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现代化学之父——拉瓦锡

出处:本站原创   发布时间:2022-05-18   

  拉瓦锡1743年出生于巴黎的一个富裕家庭,贵族。拉瓦锡的母亲在他五岁的时候就去世了,拉瓦锡是由他的姨妈抚养长大的。可以肯定的是,拉瓦锡得到了姨妈的悉心照料,并受到了良好的教育。

  1754年,拉瓦锡11岁的时候,进入法国著名的马扎林(Mazarin)学院求学。名字叫学院,其实是一所贵族中学,不同之处是在这所中学里很多老师都是法国著名的科学家,师资力量比现在的大学还厉害,如物理学家和数学家达朗贝尔(J. L. R. d’ Alembert)、天文学家巴伊(Jean-Sylvain Bailly)、画家大卫(J. L. David)等都曾在这里教学。一个人的成功首先是天资,其次是见识,两者一个都不能少。在这里拉瓦锡两者都具备了。他的好奇心多半是天生俱来的,上学期间,拉瓦锡就师从著名天文学家拉卡伊(N-L. de Lacaille)攻读数学和自然科学;在地质学家盖塔尔(J-E. Guettard)指导下研究地理学和矿物学;在著名化学家鲁埃尔(G-F. Rouelle)门下学习化学。鲁埃尔的化学实验演讲极为有名,曾吸引狄德罗、卢梭等一大批社会名流前往倾听。

  拉瓦锡的父亲是一名律师,他希望拉瓦锡能子承父业。在父亲的要求下,1761年拉瓦锡进入巴黎大学法学院学习,1763年获得法学学士学位,次年又获得法学硕士学位。

  拉瓦锡毕业后,没有从事律师的工作,而是投身于自己喜欢的科学研究之中。由于解决了巴黎城市街道的照明问题,以及发表了名为《关于石膏的分析》的论文,1769年,年仅26岁,拉瓦锡就成为法国科学院最年轻的院士【1】。

  正如原子对于物理学,字节对于数字信息科学,基因对于生物学,只有元素这种组成物质的最基本单元概念提出后,化学才成为一门系统的科学。物质世界林林种种,表面看杂乱无章,实质有章可循,本质上都是由118种元素组成的。元素及其生成的化合物决定了物质的特性。

  拉瓦锡认识到,化学研究的本质是“以自然界的各种物体为实验对象,旨在分解它们,以便对构成这些物体的各种物质进行单独的检验。”

  1661年英国科学家波义耳对亚里士多德的四元素学术(世界万物是由土、气、水、火四种元素组成的)产生怀疑,在他的著作《怀疑派化学家》中首次提出了“元素”的概念。“元素应当是某种不由任何其他物质所构成的或是互相构成的、原始的和最简单的物质”,“应该是一些具有确定性质的、实在的、可觉察到的实物,用一般化学方法不能再分解为更简单的某些实物”。

  可惜之后的一段时间里,由于缺乏精确的实验材料,究竟哪些物质应当归属于化学元素,哪些是由元素组成的物质,这个问题未能获得解决,直到拉瓦锡的出现。

  拉瓦锡发展了波义尔的“元素”概念,在他的《化学基础论》一书中【2】,首次给出了化学元素表(不是元素周期表,元素周期表是指反映元素排列的周期规律性的表格,是俄罗斯的门捷列夫发现的。化学元素表反映了组成物质的最小单位元素有哪些)。一共列举了33种化学元素,分为4类:

  2、能氧化生成酸的非金属物质(6种):硫、磷、碳、盐酸根、茧石酸根、月石酸根。

  3、能氧化生成盐的金属物质(17种):砷、钼、钨、锰、镍、钴、铋、锑、锌、铁、锡、铅、铜、汞、银、铂、金。

  从我们现有的化学知识可以看出,这个化学元素表中有很多错误的。氧气、氮气、氢气是由单一元素组成的单质,其实不是元素;光和热就更不是元素了;石灰、苦土等也是化合物,不是元素。拉瓦锡的化学元素表虽然存在错误,但给后来的科学家提供了一种思维范式,指明了研究方向,奠定了化学作为一门科学的总体框架。

  化学脱胎于声名狼藉的炼金术和炼丹术。炼金术士和炼丹术士把各种原料放在一个罐子里焙烧,期望能烧出闪闪发光的黄金和长生不老之药。为了更显神秘和保密的原因,这些炼金术和炼丹术的文献都是用密码写的,其他人根本看不懂。这样的风气延续到了兴起的化学领域,再加上当时沟通、交通的不便,造成了同一种化学物质,不同的地域、不同人叫不同的名字,而且这些名字都非常奇怪,无规律可循,根本记不住。因为炼金术士起这些名字的本意就是让人记不住的。

  拉瓦锡与人通力合作,制定了化学物质的命名规则:每种物种必须有一个固定的名字,单质的名称尽可能地表达出他们的特征,化合物的名称必须根据它所含的单质表示出它的组成。酸类、碱类用它们所含的元素命名,盐类用构成他们的酸碱来命名。过去被称为金属灰的物质,根据它们的组成改称为金属氧化物,原来被称为矾油或矾酸的改称为硫酸。这样只要知道了物质的化学组成,望文生义就可以叫出它的名字。反之,知道了物质的名字,就可以写出物质的化学组成。这种简单明了的体系,受到了国内外化学家的普遍欢迎,很快在各国得到广泛应用。

  二十世纪九十年代,文档编辑工具WPS曾经非常盛行。WPS在文字输入后,要通过编辑才能看到要显示的格式。而微软推出的Word文档编辑工具,实现了“所键即所得”,深受用户喜爱,很短时间就把WPS打败了。这也是当代“望文生义”重要性的一个典型例子。

  1789年拉瓦锡出版了《化学基础论》。在《化学基础论》中,拉瓦锡给出了元素的概念,并第一次给出了化学元素表。以化学元素表为主线,研究酸、碱、盐等各种化合物,并给出来化合物的命名方式。书中对氧化学说和质量守恒定律给予了阐述,给出了化学方程式的早期雏形,把化学从定性研究带入到定量研究的新阶段。

  《化学基础论》对科学的贡献,完全可以和牛顿的《自然哲学的数学原理》、达尔文的《物种起源》相媲美。

  《化学基础论》不如《自然哲学的数学原理》和《物种起源》有名,主要原因还是与化学出身于声名狼藉的炼金术有关。虽然现代化学已经成长为一门受人尊敬的科学,哪怕进入了20世纪,当诺贝尔奖获得者、著名量子物理学家沃尔夫冈·泡利(Wofgang Pauli)的妻子与一名化学家私奔后,泡利在一封给朋友的信中仍写道:“她哪怕与一名斗牛士私奔都好呀,可是,她偏偏选择了一名平凡的化学家。”【3】

  燃烧是自然界中最普遍的现象之一,做化学实验更需要做混合、加热等操作,因此对燃烧的研究就成为一名化学家的必修课。我们现在都知道空气是由氮气、氧气、二氧化碳和惰性气体等组成的混合物,但在拉瓦锡之前,人们一直把空气当作单一物质来看待。这种观点非常古老,而且从来没有人怀疑过。

  燃素说认为,凡是能燃烧的物质都含有燃素,燃素就是可以燃烧的元素。当金属在空气中加热时,燃素便逸出,剩下的是金属灰。如果把木炭与金属灰一起加热,金属灰又可以变成金属,这是因为木炭中富含燃素,金属从木炭中吸收了燃素。你看,如果我们不知道氧化学说,燃素说听起来也是蛮合理的。燃素说还能解释光合作用。物质燃烧时,释放出燃素到空气中。燃素与空气一旦结合就再无法分开,只有植物能从空气中攫取它,这就是树能长大而且可以燃烧的原因。燃素也能通过植物进入到动物的机体中去。

  你看,燃素说也是自洽的,可以解释很多现象,因此得到了当时包括拉普拉斯、普利斯特利、卡文迪许等著名科学家的支持。

  气体化学的发展成果,为拉瓦锡发现氧气和氧化学说积累了实验依据和思想材料。1772年,拉瓦锡开始怀疑燃素说。我们知道金刚石的燃点非常高,当拉瓦锡听说金刚石在空气中可以燃烧时,觉得很惊奇,于是就自己做实验验证。用凸透镜加热金刚石,发现金刚石真的就烧没了。

  拉瓦锡就在金刚石外面包了一层石墨,继续前面的燃烧实验,结果发现金刚石完好无损。

  据此,拉瓦锡判断,在金刚石燃烧的过程中,与空气一定发生了关系。这是燃素说不能解释的。

  空气在燃烧中发挥了什么作用?为弄清楚这个问题,拉瓦锡设计了下面磷的燃烧实验。

  拉瓦锡把磷放在一块软木上,再把软木浮在水面上。磷的燃点只有40℃,拉瓦锡用一根烧热的金属丝将磷点燃,随即用玻璃罩盖上。

  用硫替代磷,做同样的实验,得到同样的结果,玻璃罩内的空气也减少了1/4。

  烧完了金刚石、磷和硫,拉瓦锡决定来烧一下金属。发现金属放在密封的容器里燃烧时,重量不会发生变化。而当密封容器打开时,金属就迅速变为金属灰,也就是后来被称为的金属氧化物,并且重量增加了。如果把炭与金属灰放在一起燃烧,金属灰又变为金属,而且金属重量不变。

  距离真理越来越近了。在燃烧时,燃烧物与空气到底发生了什么关系?要弄清楚这个问题,我们还得讲一下氧气的发现。

  氧气是英国化学家普利斯特利首先发现的。普利斯特利在加热氧化水银的时候,发现氧化水银分解为水银和一种气体。这种气体能够使燃烧的蜡烛更旺。这种气体就是氧气。

  由于普利斯特利深信燃素说,思想受到了燃素说的束缚,把这种气体定义为“脱燃素”,因为它可以让蜡烛燃烧的更旺,帮助燃烧把蜡烛里的燃素脱出来。普利斯特利发现了氧气,但对燃烧给出了错误的解释,与燃烧的本质完美错过,以至于法国著名科学家居维叶评价说:“普利斯特利是现代化学之父,但是,他始终不承认自己的亲生女儿。”

  拉瓦锡在普利斯特利的指导下,重复了氧化水银加热分解为水银和一种气体的实验,但给出了完全不同解释,认为这种气体是一种元素,命名为“氧气”(现在我们知道氧气也不是元素,而是由氧元素组成的单质),而不是一种燃素或脱燃素。

  早在拉瓦锡出生之前,多才多艺的俄罗斯科学家罗蒙诺索夫就提出了质量守恒定律,他当时称之为“物质不灭定律”。由于“物质不灭定律”缺乏丰富的实验根据,其中含有更多的哲学意蕴。特别是当时俄罗斯的科学还很落后,西欧对沙俄的科学成果不重视,“物质不灭定律”并没有得到广泛的传播。拉瓦锡用实验数据,第一次科学地表述和证实了质量守恒定律,这是物理学所有守恒定律中发现的第一个。

  正是由于拉瓦锡发展了波义尔的“元素”概念,首次制作了化学元素表,提出了氧化学说和质量守恒定律,规范了化学的科学语言,把化学从定性研究带入到定量研究,为现代化学奠定了基础,因此拉瓦锡被尊称为“现代化学之父”,《化学基础论》也成为现代化学诞生的标志。

  拉瓦锡不但是一名杰出的科学家,同时也是一名优秀的商人。十八世纪七十年代,法国处于封建的波旁王朝,实施严格的等级制度。第一等级是教士,第二等级是贵族,第三等级是资产阶级、工匠、城市贫民和农民。教士与贵族过着穷奢极欲的生活。为了维持这样的生活水平,国王路易十五就向第三等级的人群征以重税。征税这工作要一户一户的去收,干起来太累。国王就把收税的工作外包给了一个“包税”股份有限公司。拉瓦锡通过投资获得了包税公司三分之一的股权,承包了食盐和烟草的征税大权。为了收回投资,估计横征暴敛这样的事情也没少干,因此民怨颇深。国王与王后在法国大革命逃亡时,就是与拉瓦锡三个人一起逃亡的,后来乔装被识破,一起被抓了回来,可以看出拉瓦锡是国王的贴身团伙。作为红顶商人,金主出事的时候自己被当作政治犯处理,也情有可原。这样,当以推翻封建王朝为目标的法国大革命来临的时候,拉瓦锡就成为了被清算的对象。

  拉瓦锡在科学研究上极度敏感,也有极强的商用眼光,但错误地判断了法国大革命的形势。拉瓦锡虽然身为贵族,但他本人思想上和经济上都属于资产阶级范畴,在政治上支持革命一方的君主立宪制,并且在革命政府中任职,积极推动教育、度量衡的改革,再加上在科学上的巨大成就,觉得自己在旧政府的罪行可以被赦免。可惜判断错了,忘记了不能与疯子讲道理。

  拉瓦锡入狱后,社会知名人士也做了尽力挽救,但是遭到了革命法庭副长官考费那尔的拒绝。考费那尔说,“共和国不需要学者,只需要为国家而采取的正义行动!”

  当拉瓦锡被推上断头台,生命的最后时刻,他更想知道的是,人的头被砍下来后,是否还有意识。拉瓦锡与刽子手约定,当他的头砍下来后,如果还有意识,他会向刽子手眨眼睛。

  拉瓦锡死后,著名法国数学家、物理学家拉格朗日悲痛地说:“砍掉他的脑袋只需一瞬间,可是,要再长出一颗这样的头颅,也许要等一百年。”

  图1是著名画家大卫创作的《拉瓦锡夫妇肖像》。大卫用无声的语言描绘出了拉瓦锡夫妇的甜美爱情和美丽生活。

  拉瓦锡是“包税”股份公司的股东,玛丽的父亲波尔兹是“包税”股份公司的所有者。拉瓦锡巧遇玛丽的时候,玛丽只有14岁,两人一见钟情。拉瓦锡年少有为,英姿飒爽;玛丽美丽动人,多才多艺。拉瓦锡做实验的时候,玛丽就在旁边帮他记录数据。拉瓦锡做科研的资料多是玛丽翻译的。在拉瓦锡著作中的插图都是玛丽亲自画的。在拉瓦锡去世后,政府没收了他所有财产,玛丽变得一无所有。即使在这样的艰苦条件下,玛丽还是克服了诸多磨难,坚持出版了拉瓦锡的回忆录,对拉瓦锡思想的传播起了很大作用。

  拉瓦锡死后,夫人玛丽再婚了一次。但玛丽依旧保留着“拉瓦锡”这个姓氏,直到1836年卒。对拉瓦锡的深情和怀念可见一斑。

  【1】《拉瓦锡 现在化学之父》,作者:佟多人,林永忱,2016,吉林人民出版社。