《人類科學技術史-251》氣體化學（上）

氣體化學（上）
1.燃素說的理論危機

從貝歇爾最初提出的燃素說的1669年起，燃素說在歐洲化學界前后風行了一個多世紀。

根據燃素說的解釋，燃素是一種基質，但這種基質卻具有變幻莫測的性質：它有時是火質，有時是土質，有時是油質，有時是光質，有時是熱質。它充塞于天地萬物之間，流動于雷電風云之中。但無論是在動物體或植物體中，還是在礦物體或其他物體中，它在本質上是一樣的。一方面，它是組織這些物質的一種基質；另一方面，它又是這些物質的物理性質與化學性質的質動因。物質失去它就變成灰燼，而灰燼得到它就會新生。總之，在當時一些化學家的心目中，燃素是無所不在、無所不能的超級基質。

根據燃燒說對燃燒現象所作的理論解釋，一切與燃燒有關的化學變化都可歸結為物體吸收燃素與釋放燃素的過程，但在解釋一種與燃素有關的化學現象時，燃素說始終無法自圓其說。這種與燃素有關的重要化學現象就是金屬的煅燒現象。

燃燒說認為，物體燃燒的過程是物體釋放燃素的過程，物體燃燒，燃素釋放出去了，燃燒物體變成了灰燼。因為燃素被釋放出去了，所以物體的灰燼也就比物體本身輕得多。對于諸如木炭之類的植物體的燃燒，燃素說是乎能得到一種似是而非的解釋。可是，同樣是物體的燃燒，為什么金屬被燃燒后，它的灰燼不但不比原來的金屬物體輕，反而比原來的金屬物體重呢？

對于金屬燃素(煅燒）后增加重量的事實，當時一些持燃素論立場的化學家頗感困惑，為了使燃素論能自圓其說，法國化學家文耐爾(1723-1775年）竟別出心裁地解釋：燃素有時具有為地心引力所吸引的向下的重量，他把這種向下的重量稱為"正重量"，有時具有與地心引力相反的"向上的重量"，他把這種"向上的重量"稱為"負重量"。由于金屬燃素具有"負重量"的性質，所以當金屬燃燒而釋放出燃素時，它的重量就不但沒有減輕，反而增加了。一種基質，既具有向下的正重量，又具有向上的負重量，這很令人費解，于是，有些人費盡心思找到了這樣一個比喻：金屬失去燃素，好比人死時失去靈魂。失去靈魂的死人不是比含有靈魂的人重嗎？由此可見，燃燒后的死金屬要比活金屬重。這樣，就使燃素不僅成為一種無所不在的基質，而且成了一種神秘莫測的幽靈。由于燃素說在解釋金屬煅燒時所遇到的無法克服的理論困難，它所編織出來的理論幻景正在消逝，理論化學已處于一場新的危機之中。

把燃素說進一步推向理論危機的動因，是18世紀初氣體化學的初步發展。

2.布萊克

到18世紀初，氣體化學有了初步發展，特別是對于碳酸氣的發現與研究，可以說是18世紀氣體化學發展的先導。第一個重新發現并深入研究碳酸氣的是英國化學家布萊克(1728-1799年）。

1746年，18歲的布萊克考入格拉斯哥大學學習醫學，在學習醫學之際，他同時致力于化學研究，1750年，在他移居愛丁堡的同年，由于醫學研究的需要，布萊克即開始進行酸類與堿類物質的研究。1754年，他寫出了他的博士論文《論胃中食物產生的酸，兼論白氧鎂》，第二年，他把這篇論文擴充為專著，并在愛丁堡學會上宣讀了這一著作，1756年，該書以《關于鎂石、石灰石和其他堿類物質的實驗》的書名出版，在這一著作中，他記述了發現碳酸氣的過程，并對這種氣體的性質進行了初步的分析。

在一次實驗中，他發現，把石灰石加熱，除了制得石灰之外，還可以制取一種氣體，他把這種氣體叫作"固定空氣"，并用定量分析的方法對這種氣體的性質進行了分析，結果發現，石灰石經過煅燒后減少重量44％，他認為，這正是"固定空氣"被從中釋放出來的緣故。與此同時，他也用鎂石(碳酸鎂）作過類似的實驗，發現鎂石也含有"固定空氣"。他還發現，碳酸鎂(鎂石）與氧化鎂(鎂土）的區別，僅僅在于"固定空氣"的得失，碳酸鎂失去"固定空氣"即為氧化鎂；而氧化鎂得到"固定空氣"即為碳酸鎂。

布萊克還用其他許多方法制取過"固定空氣"，并認識到在呼吸、發酵、木炭燃燒中也能產生這種氣體，而空氣本身就含有少量的"固體空氣"。在制取"固體空氣"的基礎上，布萊克對這種氣體的性質進行了多方面的研究。他發現，這種氣體能為苛性堿所吸收；能使燃燒的蠟燭熄滅；能使動物窒息以至死亡。在當時，"窒素"曾是一個與"燃素"對立的概念，布萊克的發現從根本上揭開了"窒素"的秘密，原來"窒素"并不是一種與"燃素"對立的基質，而是一種特殊的氣體。

通過對"固定空氣"的深入研究，布萊克進一步指出，石灰石在煅燒后失重并轉變為苛性石灰，正是由于失去酸性的"固定空氣"，而這種"固定空氣"本身并不是"燃素"，而恰好是"窒素"。他的這些實驗與理論，一方面使燃素說進一步陷入了嚴重的理論危機中；另一方面，也為后來推翻燃素說提供了重要的實驗根據與理論啟示。

3.卡文迪許

繼布萊克之后為證實燃素說而進行氣體化學研究的，是英國化學家卡文迪許(1731-1810年），他是一個公爵的后代。富裕的條件使得他終生都得以進行專注的研究。

他在氣體化學方面的第一個重要貢獻，是創用汞槽法制取純凈的二氧化碳，并測定了二氧化碳的比重和溶解度，證明了用實踐方法制取的二氧化碳，與動物呼出二氧化碳和木炭燃燒時產生的二氧化碳完全相同，同時，他還發現，當空氣中含有九分之一的二氧化碳時，就會使蠟燭熄滅。

他在氣體化學方面的另一貢獻，是制取了氫氣，并對氫氣的性質進行了初步的研究。1766年，他把題為《人造空氣的實驗》的論文提交英國皇家學會。文中除了具體論述二氧化碳的制取及其性質外，就是論述氫氣的制法及其性質。

他在文中指出，用鹽酸或稀硫酸與鐵或鋅等作用，就可以用水槽法收集到反應過程中產生的氫氣。他還指出，用定量的某種金屬與多種酸作用，所產生的氫的量總是固定的，而與酸的種類無關。他認為氫氣與空氣混合后，一點燃即發生爆發。由于他崇信燃素說，所以他斷言這種氣體來自金屬，而不是來自酸，因此他把這種氣體稱為"從金屬中來的可燃空氣"，他錯誤地認為，這種"可燃空氣"就是從金屬中分離出來的"燃素"，后來，他又認為氫氣是"燃素"與水的混和物。

卡文迪許制取氫氣后，人們曾把它充入氣球，發現它能使氣球很快飄浮上升，這樣，一些燃素論的信奉者認為，氣球飄浮上升正是"燃素"具有負重量的證據。可是不久發現氫氣本身也是有重量的。

氫氣的發現，一方面直接導致了后來的氧氣的發現，另一方面也又一次動搖了燃素說。