如何把化学和炼金术分开
燃素充斥于天地之间,在闪电风暴中流动。它包含在大地、天空、海洋、陆地、动物、植物、矿物和人们的心中。大气中含有燃素,会引起空中闪电,使大气湍流;生物含有燃素就充满活力;当无生命物质含有燃素时,它就会燃烧。燃素不仅具有各种力学性质,而且和灵魂一样,它本身也是一种动力,是一种“火的力量”。物体失去燃素,成为死灰,灰获得燃素,物体就会复活。
物质受热时,燃素不能自动分解。但燃烧只能通过加入空气吸出燃素来实现;良好的空气具有吸收燃素的特性。
腐蚀剂抓住金属中的燃素,金属被腐蚀;当金属被煅烧时,它们失去了高贵的光芒,变成了渣滓——当它们被赋予燃素时,它们又变得傲慢起来。
一个物体中的燃素越多,燃烧得越厉害;含燃素少,燃烧弱。好的空气具有吸收燃素的特性,所以物体必须在空气中才能燃烧;各种实体都是由一个物体所拥有的基本物质(元素)和该物体所特有的“气场”所组成,可以用火来区分。当实体被加热时,“气场”从实体中逃逸。
由于金属等物质被氧化后质量增加,一些科学家认为燃素和“光环”一样,与地心相斥,具有负的重量(所谓“轻的重量”),所以当金属失去燃素时,其重量反而增加。有人说,金属中燃素的流失就像活人的灵魂流失一样,所以就像死人的身体比活着的时候更重一样,“死”的灰烬自然比活着的金属更重。燃素理论被证明是错误的。
燃素说是17年底和18年初形成的解释燃烧现象乃至整个化学的理论。根据燃素理论,可燃元素是气态物质,存在于一切可燃物质中,这种元素就是燃素;燃素在燃烧时从可燃物中飞出,与空气结合,从而发光发热,这就是火;油脂、蜡、木炭等。都是极富燃素的物质,所以燃烧非常剧烈;石头、木灰、黄金不含燃素,所以不能燃烧。物质的化学变化也可以归因于释放燃素或吸收燃素的过程。例如,当锌或铅煅烧,燃素从中逸出,就产生了白色的锌灰和红色的铅灰;当锌灰和铅灰与木炭一起焙烧时,锌灰和铅灰从木炭中吸收燃素,金属获得新生。酒精是水和燃素的混合物。酒精燃烧后,水仍然存在。金属在酸中的溶解是燃素被酸带走的过程。当时燃素说无法自圆其说,最大的批评是金属煅烧后增重的事实。随着对化学反应更多的定量研究,燃素理论变得更加矛盾。直到18年70年代发现氧气,燃烧的本质才最终大白于天下,燃素说退出了历史舞台。
起初,医学化学家想象化学物质包含三种元素:硫是可燃的,汞是流动的和挥发性的,盐是固定的和不活动的。
在17世纪,美因茨大学的医学教授约阿希姆·贝歇耳稍微修改了医学化学的理论,并在1669年提出,固体土壤材料一般含有三种成分:
“石土”,一种存在于所有固体中的固定土壤,相当于早期医学化学家的盐元素。
“油性土壤”,存在于一切可燃物中的油性土壤,相当于硫磺。
“汞土”,一种流动土壤,相当于水银。
普里斯特利认为,一切可燃物都含有硫磺和油性“油土”,燃烧时与其他“土”结合逸出;也就是说,燃烧是一种分解。燃烧后留下的灰烬是成分更简单的物质。
根据燃素理论,燃烧和煅烧的过程涉及化合物分解成成分,即在最简单的情况下分解成硫磺“油土”和固定的“石土”。理论上简单的物体是不能燃烧的,因为含有“油土”和另一种土的物质一定是化合物。
在18世纪,新化学概念和燃素理论的支持者们进行了一场激烈的争论。1703年,哈雷大学的医学和化学教授格奥尔格·恩斯特·斯塔尔(Georg Ernst Starr)将普里斯特利的“石油土壤”重新命名为“燃素”,并将这一理论发展为更广泛的理论体系,用以解释氧化、呼吸、燃烧和分解等许多化学现象。金属是灰烬和燃素的化合物。加热时,燃素释放出来,留下灰烬。一般来说,燃素是一切可燃物体的基本元素,油、脂、木、碳等燃料都含有大量的燃素。当这些物体燃烧时,燃素被释放出来,要么释放到大气中,要么释放到能与之结合的物质中,如灰烬,从而形成金属。
到1740年,燃素说在法国被普遍接受;十年后,这一观点成为公认的化学理论。
但是,燃素说未能合理解释定量实验的结果;根据燃素说,镁燃烧后会释放出燃素,但实际上它的重量不减反增。后来,拉瓦锡证明了氧气在燃烧过程中是必不可少的,解释了燃烧后重量增加的现象,为后来的热量理论奠定了基础。
燃素说颠倒了燃烧现象的解释,把化合过程描述为分解过程,但统一了当时大部分化学现象的解释,帮助人们摆脱和结束了炼金术的统治,解放了化学,在历史上起到了积极的作用。虽然燃素说本身是错误的,但它引导和启发人们思考和探索,不断实践、验证、修正假说或有新的发现。也正是在这一连续过程中积累的大量科学实验资料,为科学燃烧理论的建立准备了条件。
英国化学家普里斯特利访问了巴黎。在拉瓦锡举行的宴会上,普里斯特利告诉拉瓦锡,三个月前,他在加热水和银灰的实验中发现了一种助燃效果显著的气体。这个信息启发了拉瓦锡,他立即着手合成和分解水银灰。拉瓦锡被实验事实所说服,在燃烧中与金属结合的不是火粒子或燃素,而可能是最纯净的空气。
1775年底,普里斯特利发表了一篇关于氧气的论文(他将其命名为脱氟空气)后,拉瓦锡突然意识到这种特殊的物质是一种新的气体元素。后来,他对这种新的气体元素的性质进行了仔细的调查,证实了这种元素除了支持燃烧和呼吸外,还能与许多非金属物质结合生成各种酸。因此,他将这种元素命名为酸,而现在氧元素的化学符号0就是来源于希腊酸:氧。
拉瓦锡在对氧进行系统研究后,明确指出空气本身不是一种元素,而是一种混合物,主要由氧和氮组成。
在1778中,他进一步提出,燃烧过程在任何情况下都是可燃物质和氧气的结合,可燃物质在燃烧过程中吸收氧气并增重。所谓的燃素其实并不存在。拉瓦锡的燃烧氧化理论最终使人们认识了燃烧的本质,取代了燃素理论,统一了许多化学反应的实验事实,为化学的发展奠定了重要基础。
水长期以来被认为是一种元素。拉瓦锡不仅通过实验合成了水,还将水分解为氧和氢,确认了水的成分,并用氧化理论给出了准确的解释。拉瓦锡根据氧化理论,在1777发表论文指出,动物呼吸是吸入氧气,呼出碳酸气体,这也是一种燃烧现象。他与法国科学家拉普拉斯合作,在1782设计了冰量热计,并测量了一些物质的比热和潜热。