀面上,扣上一個鐘罩,鐘罩里留有一部分空氣。加熱水銀到40℃時白磷就迅速燃燒,之后水銀面上升。拉瓦錫描述道:“這表明部分空氣被消耗,剩下的空氣不能使白磷燃燒,并可使燃燒著的蠟燭熄滅;1盎司的白磷大約可得到2.7盎司的白色粉末(P2O5,應該是2.3盎司)。增加的重量和所消耗的1/5容積的空氣重量接近相同!

燃素說認為燃燒是分解過程,燃燒產(chǎn)物的質量應該比可燃物的輕,而拉瓦錫實驗的結果卻是截然相反。他把實驗結果寫成論文交給法國科學院。從此,他做了很多實驗來證明燃素說的錯誤。在1773年2月,他在實驗記錄本上寫到:“我所做的實驗使物理和化學發(fā)生了根本的變化!彼麑ⅰ靶禄瘜W”命名為“反燃素化學”。

天平與煅灰

1774年,拉瓦錫做了焙燒錫和鉛的實驗。他將稱量后的金屬分別放入大小不等的曲頸瓶中,密封后再稱量金屬和瓶的質量,然后充分加熱。冷卻后再次稱量金屬和瓶的質量,發(fā)現(xiàn)沒有變化。打開瓶口,有空氣進入,這一次質量增加了,顯然增加量是進入的空氣的質量(設為A)。他再次打開瓶口取出金屬鍛灰(在容積小的瓶中還有剩余的金屬)稱量,發(fā)現(xiàn)增加的質量正和進入瓶中的空氣的質量相同(即也為A)。

這表明,鍛灰是金屬與空氣的化合物。拉瓦錫進一步想,如果設法從金屬鍛灰中直接分離出空氣來,就更能說明問題。他曾經(jīng)試圖分解鐵鍛灰(即鐵銹),但實驗沒有成功。

到了這年的10月,普里斯特里訪問巴黎。在歡迎宴會上他談到“從紅色沉淀(HgO)和鉛丹(Pb3O4)可得到‘脫燃素氣’”。對于正在無奈中的拉瓦錫來說,這條信息是很直接的啟發(fā)。11月,拉瓦錫加熱紅色的汞灰制得了氧氣。在舍勒的啟發(fā)下,拉瓦錫甚至制造了火車頭大小的加熱裝置,其中心是聚光鏡,平臺下面是六個大輪子,以便跟著太陽隨時轉動。

燃燒的氧化理論的誕生

1775年,拉瓦錫的實驗中心已從分解金屬鍛灰轉移到了對氧氣的研究。他發(fā)現(xiàn)燃燒時增加的質量恰好是氧氣減少的質量。以前認為可燃物燃燒時吸收了一部分空氣,其實是吸收了氧氣,與氧氣化合,即氧化。這就是推翻了燃素說的燃燒的氧化理論。

與此同時,拉瓦錫還用動物實驗,研究了呼吸作用,認為“是氧氣在動物體內與碳化合,生成二氧化碳的同時放出熱來。這和在實驗室中燃燒有機物的情況完全一樣!边@就解答了體溫的來源問題。

空氣中既然含有1/4的氧氣(數(shù)據(jù)來自原文),就應該含有其余的氣體,拉瓦錫將它稱為“碳氣”。研究了空氣的組成后,拉瓦錫總結道:“大氣中不是全部空氣都是可以呼吸的;金屬焙燒時,與金屬化合的那部分空氣是合乎衛(wèi)生的,最適宜呼吸的;剩下的部分是一種‘碳氣’,不能維持動物的呼吸,也不能助燃!彼讶紵c呼吸統(tǒng)一了起來,也結束了空氣是一種純凈物質的錯誤見解。

近代化學的奠基者

1777年,拉瓦錫明確地譏諷和批判了燃素說:“化學家從燃素說只能得出模糊的要素,它十分不確定,因此可以用來任意地解釋各種事物。有時這一要素是有重量的,有時又沒有重量;有時它是自由之火,有時又說它與土素相化合成火;有時說它能通過容器壁的微孔,有時又說它不能透過;它能同時用來解釋堿性和非堿性、透明性和非透明性、有顏色和無色。它真是只變色蟲,每時每刻都在改變它的面貌!

這年的9月5日,拉瓦錫向法國科學院提交了劃時代的《燃燒概論》,系統(tǒng)地闡述了燃燒的氧化學說,將燃素說倒立的化學正立過來。這本書后來被翻譯成多國語言,逐漸掃清了燃素說的影響。

從此,化學切斷了與古代煉丹術的聯(lián)系,揭掉了神秘和臆測的面紗,代之以科學的實驗和定量的研究;瘜W進入了定量化學(即近代化學)時期。所以,我們說拉瓦錫是近代化學的奠基者。

舍勒和普里斯特里先于拉瓦錫發(fā)現(xiàn)氧氣,但由于他們思維不夠廣闊,更多地只是關心具體物質的性質,沒有充分利用天平進行思考,沒有能沖破燃素說的束縛,與真理擦肩而過,是很遺憾的。
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