三、拉瓦锡的化学研究

从玻义耳和胡克到普利斯特列、舍勒和卡文迪什等化学家进行的燃烧和呼吸的实验研究，在拉瓦锡的研究中达到一个紧要关头。拉瓦锡对燃烧和呼吸的解释，第一次显示出它们的真正重要意义。安托万·洛朗·拉瓦锡（1743—94）出生于巴黎。他父亲是个富豪，对科学很感兴趣，因此给儿子良好的科学教育。年轻的拉瓦锡显示出卓越的数学才能，但是，他的主要兴趣在于化学，尤其是应用化学。22岁那年，他参加城镇夜间照明问题竞赛，向科学院呈交了一篇论文。为此，他获得国王授予的一枚特别金质奖章。1768年，他当选为科学院院士。此后不久，他就任包税官。他把从这个职务挣来的收入，都花费在昂贵的实验上。后来，他成为硝石和火药工厂总监。在这个任上，他非凡地表现出他那精深的化学知识和对实际事务的深邃洞察力。

拉瓦锡从玻义耳的著作中获知，当把铅或锡放在一个内有空气的封闭容器中加热时，它们将转变成相应的金属灰，并且重量增加。但是，他决定对这些事实进行独立的实验研究。他把一定量称量过的锡放在一个长颈瓶中，然后，他将瓶密封并加热，直到锡被焙烧。瓶冷却之后，再将瓶连同内封的东西一起称量。总的重量未变。这就否证了玻义耳的见解，后者认为，在焙烧过程中，有些大微粒渗入曲颈甑，同金属相化合。拉瓦锡然后打开长颈瓶，观察到一定量空气冲入瓶中，结果瓶便变得重于它封闭的时候。接着，他称量锡灰，发现它增加的重量恰好等于瓶在打开时空气冲入后所增加的重量。这些实验结果的唯一可能解释是，在焙烧过程中金属同空气相化合，因此重量增加。拉瓦锡于1774年向巴黎科学院报告了这些结果。那时，他尚不知道这些实验表明，空气是混合物；因此，他没能在这个问题上探究出一个更令人满意的解答。然而，同年普利斯特列来到巴黎访问，告诉拉瓦锡他自己的实验工作，尤其是他对“脱燃素空气”的发现，以及从红色汞氧化物制备这种空气的方法，介绍得很详细。这给拉瓦锡正确解决前述问题提供了启示。因为，他此后不久就表明，燃烧（实际上相似于焙烧）就在于可燃物质同空气助燃部分相化合。这个部分就是普利斯特列和舍勒分别所称的“脱燃素空气”和“火空气”，拉瓦锡起先称之为“空气的最纯部分”、“生命空气”，最后称之为“氧”（即产生酸的东西）。

1773年，拉瓦锡重复了普利斯特列的一个实验（Phil.Trans. ，1772，pp.228—30），即用取火镜焙烧在水或水银上面空气之中的铅和锡。他对锡的实验未获成功，但在对铅的实验中发现，空气体积减少 ，而普利斯特列则发现减少 。拉瓦锡把这减少归因于这金属焙烧时“吸收、固定弹性流体”（Opuscules physiques et chimiques，Paris，1774；英译本：T.Henry译，Essays Physical and Chemical，London，1776，p.326f.）。

拉瓦锡从1775年起做的燃烧实验值得密切注意，因此，这里将根据后来他的《初等化学概论》（Traité Elémentaire de Chimie）（1789年）中的论述加以扼述。

拉瓦锡拿一个曲颈甑，容量约36立方英寸，颈很长。他把这长颈加以弯曲，使得曲颈甑能这样放在一个炉子上（图165）：它的长颈的开端可进入一个置于水银槽Rɸ的钟罩里面。他把四盎司纯水银充入一个曲颈甑，利用置于钟罩之下的虹吸管使水银升高到高度L。这高度仔细加以标定，并及时记下大气压和温度。然后点燃炉火，水银保持在十二天里一直接近其沸点。第一天里，没有发生任何引人瞩目的事情。第二天，水银表面出现红色微粒。它们的数目和大小一直增加到第七天。此后，它们停止增加，保持不变。当水银的焙烧不再产生任何进一步的进展时，让火熄灭，容器冷却。曲颈甑和钟罩中的空气，在28英寸大气压和10°R温度下，其总体积在实验前等于50立方英寸。实验结束时，在同样气温和大气压下，空气体积下降到42和43立方英寸之间。换言之，空气失去其原始体积的约六分之一。拉瓦锡接着收集水银表面生成的红色微粒，并尽可能去除黏附于它们的水银。他称量了它们，它们的重量为45格令。他检测了焙烧完成之后，曲颈甑和钟罩中残留的体积为原先五六分之一的空气，发现它不适合帮助燃烧和呼吸。放在其中的动物一会儿便死去，点燃的细蜡烛也立即熄灭。拉瓦锡然后把45格令金属灰放入同一个容器相连的一个小罐。当加热曲颈甑时，金属灰产生41.5格令水银和七八立方英寸一种弹性流体，它远比普通空气有力地帮助燃烧和呼吸。拉瓦锡写道：“普利斯特列先生、舍勒先生和我自己几乎同时发现了这种空气。普利斯特列先生给它取名为脱燃素空气；舍勒先生称它苍天空气；我起初命名它为高度可呼吸的空气，后来代之以生命空气这个术语。我们现在可以认为，我们应当思考这些命名。在思考这种实验的环境条件时，我们很容易想到，水银在焙烧过程中吸收空气那适于卫生和适于呼吸的部分，或者严格地说，那适于呼吸部分的基；余下的空气是一种碳气，不能维持燃烧或呼吸；因此，大气的空气由两种性质不同并且对立的弹性流体组成”（Flements of Chemistry，R.Kerr译，1790，p.36f.）。他通过相应的合成实验证实了这个发现。他按自己分析实验中发现的比例，即8份氧对42份氮的比例混合这两种气体，结果得到一种气体，它在一切方面都同大气空气相像，也帮助燃烧、呼吸和金属的焙烧。

早在1773年，拉瓦锡就已把红色汞灰同碳一起加热，结果得到的，是“固定空气”而不是氧。他后来得出结论：“固定空气”必定是碳和氧的一种化合物。这个推论为他以前的金刚石燃烧实验（1772年）所证实。用一面强力取火镜点燃封闭在一个内有空气的玻璃容器中的一块金刚石，其时唯一产物是“固定空气”。木炭的行为与此完全一样。如此看来，金刚石在化学上颇像碳。当把一块金刚石包容在木炭粉末之中强烈加热时，它不发生任何变化。这表明，金刚石本身不可熔，仅仅加热不会使之变为挥发性的，而在有氧时仅仅转变为气体“固定空气”（即二氧化碳）。

1772年，拉瓦锡进行了一些关于磷和硫的实验，发现这两种物质在焙烧时也会重量增加。得到上述结果以后过了几年，他自然而然地想到，这种重量增加可能是由于它们同氧相化合的结果。为了证实这一点，他用一面取火镜点燃一定量称量过的磷，磷放在一个称量过的瓶里，瓶则封闭在一个里面水银上有空气的钟罩里。当燃烧停止时，他换上瓶塞，重新称量它，发现重量增加。拉瓦锡最初把这些结果发表在他的《物理和化学论集》（Opuscules Pbysiques et Chimiques）（1774年）（英译本：T.Henry译，Essays Physical and Chemical，1776，pp.383—6）之中。

大家大概已注意到，拉瓦锡在实验中力图同时定性和定量地研究每个化学过程，尽管他得到的结果常常甚至和同时代其他人得到的比较精确的结果有相当大的差别。他在其《初等化学概论》（1789年）中对刚才提到的那个实验的定性方面叙述如下。

“磷在大气空气和氧气中燃烧同样很成功，其差别在于很大比例的氮气同氧气的混合大大延缓了燃烧，以及所用空气仅约五分之一被吸收，原因是仅仅氧气被吸收。所以，卖验将近结束时氮气的比例达到很大，以致终止了燃烧。我已经表明，磷由于燃烧而变成一种极其轻的白色薄片状物质；它的性质也因这种转变而完全改变。它从不溶于水变为不仅溶于水，而且那么渴求湿汽，以致惊人迅速地吸收空气中湿汽。它藉此转变成一种液体，密度比水高得多，比重也大。燃烧前，磷几乎没有任何明显味感，但同氧化合后，它变得具有极端强烈的酸味；一句话，它从可燃物体类中一员变成一种不可燃的物质，成为那些称为酸的物体之一种”（上引著作，英译本，p.60f.）。

当拉瓦锡发现，磷或硫同氧化合分别产生磷酸和硫酸，前者进一步氧化便变成硫酸，他就用“氧”这个名字取代“纯粹空气”等等。这种观点把氧看做生成酸的东西，但后来发现，氢氯酸和氢氰酸一类酸都没有氧，因此，它需要加以修正。

拉瓦锡给出了呼吸和燃烧的正确解释。他认为，呼吸在于氧同有机物质的成分相化合。像燃烧一样，呼吸也要释放一定热量。呼吸最基本的产物二氧化碳从有机体得到碳，从大气得到氧。拉瓦锡通过仅仅燃烧有机物质，例如酒精、糖、油和蜡，便得到了二氧化碳和水。这一事实进一步证实了呼吸和燃烧的相似性。拉瓦锡还根据有机物质燃烧时产生的二氧化碳和水的数量，确定了有机物质中所含碳和氢的数量。由于这些确定，我们可以把他视为有机分析的奠基者。他曾试图确定他所考察的那些物质的重量百分组成。例如，他因而通过以铅丹氧化一定量称量过的碳来测定二氧化碳的定量组成。根据这个氧化过程中铅丹的重量损失，他估算出，二氧化碳包含百分之72.1的氧，这非常接近正确值（百分之72.7）。

拉瓦锡解决的另一个化学问题同水的本质有关。如上所述，1781年，卡文迪什已经表明，氧和氢化合产生水，此外再也没有什么别的。拉瓦锡用分析方法继续进行这种研究。卡文迪什于1781年开始对水的研究工作，其结果于1784年1月在皇家学会宣读，并发表于1784年的《哲学学报》，并经查尔斯·布莱格登爵士做了修改，后者于1784年5月当选为皇家学会秘书。布莱格登曾在1783年5月或6月访问巴黎，在谈话中把卡文迪什得到的结果告诉拉瓦锡。拉瓦锡似乎认为，卡文迪什的结论没有根据，遂同布莱格登一起相当粗糙地重复了这实验；但是，他立即于翌日将结果通报科学院。当《科学院备忘录》出版时（它们往往一搁就是几年），这篇文稿发表在1781年那一卷上，所以，拉瓦锡声称这发现属于他自己。在对卡文迪什1784年的研究报告的插话中，布莱格登声明，他曾把卡文迪什的工作告诉过拉瓦锡，像刚才说明的那样。

拉瓦锡于1783年向科学院宣读了他的论文，在论文刊印于1781年卷之前，他又作了增订。简单地说，拉瓦锡的实验就是，把喷嘴喷出的氧和氢的混合物放在一钟罩内的水银上面燃烧。这两种气体用两根皮管送入喷嘴，一根来自一个盛氧的容器，另一根来自另一个盛氢的容器口钟罩侧壁上生成了水；这水收集起来证明是纯粹的。两种气体的数量没有加以观测；这水的重量量得为不足5打兰。

根据这个实验，拉瓦锡就大胆地引出结论：所生成水的重量等于组分气体即“可燃空气”和“生命空气”的重量，因此，水不是简单的物质，而是这两种“空气”的化合物。

1783年，拉瓦锡和默斯尼埃进行关于水合成的进一步实验；不过，所发表的关于这项工作的说明也包括了后来得到的结果。他们首先发现，铁锉屑慢慢地使蒸馏水释出“可燃空气”。然后，他们使水分解，为此，让水通过一个漏斗滴入一个倾斜的铁枪筒，后者在一火炉中加热到炽热。枪筒另一端装有一根管子，把气体产物导入一个位置适当的容器。当铁管广泛腐蚀，内径因而大大变细时，他们就代之以一根配有小铁件的粗铜管。铁被氧化，相当数量“可燃空气”被收集到。这个定量结果的精确度很低，但它以其定性方面提供了对卡文迪什合成结果的分析证实。

在结束对拉瓦锡化学研究的叙述之前，可以再提一下他最初研究工作中的一项，它给了一个古老错误以致命一击。自古以来许多人就相信，水能变土。早期对河流三角洲的生成以及水为陆地取代的解释，也是基于这个信仰。范·赫耳蒙特、玻义耳和其他人的实验有些似乎也支持它。它似乎是个日常观察的问题：甚至蒸馏水在蒸发以后也有土残留物。拉瓦锡用实验努力解决这个问题，于1770年向巴黎科学院报告了他的结果。他取一个蒸发皿，当时称为“鹈鹕蒸馏器”，在它空的时候加以称量，再在盛有反复蒸发的雨水时重新称量。蒸发皿加热一会儿，让空气溢出一些，然后严实地盖住。从1768年10月26日起，把它放在砂浴器中加热，直到1769年2月1日止。约在12月20日，水中初次出现固体微粒，其数目慢慢增加。冷却后，称量这蒸发皿（其时水已移入另一容器）。这蒸发皿重量损失约17格令（实际为17.38格令）。拉瓦锡得出结论：这损失的物质说明了水中固体微粒的出现。为了证实这一点，让水蒸发，称量土质残余物。它的重量约为20格令（实际为20.40格令）。他把这差别归因于实验条件，并解释说，也许因土物质在第二个器皿（水在从第一个器皿中移出时暂时放于其中）中进一步溶解所致。因此，蒸馏水蒸发时所以产生土残留物，不是由于水向土的物质转变，而是由于水对容器的溶解作用。

令人感兴趣的是，舍勒在他的《论空气与火的化学》（1777年）的序言中也得出了同样结论，尽管他只是依据定性的证据。他把蒸馏过的雪水放在一个长颈瓶中煮十二天。它变混浊了。当冷却后，水就同已沉淀的固体物质分离。这水具有碱的性质；土残余物的行为如同“和微量石灰混合”的硅石（Dobbin的译本，p.88f.）。并且，长颈瓶的内表面在水面以下都“暗淡无光”。因此，舍勒得出结论：水使玻璃有些分解，以产生一种土残留物。他写道：“我可以肯定：无论技术还是大自然都不可能独自使纯水转变成一种具有真土一切性质的干物质”（同上，p.88）。

约从1785年起，燃素说开始衰落。新的化学正在拉瓦锡领导下发展壮大，并在他的《初等化学概论》（1789年）中得到了第一次全面表述。但是，不幸拉瓦锡没有活到目睹这个新运动为越来越多人所接受，并最终取得胜利。他那经典的化学教科书已证明是他的墓碑和纪念碑。它的出版适逢法国大革命爆发；尽管国民议会任用他，但是随后的恐怖时期“不需要科学家”。他在君主制下任过的官职没有被忘记，也未得到宽恕。他因在掌权时期给烟草制品添加越过规定的水而受审。这是莫须有的罪名，但他被判处死刑，于1794年5月8日被处决。非宗教表明可能像宗教一样残忍和狂热，但是，在科学的扎实进步面前，它只能是螳臂挡车。

拉瓦锡的方法和观点产生了强大影响，促使化学科学可同物理学并驾齐驱。这在很大程度上归因于化学从拉瓦锡及其前驱布莱克得来的精密定量方法的推广。化学应用定量方法的一个结果是物质守恒原理表现得更清楚。因为这个公设说，物质既不创生也不消灭，而在化学变化的全部过程中，物质在数量上自始至终保持不变，所以，如果没有这条公设，定量化学就不可能。并且，这种定量精确度的习惯还鼓励了使所用概念达致精确的倾向。例如，玻义耳形成了关于化学元素的明确概念。即不能分解为更简单组分的同质物质。拉瓦锡接受了这一概念，但比玻义耳更有成果地应用了它，虽然玻义耳已成功地应用过它。拉瓦锡认出了，氧、氢、氮、碳、硫、磷和一些金属是元素。拉瓦锡还机智地拒绝把碱类、钾碱和钠碱等看做元素，虽然他未能分析它们。因为，他强烈地感觉到，它们倒像是金属灰或者氧同未知金属的化合物。后来，当应用电化学方法来研究这些物质时，证实了他的猜想。

（参见 M.Berthelot：LaRevolution Chimique-Lavoisier，Paris，1890；D.McKie，Antoine Lavoisier，1935；A.N.Meldrum：The Eighteenth Century Revolution in Science，Calcutta，1929；J.R.Partington：The Composition of Water，London，1928。）

在卡文迪什和拉瓦锡研究水组成问题的同时，加斯帕尔·蒙日（1764—1818）也在进行定量研究。他采用的一种方法与卡文迪什的相像。蒙日于1783年进行他的实验，有关介绍发表于1783年的巴黎科学院《备忘录》（1786年出版）。这个介绍不无意义，因为与卡文迪什不同，蒙日提供了他的装置的图（见图166）。蒙日的方法并不是承袭卡文迪什，而倒是借鉴伏打用电火花爆炸气体混合物的方法。他的方法可简述如下：体积被测量的氧和氢导入一个抽空的玻璃球中，在那里爆炸，把所产生的水收集起来加以称量。在372次爆炸中，蒙日用了 品脱“可燃空气”和 品脱“脱燃素空气”，结果他得到7品脱剩余空气和3盎司2打兰45.1格令水。考虑到残余空气的重量（2打兰27.91格令），以及根据密度测定计算出原先所取的“可燃空气”和“脱燃素空气”的重量，蒙日求出，所用的总空气为3盎司6打兰27.56格令，产物的总重量为3盎司5打兰1.01格令，他把这1打兰26.55格令的差异归因于各种规定的实验误差。他发现，所产生的水略带酸性，他把这归因于可能存在硫酸，因为，他曾通过以这种酸作用于铁而制备了“可燃空气”。

蒙日从他的结果引出结论：纯粹“可燃空气”和纯粹“脱燃素空气”的爆炸产生纯水、热和光。他的定量结果没有卡文迪什得到的那么精确。这是因为他的密度测定受到严重干扰，尤其是测量氢时，他没有把气体弄干燥。