从炼金术、燃素说和氧化说体会人类的科学思维.doc

第一单元 从炼金术、燃素说和氧化说-拉瓦锡的科学研究方法使化学成为科学自有人类以来就有燃烧现象，由于当时的古人知识经验的原因，对燃烧的认识却晚得多，至于有关燃烧的学说则更晚一些。我国古代的“五行说”的“金、木、水、火、土”中有火；古希腊“四元论”的“水、土、火、气”中有火；古印度“四大说”的“地、水、火、风”中也有火。这些学说的建立者都认为火是构成万物本源的一种元素。人们所以对火如此重视，因为很多物质燃烧时能产生火焰，有些物质燃烧后留下了少量的灰烬，其重量比原来的物质轻得多，似乎表明了在燃烧时损耗了一些东西；有些金属燃烧后所得到的物质却比原来的金属重些，这些现象应该怎样解释呢？古代中国主要应用“五行说”来解释。而且能解释一些基本的现象，但这是一种建立在错误的方法论上的解释，不能解决本职问题。有的人把火看成热和土两种原性的化身；有的炼金术士和经院哲学家把火看成从物体中出来的神秘东西。在16世纪末,随着冶金、化工生产的发展，人们较多地积累了使物质发生转变的新技术，火也发挥了更加巨大的作用，弄清火及燃烧现象的本质成了当时最迫切的问题。1663年,英国化学家波义耳坚决反对这两种说法。但他还是把火看成一种元素，他认为火应该是一种实实在在的，由具有重量的“火微粒”所构成的物质元素。它非常细小，以至肉眼不能看到。它能穿过玻璃，进入煅烧的金属并与金属结合而使金属增加重量。植物燃烧时它的极大部分变成火素散失到空间，只留下同原物质本来具有的微不足道的灰烬。他把铜、铁、铅、锡等金属置密闭的器中煅烧，其结果都是重量增加。他认为这些都是金属燃烧时与火微粒结合变成比金属更重的灰烬。由于波义耳只注意密闭器中金属重量增加的一面，而忽视了考察与金属密切接触的空气是否也发生了什么变化。为了说明这些现象，于是他提出了一个“火微粒”的概念。由于他在实验上观察的片面性，未能正确揭示燃烧现象的真实本质。其后研究燃料现象比较突出的德国化学家施塔尔（Sathl G.E.1660-1734）。他出生于德国的安斯巴赫，1684年获得耶拿大学医学学士学位，1694年任哈雷大学医学和化学教授，1716年任柏林普鲁士王的御医。他研究了燃烧中的各种现象和各家观点之后，于1703年系统地阐述了他提出的燃素学说。施塔尔认为，燃素充塞于天地之间，植物能从空气中吸收燃素，动物又从植物中取得燃素，所以动植物中都含有大量的燃素。一切与燃烧有关的化学变化，都是由于物体吸收燃素和释放燃素的过程。（用令天的知识其实是能量传递的一种形式）。如金属燃烧时，便有燃素逸出，金属就变成金属灰，可见金属比金属灰含有更多的复杂成分。如果金属灰与燃素重新结合，就会再变成金属。木炭、烟炱、油脂都是从植物中来的，植物又在空气中吸收了燃素，因此它们都是富有燃素的物质。如果把木炭与金属灰一起燃烧，金属灰就可以吸收木炭的燃素，使金属灰再变成金属。这样燃素学说不仅可以解释许多燃烧现象，同时可以解释冶金中的许多化学变化。不仅如此，当时还用燃素学说解释许多非燃烧的化学变化。如金属溶解于酸中，理解为酸夺取了金属中的燃素。铁置换溶液中的铜，理解为铁中的燃素转移到铜的缘故。燃素不仅是燃烧的要素，还是金属的性质，物体的颜色、气味等的根源。用“燃素说”解释燃烧现象时，认为一切与燃烧有关的化学变化都可以归结为物体吸收“燃素”与释放“燃素”的过程。例如，木材含有“燃素”，燃烧时“燃素”逸出，木材缩小而化为灰烬；当煅烧金属时，金属失去“燃素”而变成灰烬：金属燃素=灰烬如果要从矿石中提炼金属必需要放入“燃素”看不见的“燃素”从哪里来呢？要从富有“燃素”的易燃物来供给。所以要用木炭和矿石一起加热，这样，“燃素”由木炭输入矿石灰烬中，又生成金属：灰烬+燃素=金属“燃素说”的兴起，结束了“炼金术”的统治，使化学得到解放。“燃素说”在解释某些化学现象时，虽然有些牵强附会，它却能说明当时所知道的大多数化学现象。因而，“燃素说”风行一时，作为一个化学理论，支配了化学家思想近100年。然而，“燃素”毕竟是人为臆造出来的，它最终解决不了它自身存在的严重矛盾。第一，从没有人+见过或证明“燃素”的存在。第二，金属煅后，质量增加，那么“燃素”的质量必然是负值，而木材燃烧时，质量又减轻了，“燃素”的质量又是正值。“燃素说”无法自圆其说。1774年，法国化学家拉瓦锡提出燃烧的氧化学说，“燃素说”宣告彻底破产，才使人们对燃烧的本质有了正解的认识。拉瓦锡是从灼烧金刚石的实验中受到启发的。1772年2月的一个晚上，当选科学院院士不久的拉瓦锡和另一位科学院士马凯尔在一起讨论燃烧过程。他们在谈论中提到，最近有人发表文章说，在高温下灼烧的金刚石消失的无影无踪。这一奇怪的现象使他们两人发生了兴趣。物质燃烧后总是会形成灰渣的，而金刚石灼烧后，却一点灰也没有，这是什么原因呢？拉瓦锡首先想到是周围空气对燃烧产生的影响。第二天，拉瓦锡带来几块金刚石，马凯尔用石墨制成很稠的软膏。他们把小小的金刚石涂上厚厚的一层石墨膏，使它和空气隔开，然后加热灼烧。小黑球象炉里的炭一样很快就烧红了，而且开始发光。过了几个小时，这两位科学家使小球冷却，剥掉涂料，却惊奇地看到金刚石完整无缺。实验验证了拉瓦锡的推断：金刚石的消失与空气有关，也许它们在燃烧时与空气结合在一起了。此后，拉瓦锡着手对燃烧问题进行深入的研究。他的重大贡献是把天平全面引入化学研究。当时，俄国科学家罗蒙诺索夫和法国人贝岩都用实验证实金属煅烧后并非失去“燃素”，而是和空气化合的结果，但他们的研究不够全面，缺乏定量分析。但罗蒙诺索夫1748年在探讨化学反应中的质量守恒定律却作出的贡献。拉瓦锡吸取罗蒙诺索夫的长处，以天平为工具，将定量的研究方法运用到化学研究中去。在做磷在空气中燃烧的实验时，他成功地收集到磷燃烧时冒出的白烟。拉瓦锡用天平称出了它们的重量，烟重于原来的磷。“磷与空气化合了！”拉瓦锡惊呼了起来。为了搞清磷与多大量空气化合，他又设计了让磷在密封的器皿里燃烧的实验。他把装有磷的盘子放在水面上的软木架上，用燃红的金属丝点燃磷，迅速用玻璃罩把它罩上。白色烟雾充满罩内，磷很快就熄灭了，水在罩内上升，过了一会儿，水位停止上升。这是否因为磷的量少了，罩内的空气不能与磷全部化合呢？第二次，拉瓦锡用两倍的磷，结果水位上升到与第一次实验同样的高度，反复百行了10次实验，都获得同一结果。于是拉瓦锡证明：磷仅与五分之一的空气化合，他把这部分空气叫做“上等纯空气”。此后，他又研究了硫的燃烧。硫燃烧时也是只和五分之一的空气化合。1774年，他用锡和铅做了著名的金属煅烧实验。他把精确称量过锡和铅分别放入曲颈瓶中，封闭后，准确称量金属和瓶的总重量，然拮加热，使铅、锡变成灰烬。他发现加热前后总重量没有变化，但是金属煅烧后重量增加，这说明增加的重量并非来自火中，也不是来自外的任何物质，只能是金属结合了空气里的“上等纯空气”。同时他还把瓶子打开时，空气冲进去，瓶和金属煅灰的总重量增加了，所增加的总重量和金属煅烧后增加的重量恰好相等。他想方设法从金属煅灰中直接分解出这种“上等纯空气”，然而他首次实验并没有成功。正当拉瓦锡遇到困难时，恰好普利斯特里在这年8月，用聚集阳光，使汞煅灰（氧化汞）发生分解，得到一种很强助燃能力的气体。他把这一实验的方法和结果告诉了拉瓦锡，使拉瓦锡受到很大的启发。拉瓦锡重复了普利斯特里的实验，得到这种助燃、助呼吸的气体。并发现许多酸都是由空气的这种成份与非金属物质化合而成，为此，他把这种气体命名为“酸素”-Oxygen（希腊文），也就是我们今天所说的氧气。氧的发现，终于使燃烧的秘密大白于天下。物质在空气中燃烧原来是在加热或点燃的条件下，和空气中氧气发生了化合反应。金属煅烧生成了金属氧化物，所以质量增大，金刚石燃烧生成了氧化碳（应为二氧化碳）气体，所以“消失”了。1777年，拉瓦锡最终确立了燃烧 作用的氧化学说，其要点如下：1、燃烧时放出光和热；2、物体只有氧存在时才能燃烧;3、空气是由两种成分组成的。物质在空气中燃烧时，吸收了其中的氧，因而加重，所增加的重量，恰为它吸收氧气的重量。4、一般的可燃物质（非金属）燃烧后通常变为酸，氧是酸的本原，一切酸中都含有氧元素。而金属煅烧后变成了金属灰，他们是金属的氧化物。用现代化学观点来看，拉瓦易的燃烧学说存在着很大的片面性，其中也不乏有许多错误之处。然而，他毕竟用精确的实验事实，得到了许多著名的物理学家和化学家的承认，彻底推翻了“燃素”学说，引起了化学史上的一声场革命。令人愦憾的是，拉瓦锡本人完成了“化学革命”，却在1789年法国资产阶级政治大革命遭到了指控，被无情地判处死刑。1794年5月8日，拉瓦锡被送上断头台，使全世界失去了一位伟大的化学家。启示1：拉瓦锡既没有发现新物质，也没有提出新的实验项目，甚至没有创新或改进实验手段或方法，然而他却在重复前人的实验中，通过严格的合乎逻辑的步骤，阐明了所得结果的正确解释，作出了化学发展上的不朽功绩。成功的原因是多方面的，首先他强调了实验是认识的基础，他的治学座右铭是：“不靠猜想，而要根据事实。”他在研究中一直遵循“没有充分的实验根据，从不推导严格的定律”的原则。这种尊重科学事实的思想使他能把前人所作的一切实验看作只是建议性质的，而不是教条，从而批判地继承了前人的工作成果，敢于进行理论上的革命。启示2：系统严格的定量性是拉瓦锡实验方法的基本特点。他在实验分析中有一个信条：“必须用天平进行精确测定来确定真理。”根据这一信条，拉瓦锡的实验研究都明确地运用了定量方法。以量求质，通过数量的确定推翻了水上相互转化的古老观念，否定了燃素的存在，揭示了氧气的实质和燃烧的本质。启示3：任何伟大的发现都离不前人的知识经验，只有充分而正确地借鉴前人的知识经验，才能使自己的方法能更上一层。波义耳在这次科学历程中失去成功的机会在于他的前人没有现成的正确的知识经验可以借鉴给他，结果他只能取了错误的“火”元素说，从某种意义上说他的失败是必然的，能成功反而是不现实的，这是由于正确的方法也是以知识为基础的，没有充分的知识基础是不可能构成科学大厦的。启示4：从某种意义上说如果施塔尔生在近代，很可能就是爱因斯坦第二，爱因斯坦比施塔尔幸运是由于在爱因斯坦前面已经有牛顿和麦克斯韦的科学理论为他所用。而施塔尔却没有前人正确的理论可借鉴。施塔尔的科学思维方法不会比拉瓦锡差，