波義耳指明化學(xué)方向,貝歇爾研究燃燒現(xiàn)象。普里斯特利發(fā)現(xiàn)一種神奇的氣體,盡情地呼吸一下,頓時(shí)如醉如癡,這是什么東西?拉瓦錫抓住實(shí)質(zhì),氧學(xué)說(shuō)應(yīng)運(yùn)而生。一時(shí)眾說(shuō)紛紜,一團(tuán)糟中理頭緒。
卻說(shuō)在中世紀(jì)的歐洲,天主教會(huì)占據(jù)著封建統(tǒng)治的寶座,無(wú)論文學(xué)、藝術(shù)和哲學(xué)都處于神學(xué)婢女的可悲境地。人們只能以《圣經(jīng)》的教義和教會(huì)所許諾的幾種學(xué)說(shuō)解釋一切事物。自然科學(xué)被禁錮著,發(fā)展極為緩慢。
17世紀(jì)下半葉,資本主義生產(chǎn)形式在歐洲有了很大發(fā)展,繁重的手工勞動(dòng)逐步被各種機(jī)械裝置代替。這種變化引起了歐洲各國(guó)舊的封建農(nóng)奴制的生產(chǎn)關(guān)系的解體。
與此同時(shí)在意識(shí)形態(tài)領(lǐng)域也發(fā)生了巨大變化,占有統(tǒng)治地位的宗教經(jīng)院哲學(xué)宇宙觀(guān)崩潰了,帶有機(jī)械唯物主義特點(diǎn)的資產(chǎn)階級(jí)宇宙觀(guān)產(chǎn)生了。
力學(xué)、數(shù)學(xué)、天文學(xué)和物理學(xué)都取得了重大成就。伽利略(Galileo)創(chuàng)立了力學(xué),他的學(xué)生托里拆利發(fā)現(xiàn)了大氣壓力,帕斯卡(Pascal)繼承了托里拆利的研究工作,惠更斯創(chuàng)立了光的波動(dòng)學(xué)說(shuō),牛頓對(duì)力學(xué)和天文學(xué)做出了極重大的貢獻(xiàn)。所有這些的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明,宣告了第一次科學(xué)革命的來(lái)臨。
各學(xué)會(huì)及科學(xué)院的成立促進(jìn)了化學(xué)的迅速發(fā)展。如17世紀(jì)時(shí),英國(guó)牛津大學(xué)和劍橋大學(xué)開(kāi)始了教育改革,逐漸開(kāi)設(shè)了自然科學(xué)課程。1702年劍橋大學(xué)第一個(gè)設(shè)置了化學(xué)教授席。
17世紀(jì)時(shí)還出版了許多重要的哲學(xué)著作,對(duì)自然科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了影響。例如英國(guó)哲學(xué)家F·培根在著作中提出了實(shí)驗(yàn)科學(xué)勝過(guò)各種論證的科學(xué)。他宣稱(chēng),進(jìn)行有組織有計(jì)劃的實(shí)驗(yàn)研究是科學(xué)研究的基本方法。培根的哲學(xué)觀(guān)點(diǎn)首先在英國(guó),接著在歐洲其他各國(guó)被普遍接受了。
在17世紀(jì),古代的原子論學(xué)說(shuō)也開(kāi)始復(fù)活了。但這種原子論學(xué)說(shuō),像當(dāng)時(shí)的其他科一樣,帶有機(jī)械論的性質(zhì)。法國(guó)科學(xué)家伽桑狄用機(jī)械論哲學(xué)來(lái)解釋自然界的嘗試,引起了人們極大的興趣。
伽桑狄力圖用原子的形狀和大小來(lái)說(shuō)明物質(zhì)的各種性質(zhì),例如熱是微小的圓形原子引起的;冷是帶有鋒利棱角的椎形原子產(chǎn)生的,所以嚴(yán)寒能使人產(chǎn)生刺痛感;固體是靠彼此交錯(cuò)的鉤子連結(jié)起來(lái)的。伽桑狄同時(shí)承認(rèn)原子和真空的存在,他把形成化合物的一群原子叫做分子。他的微粒學(xué)說(shuō)在以后很多年中引起化學(xué)家們的重視,但沒(méi)有得到進(jìn)一步發(fā)展。
探討和確定自然界中各種物質(zhì)的基本組成和結(jié)構(gòu)是化學(xué)的根本任務(wù),如果占統(tǒng)治地位的仍然是醫(yī)藥化學(xué)派的傳統(tǒng)和陳舊觀(guān)念,那么化學(xué)就難以向前發(fā)展。
17世紀(jì)下半期科學(xué)中的新思想反映在英國(guó)人R·波義耳的科學(xué)工作和觀(guān)念中。
他是一位著名的物理學(xué)家兼化學(xué)家,出身貴族,是一個(gè)富翁,自幼受到良好的教育。雖然經(jīng)濟(jì)生活優(yōu)裕,但他并不追求享樂(lè),而是把錢(qián)財(cái)用于科學(xué)研究。1646年起波義耳在倫敦自己家里修建了實(shí)驗(yàn)室并進(jìn)行科學(xué)研究。
對(duì)于“化學(xué)是什么”這樣一個(gè)大問(wèn)題,他認(rèn)為化學(xué)實(shí)驗(yàn)不單是為了制造貴重金屬和醫(yī)藥,而應(yīng)有更廣泛的用途?;瘜W(xué)是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué),沒(méi)有實(shí)驗(yàn),任何新東西都不能被進(jìn)一步了解。
在化學(xué)研究中,他對(duì)物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探索。用加氯化鋇生成白色沉淀來(lái)鑒定硫酸,加硝酸銀生成沉淀來(lái)鑒定鹽酸,與氨作用生成藍(lán)色溶液來(lái)鑒定銅鹽以及其他等等,波義耳還使用了一些指示劑如石蕊液紫羅蘭花等。
波義耳在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中接觸到許多同物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)的現(xiàn)象。如液體蒸發(fā)和固體升華,它們可以彌散于整個(gè)空間;鹽塊溶解后可以通過(guò)濾布的微小空隙等。從而他相信物質(zhì)是由數(shù)目眾多的微粒所構(gòu)成。粒子結(jié)合成各種粒子團(tuán),粒子團(tuán)聚合而成各種物體。粒子團(tuán)的大小形狀以及運(yùn)動(dòng)決定物質(zhì)的各種物理和化學(xué)特性。粒子團(tuán)作為基本單位參加各種化學(xué)反應(yīng)。
波義耳的很多觀(guān)點(diǎn)得不到大多數(shù)化學(xué)家的贊同。當(dāng)時(shí)的偉大科學(xué)家中,只有英國(guó)的牛頓全盤(pán)接受波義耳的化學(xué)思想。牛頓對(duì)化學(xué)也很感興趣,研究了很多化學(xué)問(wèn)題。他發(fā)揮了波義耳的微粒學(xué)說(shuō),并以物質(zhì)微粒間相互吸引和發(fā)生碰撞的假說(shuō)來(lái)解釋觀(guān)察到的各類(lèi)化學(xué)反應(yīng)。
波義耳的觀(guān)念為新化學(xué)的發(fā)展指明了方向。到了波義耳時(shí)期,科學(xué)已指明物質(zhì)不是由“性質(zhì)”組成,而是由化學(xué)元素組成的。為此,恩格斯曾對(duì)波義耳作了高度評(píng)價(jià):“波義耳把化學(xué)確立為科學(xué)?!?br> 在評(píng)價(jià)波義耳的貢獻(xiàn)時(shí),順便提一下磷的發(fā)現(xiàn)。1669年德國(guó)一位煉金家因搞煉金而破產(chǎn),他異想天開(kāi)地把人尿來(lái)蒸餾,他把液體蒸干后的殘?jiān)靖?,發(fā)現(xiàn)一種發(fā)光的粉末,他認(rèn)為是火素。很長(zhǎng)一段時(shí)間他保守秘密,但他需要錢(qián),于是賣(mài)給一位醫(yī)生,這位醫(yī)生利用此發(fā)明來(lái)做生意,賺得了大量的錢(qián)。1690年波義耳也知道了制磷的秘密,他在好幾篇文章中描述磷的性質(zhì),只是在波義耳死后,大約1694年制造磷的秘密才被公布出來(lái)。
在古代,產(chǎn)生過(guò)許多火的學(xué)說(shuō)。中國(guó)的“五行說(shuō)”中,就提到了火;古希臘的“四元素說(shuō)”的“水、土、火、氣”中有“火”;古印度“四大說(shuō)”的“地、水、火、風(fēng)”中也有“火”等等。在古人看來(lái),火是一切事物中最容易變化,最積極、活躍的東西?!盎稹笔菢?gòu)成萬(wàn)物的本原物質(zhì)之一。
13世紀(jì)后,歐洲的工業(yè)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。在很多工場(chǎng)中都廣泛使用火,如冶煉、做肥皂、蒸酒精等。不同物質(zhì)產(chǎn)生溫度的高低,易燃性程度以及金屬煅煉后變?yōu)榛覡a會(huì)增加重量等等問(wèn)題,引起了人們的重視和思考,迫切需要徹底弄清火及燃燒現(xiàn)象的本質(zhì)。
大約在1660年,波義耳和摯友胡克進(jìn)行了真正的燃燒化學(xué)實(shí)驗(yàn):
把水炭或硫黃放在一個(gè)器皿中,用抽氣機(jī)將里面的空氣抽盡,然后將器皿強(qiáng)烈加熱,木炭、硫黃卻不能燃燒。把木炭、硫黃與硝石混合(即黑火藥),即使在抽盡空氣的條件下,仍會(huì)猛烈燃燒。于是得出結(jié)論:燃燒必須依賴(lài)空氣和硝石中所含的某種共同成分。
1673年,他對(duì)金屬煅燒增重的問(wèn)題又進(jìn)行了定量的實(shí)驗(yàn)研究。他把密閉容器里的金屬加熱,兩小時(shí)打開(kāi)密閉容器,物體的重量竟增加了。于是波義耳又作出結(jié)論:加熱時(shí)有一種特殊的,超微小的“火素”穿過(guò)容器的壁進(jìn)到了金屬里,因而增加了它的重量。提出了如下公式。
金屬+火微粒=金屬煅灰
很顯然,波義耳在實(shí)驗(yàn)中有一個(gè)極大的疏忽:只注意到了被加熱物質(zhì)本身的變化,而沒(méi)有去研究被加熱物的周?chē)h(huán)境有何變化。具體地說(shuō),不應(yīng)該把實(shí)驗(yàn)的瓶塞在加熱后打開(kāi)進(jìn)行稱(chēng)量比較。因此,直到波義耳死后多年,偉大的質(zhì)量守恒定律才由俄國(guó)學(xué)者羅蒙諾索夫創(chuàng)立起來(lái),這是后話(huà),暫且不提。
卻說(shuō)同波義耳一個(gè)時(shí)期的英國(guó)醫(yī)生梅猷,通過(guò)燃燒和呼吸試驗(yàn),對(duì)燃燒現(xiàn)象做了更進(jìn)一步的推斷:
將點(diǎn)燃的蠟燭,樟腦以及小活鼠置在水面木板上,然后用大玻璃罩扣在上面,發(fā)現(xiàn)罩中的空氣逐漸減少,但蠟燭熄滅后,里面還剩下大量空氣。由此他推算出,空氣中含有兩種微素,其中一種被蠟燭攝取而“消失”。
無(wú)論是波義耳和胡克的燃燒實(shí)驗(yàn),還是梅猷的蠟燭燃燒實(shí)驗(yàn),給予人們的普遍感覺(jué)是好象有某種東西從中逸出了。至于周?chē)l(fā)生了什么變化,他們沒(méi)有真正意識(shí)到。
到了1667年,德國(guó)醫(yī)生兼化學(xué)家貝歇爾出版了一本叫《土質(zhì)物理學(xué)》的書(shū),對(duì)燃燒現(xiàn)象做了一番系統(tǒng)論述。他認(rèn)為構(gòu)成一切礦物、植物和動(dòng)物的初始元素為土和水。其中土又可分為三類(lèi):“第一類(lèi)土”是可溶的和石質(zhì)的,“第二類(lèi)土”是油質(zhì)的,“第三類(lèi)土”是揮發(fā)性的。
在解釋燃燒現(xiàn)象時(shí),貝歇爾認(rèn)為燃燒是火分解燃燒物的過(guò)程。物質(zhì)的可燃性是由于其中含有“第二類(lèi)土”(油質(zhì)的)??扇嫉脑蛞部赡苁俏镔|(zhì)中含有硫。
到了貝歇爾的學(xué)生施塔爾,對(duì)貝歇爾的學(xué)說(shuō)倍加推崇。重版了貝歇爾的著述,并加入自己的一些觀(guān)點(diǎn)。他認(rèn)為可燃的要素是一種氣體物質(zhì),它存在于一切可燃的物質(zhì)中。他把此種要素稱(chēng)之為“燃素”?!叭妓亍痹谌紵倪^(guò)程中,從可燃物中飛散出來(lái),與空氣結(jié)合,從而發(fā)光發(fā)熱,這就是火。
有關(guān)金屬煅燒的變化過(guò)程,施塔爾按下面的方程式來(lái)解釋?zhuān)?br> 金屬+燃素=金屬煅灰
而按照后來(lái)的氧學(xué)說(shuō)這一方程則為:
金屬+氧=金屬氧化物(燃素論者的石灰)
因此,燃素可以看成是“負(fù)”氧。
從18世紀(jì)初到該世紀(jì)末的一百年多年間,化學(xué)史上稱(chēng)這段時(shí)期為燃素說(shuō)時(shí)期。燃素說(shuō)的創(chuàng)始人一般認(rèn)為就是貝歇爾和他的追隨者施塔爾。
盡管燃素說(shuō)有很多缺點(diǎn)和錯(cuò)誤概念,但它能用統(tǒng)一的觀(guān)點(diǎn)來(lái)研究和解釋完全不同的現(xiàn)象,因而在一定程度上促進(jìn)了化學(xué)的發(fā)展。到了18世紀(jì)70年代,氧氣被發(fā)現(xiàn)了,燃燒本質(zhì)終于真相大白,燃素說(shuō)退出化學(xué)舞臺(tái),由此化學(xué)沿著正確方向、步入近代發(fā)展時(shí)期。
18世紀(jì)中期特別是下半期,燃素說(shuō)遇到了嚴(yán)重危機(jī)。
這一時(shí)期在歐洲各國(guó)化學(xué)的發(fā)展是不平衡的。尤其在分析化學(xué)研究和氣體實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上所獲得的新的實(shí)驗(yàn)事實(shí),同燃素說(shuō)理論產(chǎn)生了尖銳的矛盾。
這一時(shí)期德國(guó)的大多數(shù)化學(xué)家持有燃素說(shuō)的觀(guān)點(diǎn);在英國(guó)和瑞典,一批著名化學(xué)家則研究化學(xué)分析和氣體問(wèn)題,感覺(jué)燃素說(shuō)不能自圓其說(shuō);在法國(guó),化學(xué)取得許多重大發(fā)現(xiàn)和研究成果,導(dǎo)致了化學(xué)革命;俄國(guó)也首次走上了化學(xué)歷史舞臺(tái),如代表人物羅蒙諾索夫,對(duì)化學(xué)發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)。
此外,18世紀(jì)英國(guó)發(fā)生了產(chǎn)業(yè)革命,資產(chǎn)階級(jí)意識(shí)形態(tài)對(duì)化學(xué)發(fā)展也起了巨大影響。所有這些意味著化學(xué)革命的即將到來(lái)……
且說(shuō)18世紀(jì)的俄國(guó),自然科學(xué)和數(shù)學(xué)都開(kāi)始了系統(tǒng)的研究工作,但最初沒(méi)有正規(guī)的科學(xué)機(jī)構(gòu),也無(wú)著名科學(xué)家?;瘜W(xué)也同樣如此,很多化學(xué)品要從國(guó)外進(jìn)口。
1725年在彼得堡成立了科學(xué)院,羅蒙諾索夫就在科學(xué)院工作。
羅蒙諾索夫出生于俄羅斯北方的一個(gè)農(nóng)民家庭,童年時(shí)靠自學(xué)學(xué)會(huì)了文法和算術(shù),之后離家去莫斯科,在一所希臘——拉丁學(xué)院學(xué)習(xí)。不久,他被派到德國(guó)學(xué)習(xí)物理學(xué)、化學(xué)和外語(yǔ)。畢業(yè)后回到俄國(guó)。1745年當(dāng)選為俄國(guó)科學(xué)院院士并擔(dān)任化學(xué)研究室負(fù)責(zé)人。1748年按照他的計(jì)劃建立了化學(xué)實(shí)驗(yàn)室。
羅蒙諾索夫非常喜愛(ài)的科學(xué)是化學(xué),特別是理論化學(xué),他把它命名為物理化學(xué)。他承認(rèn)物質(zhì)微粒的存在,認(rèn)為微粒的不停運(yùn)動(dòng)是發(fā)生物理現(xiàn)象和化學(xué)現(xiàn)象的原因,這里他根據(jù)的是物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)不滅定律。
羅蒙諾索夫的科學(xué)研究正處于燃素說(shuō)興旺時(shí)期,在研究工作中他不可能忽視當(dāng)時(shí)占主導(dǎo)地位的燃素說(shuō)。但是他不是把燃素看成無(wú)重量或具有負(fù)質(zhì)量的輕微氣體,而是物質(zhì)實(shí)體。在他的著述《論金屬光澤》一書(shū)中,他指出:“鐵在酸中的時(shí)候,從里冒出可燃?xì)怏w,它不是別的東西,而是燃素。是由溶液與金屬分子摩擦而分離出來(lái)的?!边@種論點(diǎn)后來(lái)同科學(xué)家卡文迪什關(guān)于燃素本質(zhì)的結(jié)論相同,曾在科學(xué)界轟動(dòng)一時(shí)。
除了理論上有新的見(jiàn)解和觀(guān)點(diǎn)外,羅蒙諾索夫還進(jìn)行了一些出色的實(shí)驗(yàn),其中重新認(rèn)識(shí)波義耳燃燒化學(xué)實(shí)驗(yàn)最為有名。
羅蒙諾索夫改變了波義耳的稱(chēng)量方式,他在實(shí)驗(yàn)前和實(shí)驗(yàn)后都不打開(kāi)瓶塞,而把瓶子和金屬一起稱(chēng)量。結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)沒(méi)有外界空氣進(jìn)入瓶中時(shí),金屬的重量保持不變。由此,羅蒙諾索夫得出結(jié)論:當(dāng)金屬熾熱時(shí),和金屬結(jié)合的并不是什么臆想的神秘微素,而是存在于瓶里空氣的一部分:金屬上所增加的重量應(yīng)該等于空氣中所減少的重量。這就是質(zhì)量守恒定律。
羅蒙諾索夫是燃素說(shuō)時(shí)期第一位最重要的科學(xué)家。他的化學(xué)研究工作已經(jīng)使燃素說(shuō)呈現(xiàn)了危機(jī)。可惜當(dāng)時(shí)俄國(guó)遠(yuǎn)離世界科學(xué),未能起到他應(yīng)有的作用。
再說(shuō)17世紀(jì)中葉,人們對(duì)于“氣體”、“空氣”兩者的認(rèn)識(shí)很模糊,很籠統(tǒng)。多數(shù)人認(rèn)為空氣是獨(dú)一無(wú)二的氣體元素,其他氣體僅是空氣的不同形式,并且氣體不參與化學(xué)反應(yīng)。
到了18世紀(jì),隨著一些化學(xué)家和醫(yī)生們對(duì)燃燒現(xiàn)象的深入研究,氣體的多樣性和空氣的復(fù)雜性逐漸被人們認(rèn)識(shí)到了。尤其氫氣、氮?dú)?、氯氣和氧氣等的發(fā)現(xiàn),以及水、碳酸氣等化學(xué)組成的確定,形成了燃素說(shuō)時(shí)期的氣體化學(xué)。
值得一提的是,化學(xué)家們之所以能發(fā)現(xiàn)和研究各種氣體,很大程度歸功于一位英國(guó)牧師,叫黑爾斯。他發(fā)明了一種制取和收集氣體的裝置,叫氣槽。他利用他的氣槽(產(chǎn)氣部分與接受部分是分開(kāi)的)收集干餾木材所放出的氣體。由于當(dāng)時(shí)他墨守傳統(tǒng)說(shuō)法,認(rèn)為收集的氣體不過(guò)是空氣,因此沒(méi)有著意對(duì)它們進(jìn)行化學(xué)鑒定。
第一位氣體化學(xué)家是英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)的化學(xué)家布拉克(Jose ph Black)。
布拉克最初是一位醫(yī)生,他的研究當(dāng)時(shí)都是同醫(yī)學(xué)研究有關(guān)的,他先是格拉斯哥的大學(xué)教授,后轉(zhuǎn)到愛(ài)丁堡大學(xué)任教。他講課時(shí)喜歡用實(shí)驗(yàn)來(lái)佐證,為人和藹,所以聽(tīng)他講課的人特別多。
1755年,布拉克在愛(ài)丁堡哲學(xué)學(xué)會(huì)的年會(huì)上,宣讀了一篇題為《關(guān)于鎂石·石灰石及一些堿性物質(zhì)》的實(shí)驗(yàn)論文。在論文中,他提出了用定量方法研究氣體。
他把石灰石加熱變成生石灰,再用酸與它們作用。石灰石遇酸產(chǎn)生氣泡,而生石灰遇酸則沒(méi)有這種現(xiàn)象(石灰石為CaCO3,生石灰為CaO)。他把這個(gè)差異用天平稱(chēng)重的方法檢查一下,于是測(cè)出生石灰的重量比石灰石減少約一半。他判斷是由于某種氣體從中逸出。這種氣體,他稱(chēng)為“固定空氣”。
接著他用“固定空氣”同石灰水作用生成白色沉淀,即構(gòu)成最初的碳酸鹽。增加的部分和損失的部分相等。這就表明氣體是實(shí)物,一種氣體能做一種固體的組成部分,毫無(wú)神秘之處。
“固定空氣”就是碳酸氣。布拉克發(fā)現(xiàn)碳酸氣的方法可稱(chēng)為定量方法的典范。
布拉克關(guān)于碳酸氣的研究,其另一重要貢獻(xiàn)是初步揭示堿的苛性的本質(zhì)。過(guò)去對(duì)堿的苛性的解釋?zhuān)J(rèn)為它具有亞里斯多德的所謂“火素”。布拉克把石灰石加熱變成了苛性石灰,不但沒(méi)有火素進(jìn)入,而是有“固定空氣”放了出來(lái),他用石灰水加入溫和性堿,草木灰汁(K2CO3),就成了強(qiáng)堿(苛性鉀),明確了這是碳酸氣在起作用,而同火素?zé)o關(guān)。由此他斷然否定了燃素說(shuō)。
由于碳酸氣溶解于水,因此布拉克始終未能收集到純凈的空氣。到了他的同胞卡文迪什,則對(duì)碳酸氣研究得更深入了。他用集氣法成功地收集到純凈的碳酸氣。并證明與木炭燃燒后產(chǎn)生的氣體相同。到了1774年,化學(xué)革命的杰出人物拉瓦錫,才最終證明“固定空氣”是碳的氧化物,即CO2。
卻說(shuō)布拉克的同胞英國(guó)科學(xué)家卡文迪什。
卡文迪什是一位自學(xué)成名的科學(xué)家,憑借自己頑強(qiáng)的毅力,他掌握了豐富的科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí),而且獲得了重要的科學(xué)成果。他的一生有五項(xiàng)不朽的工作:氫氣的發(fā)現(xiàn)和性質(zhì);碳酸氣與水的關(guān)系;水的化學(xué)組成;硝酸的組成;惰性氣體的存在。
卡文迪什關(guān)于氣體的實(shí)驗(yàn)是:他把氣體收集到裝滿(mǎn)水的瓶中(瓶倒置在沒(méi)有架子的集氣槽里),使氣體通過(guò)水下面的漏斗向上流,從而把一瓶中的氣體轉(zhuǎn)移到另一瓶中。
卡文迪什還發(fā)現(xiàn),如果空氣中含有占總體積1/9的“固定空氣”,就會(huì)使蠟燭熄滅;酒精吸收“固定空氣”的體積是其本身體積的2倍,等等。
在關(guān)于可燃空氣中,卡文迪什提出用稀硫酸或鹽酸與鋅、鐵等金屬作用來(lái)制取氫。他發(fā)現(xiàn)“不管用什么酸來(lái)溶解同樣重量的某種金屬,均得到同量的同樣氣體”。
卡文迪什還進(jìn)行了其他多種實(shí)驗(yàn),后文還將涉及一些,這里從略。
前文已對(duì)碳酸氣的發(fā)現(xiàn)作了詳述,下面談?wù)剼錃狻⒌獨(dú)?、氧的發(fā)現(xiàn):
對(duì)氫氣的發(fā)現(xiàn),大多數(shù)人認(rèn)為卡文迪什的貢獻(xiàn)最大,但其他人的功勞也不可否認(rèn)。17世紀(jì)時(shí),海耳蒙特和波義耳等也曾偶然接觸過(guò)它,除了知道它可燃燒外,別的所知甚少,也沒(méi)有將此種氣體離析、收集起來(lái)。1766年,法國(guó)藥劑師勒梅里在一篇著述中講的就是氫氣,他用鐵、鋅等金屬同鹽酸作用制得氫氣,并用排水集氣法收集起來(lái);還發(fā)現(xiàn)氫氣同空氣混合后點(diǎn)燃會(huì)發(fā)生爆炸。及至1781年,科學(xué)家普利斯特里將氫氣和空氣放于封閉的玻璃瓶中,用電火花引爆,發(fā)現(xiàn)瓶?jī)?nèi)有小水珠,表明氫是水的一種成分。1782年,拉瓦錫又做了一些實(shí)驗(yàn),提出水不是元素而是氫和氧的化合物,糾正了長(zhǎng)期以來(lái)水是元素的錯(cuò)誤概念。1787年拉瓦錫正式命名氫(Hydrogen),并確認(rèn)氫是一種元素。
氮?dú)獾陌l(fā)現(xiàn)也是很多科學(xué)家努力的結(jié)果。1755年,布拉克在實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)除“固定空氣”外,還有其他剩余下來(lái)的氣體。于是叫他的學(xué)生盧瑟福去研究。盧瑟福以動(dòng)物作實(shí)驗(yàn),把老鼠放在密閉容器里,直到老鼠悶死后,發(fā)現(xiàn)容器內(nèi)空氣體積減少1/10。他又用燃燒白磷來(lái)除去剩余的那部分氣體,效果甚佳。他對(duì)剩余氣體得出結(jié)論:不能維持生命,可熄滅火。與此同時(shí),英國(guó)的普利斯特里也發(fā)現(xiàn)了氮?dú)?,但他錯(cuò)誤地認(rèn)為是普通空氣。1772年,瑞典化學(xué)家舍勒也從事火和空氣的研究。他做了如下試驗(yàn):
蠟燭在一定體積的潔凈空氣中可維持80秒之久,如在空氣與“劣質(zhì)空氣(氮?dú)猓钡牡缺然旌蠚怏w中大約可燃燒26秒左右。因此,可以說(shuō)舍勒是氮元素的真正發(fā)現(xiàn)者。
氧的發(fā)現(xiàn)是一個(gè)愉快的發(fā)現(xiàn)。最初用純凈氧氣對(duì)其化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行初步研究的是舍勒。遺憾的是舍勒相信燃素說(shuō),總把自己的發(fā)現(xiàn)和試驗(yàn)現(xiàn)象同燃素說(shuō)聯(lián)系起來(lái),不敢提出創(chuàng)見(jiàn),因此沒(méi)有突破。最早發(fā)現(xiàn)氧的人當(dāng)中,值得稱(chēng)道的是普利斯特里。普利斯特里做了很多有關(guān)空氣放電的實(shí)驗(yàn),年復(fù)一年地研究空氣的組成問(wèn)題。1774年8月1日,他把氧化汞放在玻璃容器中,用不帶燃素的聚光鏡加熱,發(fā)現(xiàn)很快放出一種氣體來(lái)。起初,他以為就是普通空氣,可是當(dāng)他把這種氣體收集起來(lái)后,卻驚奇地發(fā)現(xiàn)“燃燒的蠟燭在這種氣體里光焰耀眼,火焰非常之大”。后來(lái),他親自吸了一口氣體,頓時(shí)感到特別愉快,特別舒暢??上詻](méi)有沖破“燃素說(shuō)”的束縛。最終認(rèn)識(shí)氧的是拉瓦錫。大約在1777年,拉瓦錫把它正式命名為“Oxygen”即氧。
且說(shuō)除了碳酸氣、氧氣、氮?dú)?、氫氣四種被深入研究的氣體外,對(duì)其他氣體的了解也比以往廣泛了。
氣體化學(xué)的其他成就可以說(shuō)絕大部分是普利斯特里取得,因?yàn)樗l(fā)明排汞集氣法。普利斯特里研究了硝石氣(氧化氮),他把一氧化氮加到空氣里,再用堿液吸收生成的二氧化氮,結(jié)果用來(lái)實(shí)驗(yàn)的空氣體積減少1/5。此后不久,他用硝石氣作用于濕鐵末,得到了氧化二氮(NO2)。
普利斯特里還有其他幾項(xiàng)發(fā)現(xiàn):他用硫酸作用于食鹽,制得了氯化氫氣體;把氯化氨與石灰混合加熱,制得了氨氣。稍后,他制得了二氧化硫。
同普利斯特里同時(shí)代的化學(xué)家舍勒對(duì)氣體的研究也卓有成效。有必要先介紹一下他的生平。
舍勒是瑞典人,他長(zhǎng)期在藥房工作,完全靠自學(xué)不斷完善自己在化學(xué)和藥學(xué)方面的知識(shí)。他的科學(xué)工作是在很困難的條件下進(jìn)行的:他在私人藥房工作,做科學(xué)研究只能在工作完成后悄悄進(jìn)行。在他臨死前,他自己才擁有一家藥房。舍勒的科學(xué)成果是豐碩的。
舍勒對(duì)氯的研究可以說(shuō)引人注目。1771—1774年他在研究一種軟錳礦時(shí),發(fā)現(xiàn)它不溶于硫酸和硝酸,但易溶于鹽酸中,同時(shí)冒出一股令人“肺部極為難受”的黃綠色氣體。經(jīng)過(guò)研究,了解到此種氣體微溶于水,使水呈酸性,并且有漂白作用。能使藍(lán)色石蕊試紙幾乎變白。另外它還能腐蝕金屬,殺死昆蟲(chóng)等。舍勒認(rèn)為是一種“失燃素鹽酸”,因而沒(méi)有最終確定它是一種元素物質(zhì)。
舍勒在分析化學(xué)和藥物化學(xué)上也同樣著名。如酒石酸、檸檬酸、蘋(píng)果酸的制得,二氧化錳的研究等等,以后涉及到再敘述。
除了普利斯特里和舍勒外,德國(guó)礦物化學(xué)家馬格拉夫用硫酸與螢石相互作用得到“氟酸空氣”。蘇格蘭解剖學(xué)家克留向克在普利斯特里的研究基礎(chǔ)上,真正認(rèn)識(shí)到CO可以燃燒,且呈現(xiàn)藍(lán)色火苗。
且說(shuō)近代化學(xué)之所以突飛猛進(jìn),日新月異,很大程度上依賴(lài)18世紀(jì)分析化學(xué)的發(fā)展和取得的成就。
分析化學(xué)是研究物質(zhì)的化學(xué)組成和分析方法的一門(mén)科學(xué)。它的發(fā)展揭示了一系列新的單質(zhì)和化合物,極大豐富了人們對(duì)化學(xué)變化的認(rèn)識(shí),尤其是定量的了解,為一些化學(xué)定律的建立打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
早在醫(yī)藥化學(xué)時(shí)期,對(duì)溶液的定性分析已有一定的進(jìn)展。到了波義耳時(shí)期,波義耳根據(jù)自己長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn),注意到火不能單一地鑒別一切物質(zhì)。因此,他開(kāi)始用特定的化學(xué)試劑,通過(guò)特定的化學(xué)反應(yīng)來(lái)鑒定物質(zhì)。如用硝酸銀與鹽酸生成白色沉淀來(lái)鑒定鹽酸,用酸堿指示劑來(lái)判定物質(zhì)的酸堿性等。
這一時(shí)期,溶液中的化學(xué)反應(yīng)已開(kāi)始被廣泛研究,其中很多便為分析化學(xué)所利用。德國(guó)科學(xué)家霍夫曼提出以硫酸檢驗(yàn)鈣質(zhì),以氯化銨檢驗(yàn)堿質(zhì),以硝酸銀檢驗(yàn)水中的巖鹽及礦泉中的硫;格勞貝爾發(fā)現(xiàn)氯化銀溶于氨水;孔克爾研究石灰與氯化銨作用放出氨的反應(yīng)。這一時(shí)期,分析檢驗(yàn)的方法有了新的突破,從過(guò)去利用物質(zhì)的物理性狀為主,發(fā)展到廣泛利用化學(xué)反應(yīng)為主。分析檢驗(yàn)方法的多樣性、可靠性和靈敏性都大大提高了。
整個(gè)18世紀(jì),由于工業(yè)的巨大發(fā)展,推動(dòng)了地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)的發(fā)展,而這些學(xué)科又以分析化學(xué)為前提。所以分析檢驗(yàn)的要求越來(lái)越高,分析檢驗(yàn)也從定性檢驗(yàn)逐漸發(fā)展到較高級(jí)的定量檢驗(yàn),以前起過(guò)重要作用的干法吹管法,逐步到走向系統(tǒng)化的濕法定性分析。
有關(guān)溶液中的化學(xué)反應(yīng),前一時(shí)期對(duì)常見(jiàn)的三種礦物酸與一些金屬溶液間的反應(yīng),了解的比較清楚了。而對(duì)堿類(lèi)與金屬溶液間的反應(yīng)則所知甚少,因此需要通過(guò)分析化學(xué),來(lái)進(jìn)行認(rèn)真的研究。
德國(guó)人馬格拉夫,是18世紀(jì)著名的定性分析化學(xué)家。他繼承前人的工作,系統(tǒng)地研究了金屬溶液同堿液及氨水反應(yīng)時(shí)所顯示的品性。
馬格拉夫最重要的成就是分辨K2CO3(來(lái)自草木灰)與天然堿(即蘇打,Na2CO3),通過(guò)他的認(rèn)真研究,焰色檢驗(yàn)就成為鑒別這兩類(lèi)鹽的手段了。
卻說(shuō)黃血鹽的發(fā)明,可謂為分析化學(xué)提供了一個(gè)非常重要的試劑。最初是一個(gè)叫狄斯巴赫的德國(guó)涂料工,偶然中他用草灰和牛血一起焙燒,然后經(jīng)浸取、結(jié)晶的手續(xù)后,得到一種黃色晶體,并發(fā)現(xiàn)它同鐵溶液生成鮮艷的藍(lán)色沉淀,是一種良好的涂料。但他的老板,一個(gè)涂料商卻對(duì)此法嚴(yán)格保密,并把它以“普魯士藍(lán)”的名字出售,直到1725年制法才被公開(kāi)。馬格拉夫大約在1745年才自己合成了此種試劑。他用此試劑檢測(cè)出石灰石、礦泉水里的鐵質(zhì)。
在燃素說(shuō)時(shí)期,一些新的元素和化合物被發(fā)現(xiàn),新試劑和新的分析方法也大大豐富起來(lái)。如瑞典科學(xué)家波蘭特介紹有關(guān)鈷的反應(yīng),并系統(tǒng)總結(jié)金屬溶液對(duì)氨水的反應(yīng)。
18世紀(jì),分析化學(xué)蓬蓬勃勃地發(fā)展,這就需要化學(xué)家把它系統(tǒng)化。瑞典著名的分析化學(xué)家貝格曼經(jīng)過(guò)努力,解決了這一問(wèn)題。貝格曼一生陸續(xù)編著過(guò)很多書(shū),全是系統(tǒng)總結(jié)當(dāng)時(shí)分析化學(xué)發(fā)展所取得的成就的,成為研究分析化學(xué)發(fā)展史的重要資料。
從貝格曼的著作中可見(jiàn)到不同物質(zhì)的不同鑒定方法。例如以硫酸鑒定鋇(即硫酸中的硫酸根離子同鋇離子反應(yīng),生成白色硫酸鋇沉淀),以肥皂水檢驗(yàn)酸類(lèi)及堿土等辦法。貝格曼還規(guī)定了濕性分析的更詳細(xì)的步驟。正確使用酸堿試劑的方法也應(yīng)歸功于他。因此直到今天在分析化學(xué)中仍保留他所倡導(dǎo)的一些反應(yīng)。
盡管貝格曼為分析化學(xué)的發(fā)展提供了一些好的見(jiàn)解和觀(guān)點(diǎn),但他的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度卻比較差。他的同時(shí)代人瑞典醫(yī)生文策爾所測(cè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),其準(zhǔn)確度大大超過(guò)貝格曼,現(xiàn)摘錄如下,以做為那段時(shí)期定量分析的典范。
組成()
%
化合物
文策爾數(shù)據(jù)貝格曼數(shù)據(jù)理論值
鹽基19.5 15 19.2
硫酸鈉晶體酸24.3 27 25.0
水55.2 58 55.8
鹽基16.9 19 16.3
硫酸鎂晶體酸30.6 33 32.6
水52.5 48 51.1
鹽基54.8 52 54.05
硫酸鉀晶體酸45.2 40 45.95
水—8—
且說(shuō)在18世紀(jì)中期,盡管燃素說(shuō)統(tǒng)治著整個(gè)化學(xué)領(lǐng)域,但已有不少化學(xué)家開(kāi)始對(duì)其懷疑。當(dāng)時(shí)是資產(chǎn)階級(jí)革命時(shí)期,法國(guó)科學(xué)繁榮昌盛。因此,歐洲其他的許多科學(xué)家都贊同法國(guó)科學(xué)家所提出的許多發(fā)現(xiàn)和新的科學(xué)原理。
法國(guó)資產(chǎn)階級(jí)革命時(shí)期在化學(xué)發(fā)展方面,拉瓦錫起了重要的作用。
拉瓦錫生于1743年8月26日,他受過(guò)法律教育,但卻對(duì)自然科學(xué),尤其化學(xué)特別感興趣。拉瓦錫21歲時(shí),寫(xiě)出一篇關(guān)于城市燃燈最好方法的論文,受到法國(guó)科學(xué)院的贊許,給他頒布了金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)隆?5歲時(shí),拉瓦錫被選為科學(xué)院化學(xué)助理。
拉瓦錫擅長(zhǎng)思考,博學(xué)多才,從不輕信別人的“理論”。他一生中發(fā)表過(guò)200多篇論文,這些論文很少寫(xiě)他自己直接發(fā)現(xiàn)什么科學(xué),而是把別人的發(fā)現(xiàn)加以歸納,摸索其中的規(guī)律,提出一些新的理論。
拉瓦錫做了這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn):在一個(gè)玻璃瓶中倒進(jìn)水,再裝上一套循環(huán)裝置,使水在加熱時(shí)變成水蒸氣經(jīng)過(guò)冷凝管,重新回到瓶子里。事先,拉瓦錫稱(chēng)了一下玻璃瓶和水的重量,加熱101天之后,水中出現(xiàn)不少沉淀,拉瓦錫重新稱(chēng)了玻璃瓶和水的重量,結(jié)果發(fā)現(xiàn)總重量不變。
拉瓦錫把自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果寫(xiě)成論文《論水的本質(zhì)》。他指出,那些沉淀,幾乎等于玻璃瓶本身減輕了的重量?!巴痢保ó?dāng)時(shí)分析成分跟玻璃相似)是玻璃溶解于水又沉淀出來(lái)形成的,并不是什么火跑進(jìn)水中變土。
1772年,拉瓦錫又進(jìn)行了金剛石加熱試驗(yàn)。把金剛石密封在粘土燒制的管子里,在與空氣隔絕下加熱,結(jié)果沒(méi)有發(fā)生變化:于是又把它放在密閉的罩子里,以大透鏡聚焦加熱,結(jié)果罩內(nèi)空氣減少12%,金剛石的重量發(fā)生了損耗,用澄清的石灰水檢驗(yàn)密封用水時(shí),出現(xiàn)了白色沉淀,說(shuō)明金剛石燃燒同木炭一樣,產(chǎn)生了相同的“固定空氣”。從而得出金剛石與木炭是同素異形體。
1774年,拉瓦錫做了著名的錫鉛煅燒實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)裝在曲頸瓶中的錫和鉛加熱前后,其總重量沒(méi)有變化。最后他打開(kāi)瓶口,發(fā)現(xiàn)有一股空氣沖進(jìn)了瓶中,于是重量有所增加,而增加的重量恰與金屬由于部分變?yōu)殪鸦宜黾拥闹亓肯嗟?。因此得出煅灰是金屬與空氣的化合物。
同年,拉瓦錫在巴黎會(huì)見(jiàn)了普利斯特里,當(dāng)他得知普利斯特里發(fā)現(xiàn)了一種令人心曠神怡的氣體后,便立即重復(fù)了普利斯特里的實(shí)驗(yàn),并得到了同樣的結(jié)果。這種氣體就是氧氣。
1777年,拉瓦錫用實(shí)驗(yàn)闡明他對(duì)大氣組成的見(jiàn)解。他認(rèn)為大氣中,不是全部空氣都可以呼吸的;金屬焙燒的那部分空氣,最適宜呼吸;剩下的部分是一種“碳?xì)狻保荒芫S持動(dòng)物的呼吸,也不能助燃。
從1777年開(kāi)始,拉瓦錫公開(kāi)明確地起來(lái)反對(duì)燃素說(shuō)。他在一份報(bào)告中寫(xiě)到:“化學(xué)家從燃素說(shuō)只能得出模糊的要素,它十分不確定,因此不能用作任何解釋。有時(shí)這一要素是有重量的,有時(shí)它又沒(méi)有重量;有時(shí)它是自由之火,有時(shí)又是與土素相化合之火;有時(shí)它透過(guò)容器的微孔,有時(shí)它又不能透過(guò)。它能夠用來(lái)同時(shí)解釋堿性和不存在堿性、透明性和不透明性、顏色和不存在顏色。它是真正的變色蟲(chóng),每時(shí)每刻都在改變它的面貌”。
1777年9月5日,拉瓦錫提出了劃時(shí)代的具有深遠(yuǎn)意義的論文《燃燒概要》,建立了燃燒的氧化學(xué)說(shuō),主要內(nèi)容如下:
1.任何燃燒都放出“熱質(zhì)”或光。
2.物體只能在純凈空氣中燃燒。
3.任何燃燒都是純凈空氣的分解,而燃燒所增加的重量恰好等于所吸收空氣的重量。
4.燃燒時(shí)燃燒物變成為酸……如果在鐘罩中燃燒硫,則燃燒的生成物為硫酸?!?br> 值得研究的是第4條原理。因?yàn)槔咤a據(jù)此創(chuàng)立了成酸元素與燃燒物化合生成酸的理論,且把成酸元素命名為“Oxygen”(即氧)。但他的酸理論與許多已知事實(shí)不相符合,如鹽酸就是不含有氧,這時(shí)拉瓦錫就憑著臆想來(lái)解釋?zhuān)J(rèn)為鹽酸含有特殊的物質(zhì)鹽酸素,以氧化物形態(tài)存在于鹽酸中。
拉瓦錫氧學(xué)說(shuō)的建立,使燃燒的秘密終于露出真實(shí)面目,從此燃素說(shuō)一蹶不振,直到最終銷(xiāo)聲匿跡。可謂化學(xué)史上一次革命。
再說(shuō)拉瓦錫在駁斥燃素說(shuō)和建立氧學(xué)說(shuō)的過(guò)程中,受到一些因循守舊勢(shì)力的批評(píng),因此他必須做新的實(shí)驗(yàn),進(jìn)行新的總結(jié),進(jìn)一步證明反對(duì)他的意見(jiàn)是錯(cuò)誤的。
1785年左右,拉瓦錫著手編寫(xiě)《化學(xué)概要》一書(shū)。用氧學(xué)說(shuō)的觀(guān)點(diǎn)系統(tǒng)地論述、闡明他所發(fā)現(xiàn)的事實(shí),并解釋已知的現(xiàn)象。其目的是為未來(lái)的化學(xué)家打下新的理論基礎(chǔ)。
在寫(xiě)這本書(shū)的過(guò)程中,他面臨著一些原則問(wèn)題。首先是如何介紹元素的概念,為此,他否定了長(zhǎng)期流傳下來(lái)的四元素說(shuō)和三元素說(shuō)。跟以前化學(xué)家不同,拉瓦錫沒(méi)有先提出元素的抽象定義,然后再按定義來(lái)取得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。他談?wù)摵?jiǎn)單物質(zhì)時(shí)說(shuō):“化學(xué)正在走向自己的目標(biāo),正在不斷完善起來(lái),不斷地把物質(zhì)分解,細(xì)分再細(xì)分;但是我們不知道什么是成功的極限。我們不能斷言,今天被認(rèn)為是簡(jiǎn)單的物質(zhì),它就是真正的簡(jiǎn)單物質(zhì)。我們只能夠說(shuō):“某種物質(zhì)是化學(xué)分析法不能再分的極限,我們現(xiàn)代化學(xué)知識(shí)已不能進(jìn)一步把它再分了?!?br> 拉瓦錫在進(jìn)一步論證元素時(shí)又說(shuō):如果元素表示構(gòu)成物體的簡(jiǎn)單或不可分的分子,那末我們可能不知道什么是元素。相反地,我們把元素與化學(xué)分析最后達(dá)到極限的概念聯(lián)系起來(lái),那么我們現(xiàn)在用任何方法都不可以分解一切物質(zhì),對(duì)我們來(lái)說(shuō),就都算是元素了。
根據(jù)拉瓦錫這一理論,第一張?jiān)乇碚Q生了。元素分為四大類(lèi):
1.簡(jiǎn)單物質(zhì),普遍存在于動(dòng)物、植物、礦物界,可以看成是物質(zhì)元素:光、熱、氧、氮、氫。
2.簡(jiǎn)單的非金屬物質(zhì),氧化物為酸:硫、磷、碳、鹽酸素、氟酸素、硼酸素。
3.簡(jiǎn)單金屬物質(zhì),被氧化生成可以中和酸的鹽基:銻、銀、砷、鉍、鉆、銅、錫、鐵、錳、汞、鉬、鎳、金、鉑、鉛、鎢、鋅。
4.簡(jiǎn)單物質(zhì),成鹽的土質(zhì):石灰、鎂土、鋇土、鋁土、硅土。
從這張表中可以看出,拉瓦錫列出了23種簡(jiǎn)單物質(zhì),三種酸素,5種土素和2種不可稱(chēng)重的流體。表中有明顯的不合理處,例如把金屬歸入成酸一類(lèi),把土素當(dāng)成簡(jiǎn)單物質(zhì)。這些都是由于當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)條件和認(rèn)識(shí)上的局限性,對(duì)元素的認(rèn)識(shí)仍很模糊,但此表是科學(xué)史上首次把簡(jiǎn)單物質(zhì)(元素)進(jìn)行分類(lèi)的嘗試,其深遠(yuǎn)意義,必須肯定。
且說(shuō)拉瓦錫在寫(xiě)《化學(xué)概要》時(shí),所碰到的另一個(gè)問(wèn)題是制定化學(xué)命名法。因?yàn)楫?dāng)時(shí)化學(xué)物質(zhì)的命名法,一直沿用煉金術(shù)時(shí)期與物質(zhì)的實(shí)際組成毫不相干的煉金符號(hào),可謂東鱗西爪,混亂不堪。人們只能機(jī)械地死記硬背才能掌握物質(zhì)的名稱(chēng),但這些物質(zhì)的種類(lèi)卻正在不斷增多,并且不同的人有不同的叫法。
于是拉瓦錫就同當(dāng)時(shí)法國(guó)著名化學(xué)家德莫沃、貝托雷、孚克勞合作,組成巴黎科學(xué)院命名委員會(huì)。1787年委員會(huì)所制定的命名法發(fā)表了。
命名法以普通物質(zhì)的命名為基礎(chǔ),名稱(chēng)表和分類(lèi)表是由拉瓦錫自己編寫(xiě)的。命名法規(guī)定:每種物質(zhì)必須有一個(gè)固定的名稱(chēng),如氧(英文為Oxygen)、氫(Hydrogen)、氮(Azot);元素的名稱(chēng)必須盡可能反映其特征或特性;化合物的名稱(chēng)必須反映它所含的元素;酸類(lèi)和堿類(lèi)用其所含元素來(lái)命名,如硫酸、鉀堿;鹽類(lèi)用構(gòu)成它們的酸和鹽基來(lái)命名。直到今天,此化合物命名原則仍被采用。
化學(xué)革命由于《化學(xué)概要》一書(shū)的出版,宣告結(jié)束?!痘瘜W(xué)概要》產(chǎn)生了廣泛的影響,使化學(xué)科學(xué)從此開(kāi)始了一個(gè)新紀(jì)元。
再說(shuō)拉瓦錫,盡管他使近代化學(xué)走向理論化、系統(tǒng)化,被譽(yù)為“近代化學(xué)之父”,但結(jié)局卻非常悲慘。1794年5月8日是個(gè)令人悲痛難忘的日子,拉瓦錫被指控為“在士兵的煙草中摻水”,而被殘暴地殺害于斷頭臺(tái),終年51歲。臨死前,拉瓦錫曾要求道:“情愿被剝奪一切,只要讓我做化學(xué)實(shí)驗(yàn),就心滿(mǎn)意足了。”然而,他的要求沒(méi)有得到同意。
拉瓦錫死后,人們很惋惜。著名數(shù)學(xué)家拉格朗日說(shuō)道:“他們割下拉瓦錫的頭,只不過(guò)一剎那之間的事,但是不知在100年之內(nèi),世界上還能不能再長(zhǎng)出一顆像他那樣的頭?!?br> 卻說(shuō)拉瓦錫及其他一些化學(xué)家的卓越研究,給了整個(gè)化學(xué)界強(qiáng)烈的啟示,激起他們對(duì)這門(mén)科學(xué)的高度熱情。先談一談從18世紀(jì)末到19世紀(jì)間拉瓦錫在法國(guó)的擁護(hù)者。
在拉瓦錫的著名支持者中,首先應(yīng)該提到的是德莫沃。他是一位教授,研究的主要是化學(xué)分析和化學(xué)工藝方面的問(wèn)題。最初他支持擁護(hù)燃素說(shuō),后來(lái)他首先提出化學(xué)命名法的概念,并贊成拉瓦錫的氧學(xué)說(shuō),在與拉瓦錫合作制定化學(xué)命名方面起了主要作用,其功不可沒(méi)。
還有一位化學(xué)家孚克勞,他是拉瓦錫氧學(xué)說(shuō)的堅(jiān)定支持者,其主要功勞是通過(guò)各種途徑,進(jìn)一步促進(jìn)氧學(xué)說(shuō)在各國(guó)的廣泛傳播。
拉瓦錫最著名的支持者應(yīng)算是貝托雷。貝托雷自青年時(shí)就對(duì)化學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣,積極研究有關(guān)方面的問(wèn)題。1785年,他首先承認(rèn)氧學(xué)說(shuō),并同拉瓦錫一起進(jìn)行有關(guān)的試驗(yàn)。此外貝托雷在分析鹽水的基礎(chǔ)上,提出了化學(xué)親合力的理論,貝托雷還首次把質(zhì)量概念同各種化學(xué)反應(yīng)聯(lián)系在一起,并認(rèn)為根據(jù)反應(yīng)質(zhì)量的不同,各元素能以任意比例相化合,引起同普魯斯特的論戰(zhàn),這是后話(huà),暫且不提。
卻說(shuō)在法國(guó)化學(xué)家中,年輕一代的代表當(dāng)推沃克蘭,他曾當(dāng)過(guò)孚克勞的實(shí)驗(yàn)員,憑借頑強(qiáng)毅力和勤奮好學(xué),后來(lái)他成為名教授。沃克蘭是化學(xué)分析學(xué)派的杰出人物,在無(wú)機(jī)化學(xué)和有機(jī)化學(xué)等領(lǐng)域有一些獨(dú)創(chuàng)的實(shí)驗(yàn),以結(jié)果數(shù)據(jù)準(zhǔn)確而著稱(chēng)。
除以上三位著名化學(xué)家外,還有一位科學(xué)家值得介紹,叫路布蘭法。他發(fā)明了制堿法,即將硫酸鹽和煤和石灰石共熱以制堿。有人稱(chēng)贊路布蘭法說(shuō):19世紀(jì)的化學(xué)工業(yè)史就是路布蘭法的興衰史。
法國(guó)的化學(xué)發(fā)展蓬蓬勃勃,歐洲各國(guó)也不例外,化學(xué)家十分的活躍:在英國(guó)有人們熟悉的卡文迪什、普利斯特里、布拉克,在瑞典有大名鼎鼎的舍勒和貝格曼。至于其他國(guó)家,研究工作也呈現(xiàn)出興旺的景象。
在德國(guó),這一時(shí)期著名化學(xué)家首推克拉普羅特。他從事實(shí)驗(yàn)研究的精確性可同沃克蘭相媲美。1789年,他在瀝青鈾礦中發(fā)現(xiàn)了新的土素,其中含有鈾。同年,他又得到了鈹。大約1792年,他在一種石頭里發(fā)現(xiàn)一種金屬元素,定名為鈦。1797年,他在研究鉻鉛礦時(shí),證實(shí)了鉻的存在。
在俄國(guó),代表人物除了前面介紹的羅蒙諾索夫外,還有一位重要人物羅維茨。他的功績(jī)有:發(fā)現(xiàn)和研究了鍶,了解了鉻、鉭和其他金屬化合物。
隨著化學(xué)的發(fā)展,化學(xué)家們關(guān)心的問(wèn)題出現(xiàn)了,如化合物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和化學(xué)親和力的性質(zhì);如何用數(shù)字表示各種元素和化合物的性質(zhì)等等。基本化學(xué)定律的確立,已迫在眉睫。
●化學(xué)親和力學(xué)說(shuō):
有關(guān)物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu),自古流行微粒學(xué)說(shuō),說(shuō)什么粒子間的結(jié)合是一種愛(ài)與憎之類(lèi)的超然力,荒唐可笑得很。
18世紀(jì)后期,牛頓的力學(xué)理論贏得普遍贊同,于是化學(xué)界有的化學(xué)家便很自然地把親和力歸結(jié)為萬(wàn)有引力的一種。但是,化學(xué)家們不滿(mǎn)足于個(gè)別的、定性的解釋?zhuān)窍M腥四芰谐鲆粡埛从掣鞣N物質(zhì)間相互反應(yīng)能力的親和力表。
1718年,法國(guó)巴黎的藥劑師日夫魯瓦發(fā)表了一張親合力表,在表中,他試圖比較各種不同酸和堿的親和力。
1775年,貝格曼精心設(shè)計(jì)的親和力表可算最為齊全,表示出了59種物質(zhì)在溶液狀態(tài)及熔融狀態(tài)下所表現(xiàn)出來(lái)的不同親和力情況。它把親和力分為同種物質(zhì)間的“聚集吸引”和異類(lèi)物質(zhì)間的“化學(xué)吸引”兩類(lèi)。“化學(xué)吸引”又分為兩種類(lèi)型:一種是“單向置換反應(yīng)”;一種是“復(fù)分解反應(yīng)”。
到了1799年,貝格曼的親和力表受到貝托雷的抨擊。但在以后一段時(shí)間里,卻導(dǎo)致了酸堿當(dāng)量定律的研究。
●酸堿當(dāng)量定律:
在各類(lèi)化合物中,人們首先理解到的是關(guān)于鹽的組成。在鹽的形成過(guò)程中,含有一種酸和一種堿,酸堿間的中和反應(yīng)是否存在某些規(guī)律和定量關(guān)系呢?這是化學(xué)家們孜孜不倦研究的問(wèn)題。
1766年,卡文迪什把中和同一重量和某種酸所需的各種堿的重量稱(chēng)之為“當(dāng)量”。溫采爾在大量分析的基礎(chǔ)上,觀(guān)察到酸和堿以固定的比例相互作用的當(dāng)量比。他們都為酸堿當(dāng)量定律的確立做出了貢獻(xiàn)。
到了18世紀(jì)末,德國(guó)化學(xué)家里希特對(duì)酸堿反應(yīng)進(jìn)行了大量的研究。在他的著述中,他明確提出所謂的互比定律或當(dāng)量定律。他說(shuō):“任何化合物都有其固定的組成,化學(xué)反應(yīng)中反應(yīng)物間必有定量的關(guān)系?!比绻麅煞N元素,生成一種化合物,因元素的性質(zhì)總保持不變,所以發(fā)生化合反應(yīng)時(shí),一定量的一種元素總是需要確定量的另一種元素。即這種性質(zhì)也是恒定不變的。”例如溶解2份石灰如需5份鹽酸,那么溶解6份石灰,必將需要15份鹽酸。
到了1802年,法國(guó)化學(xué)家費(fèi)歇爾把里希特的見(jiàn)解加以完整清楚地總結(jié),并且把里希特的許多數(shù)值歸并成為單一的一張表,即相對(duì)于1000份硫酸的酸和堿的當(dāng)量表。
1803年,法國(guó)化學(xué)家貝托雷在其《化學(xué)靜力學(xué)》中,將費(fèi)歇爾的表及一部分注釋譯成法文,至此酸堿當(dāng)量表為世人所知
●定組成定律
從拉瓦錫到18世紀(jì)以后的化學(xué)家,在一系列實(shí)驗(yàn)中,逐漸意識(shí)到反應(yīng)物與產(chǎn)物之間有確定的重量比例關(guān)系,每種化合物都有確定的組成。這一基本規(guī)律,被化學(xué)家們自覺(jué)不自覺(jué)地運(yùn)用到實(shí)際工作中去。但真正以此為專(zhuān)題,進(jìn)行更廣泛、更系統(tǒng)、更精密研究的,是法國(guó)的一位藥劑師普羅斯特。
普羅斯特研究了多種物質(zhì)的化學(xué)組成,他分別從西班牙和日本取來(lái)朱砂進(jìn)行分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),它們有完全相同的化學(xué)組成。
他又對(duì)貝爾加湖的鹽,太平洋的鹽,或是巖鹽、井鹽進(jìn)行分析,得出它們含有的鈉和氯也是一定的。對(duì)于水中氫和氧的含量,他分別做了類(lèi)似的試驗(yàn),其結(jié)果也是一樣的。
于是普羅斯特得出結(jié)論:“兩種或兩種以上元素相化合成某一化合物時(shí),其重量之比是天然一定的,靠人為不能增減?!?br> 與此同時(shí),普羅斯特的學(xué)說(shuō)遭到了貝托雷的激烈反對(duì)。他認(rèn)為化合物的組成是不定的,它隨著制取方法的不同而不同,或隨著用于合成的原料的相對(duì)重量不同而有所改變。貝托雷舉出玻璃、合金等混合物,為自己的論據(jù)辯護(hù)。
最終,前后進(jìn)行了8年的爭(zhēng)論,普羅斯特獲得了勝利。原來(lái)貝托雷所謂的不定的化合物并非純凈物,而是混合物?,F(xiàn)在人們把普羅斯特的結(jié)論稱(chēng)為定比定律或定組成定律。
●倍比定律
且說(shuō)在1800年,英國(guó)青年化學(xué)家戴維發(fā)表了一篇研究報(bào)告。報(bào)告列出三種氮的氧化物(N2O、NO及NO2)的重量組成。經(jīng)過(guò)換算,三種氣體間與相同量之氮相化合的氧,其重量比約為1∶2∶4。
之后,道爾頓也進(jìn)行了這方面的研究。他分別分析了CO和CO2中碳氧之比和沼氣(甲烷)同油氣(乙烯)中碳?xì)渲取S谑撬贸霰侗榷桑骸爱?dāng)相同的兩元素可生成兩種或兩種以上化合物時(shí),若其中一元素之重量恒定,則其余一元素在各化合物中的相對(duì)重量有簡(jiǎn)單倍數(shù)之比?!?br> 除了戴維和道爾頓外,瑞典化學(xué)家貝采烏斯和法國(guó)化學(xué)家杜馬都為倍比定律的最后確立,提供了重要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
欲知后事如何,且聽(tīng)下回分解。
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