《人类科学技术史-250》燃素假说

燃素假说
1.在原子学说的启迪下

波义耳揭开了近代化学的序幕，是以对火的研究，即以对燃烧和焙烧的研究为基础的，波义耳做过大量的物体燃烧实验与金属焙烧实验，通过这些实验，他初步认识到了燃烧与空气的关系，认识到空气是燃烧的必要条件，可是，他无法从理论上解释燃烧现象，尤其使他不能理解的是，像木炭这样一类物质在燃烧之后，其灰烬变轻了；而像锡、铅、铜、铁等金属经过焙烧之后，其灰烬反而变重了。

17世纪初，法国哲学家伽桑狄(1592-1655年）对古希腊哲学的原子学说进行了系统的研究和广泛的宣传，特别是对亚历山大时期的古希腊哲学家伊壁鸠鲁(约公元前341-前270年）的原子学说进行了系统的研究和广泛的宣传。1649年，伽桑狄发表了《伊壁鸠鲁的哲学体系》这一重要论著，这就使古希腊哲学中从德谟克利特到伊壁鸠鲁的原子学说得以迅速复兴。从德谟克利特到伊壁鸠鲁的原子学说的理论核心，认为物质世界是由原子这种不可再分的最小的物质微粒组成的。由于原子学说的复兴，原子学说中所包含的微粒思想和其他思想，在当时以及后来的整个近代科学发展时期，便成为孕育出近代各种科学理论的思想土壤。

正是在伽桑狄复兴的古希腊哲学中的原子学说的启迪之下，波义耳试图把原子学说的微粒观念与笛卡尔学说的空间要素结合起来，建立起一种以机械论自然观为基础的燃烧学说。

在原子学说的启迪下，波义耳提出了一个试图解释燃烧和焙烧现象的"火粒说"，他认为，火是一种极精细的微粒构成的，火本身是一种"微粒的物质元素"，所以有些物质在燃烧时释放出了这种物质微粒，而有些物质在燃烧时吸收了这种物质微粒。他先解释汞经过焙烧后变成红色氧化汞时，就曾认为，这可能"是一些穿透性的火的粒子"作用的结果。

可是，为什么同是因为火的作用，有的物质在燃烧后释放出火的微粒，而有的物质在燃烧后却吸进了火的微粒。对此，波义耳虽然力图以他的"火粒说"进行理论解释，但在进行这种理论解释时始终表现出困惑不解，波义耳看到空气是燃烧的必要条件，这是他的贡献。可是，他只看到了火对物质的化学作用，而没有看到空气对物质的化学作用，这即是他的局限所在。他的那种建立在"火粒说"基础上的燃烧理论，也就无法真正揭示燃烧与焙烧的化学奥秘。

波义耳并未建立起真正的燃烧理论，继波义耳之后，继续探索燃烧与焙烧奥秘的是波义耳的助手胡克。胡克在协助波义耳进行燃烧实验时，就曾注意到：当木炭在密封的容器中被加以强热时，它并不变成灰烬，而只是变黑；但是，如果放进空气，木炭就立即烧掉，最后变成白色的灰烬。在有无空气这两种不同的条件下，木炭燃烧的结果是不同的。而这也正好说明，空气在燃烧中起着必要条件的作用。胡克在与波义耳一起进行的燃烧和焙烧实验的基础上，提出过一个最初的燃烧学说，这个最初的燃烧学说载于他在1665年发表的《显微术——用放大镜观察的微小物体的生理描述。附有关的观察和研究》一书中，论及了他最初提及的燃烧学说。

后来，胡克进一步提出了一个当时没有发表的包括十二个命题在内的燃烧学说，其中两个最基本的命题是："①空气是所有硫素物体的万有溶剂；②进行溶解作用时产生大量的热，我们称之为火。"这样，胡克就把燃烧过程看作燃烧物体被空气溶解的过程；而燃烧物体所以能被空气溶解，是因为燃烧物体中含有能被空气溶解的"硫素"。于是，胡克就在波义耳的"火粒说"的基础上，提出了他的"硫素说"。"硫素说"的基本特点，在于充分肯定空气在燃烧中的作用，而其学说的理论核心，在于认为燃烧物体中含有可燃物质"硫素"，当"硫素"物体一旦接触空气，就立即发生他所说的溶解作用，而这种溶解放热过程也就是燃烧过程。可见，胡克的燃烧学说也是在当时原子学说的影响下所产生的一种理论假说。

此后，胡克的燃烧学说为英国当时的另一个化学家约翰.梅尤(1641-1679年）所发展，1673年，梅尤在他自己进行的燃烧实验与呼吸实验的基础上，写成了他的主要著作《医学哲学五论》，1674年，梅尤在牛津出版了这一著作。在此书中，他提出了燃烧学说，这是胡克燃烧学说的继承和发展，他认为，可燃物体本身含有"硫素粒子"，而空气中则含有"硝气粒子"，燃烧就是可燃物体中的"硫素粒子"与空气中的"硝气粒子"相互碰撞的结果，这就是梅尤在胡克"燃素说"的基础上提出的两种粒子的。"碰撞说"。为了证实他的燃烧理论，他曾在1673年进行过这样的实验：将一个其中点着蜡烛的玻璃钟罩置入水中，钟罩内的蜡烛燃烧一会后即熄灭，随蜡烛的熄灭，水亦随之在钟罩内上升，但总是只能上升到一定的高度。他认为，这是由于存在于钟罩内的空气中的"硝气粒子"被燃掉了，由于"硝气粒子"在空气中所占据的空间是一定的，在蜡烛燃烧后所造成的真空也是一定的，所以水在钟罩内上升的高度也是一定的。梅尤的这个实验，实际上是对氧气的最初发现，只不过是他本人当时并未认识到这是氧气。所以他对这一实验的解释只比波义耳和胡克前进了一步：即认识到并不是所有的空气都参加燃烧，而只是一部分空气参加燃烧。这部分参加燃烧的空气就是空气本身所含有的"硝气粒子"。

其实，在波义耳、胡克、梅尤等人之前，法国冶金学家雷伊(1583-1630年）就曾提出过类似的理论。1630年，他发表了一篇题为《关于焙烧锡和铅重量增加原因的研究》的论文，在文中，他叙述了他的焙烧锡和铅的实验，他认为，锡和铅经过焙烧之所以增加了重量，是因为"浓密的空气""混进烧渣中"的缘故。他认为，空气中的某种浓密成分混进金属烧渣并不是两种物质之间的化合，而是两种物质微粒的一种机械混合，这种混合就同水的微粒与沙的微粒的混合一样。水粒混入沙粒后使沙粒变重，空气混进金属烧渣后也使金属烧渣变重。

以上事实说明，在燃烧说尚未正式登上近代化学的历史舞台之前，在17世纪初期逐渐复兴的原子学说的影响下，近代化学的早期理论中已逐渐形成了一种机械自然观，它在当时的最典型的理论特征，一是把一切物质实体的最小单位看作是类似于原子的物质微粒；二是把一切物质实体的相互作用看作是微粒之间的力学作用。从雷伊、波义耳、胡克到梅尤，他们所提出的关于燃烧的种种理论，差不多都是这种机械自然观在燃烧理论上的反映。

2.燃素假说的兴起

梅尤之后，英国化学出现了停滞不前的局面，而在带有浓厚的炼丹术与炼金术色彩的德国医学化学却振兴起来，正是在这种背景下，以贝歇尔和斯塔尔为代表的医药化学家提出了解释燃烧和焙烧现象的燃素假说。而早期的近代化学也因此进入了以燃素假说为基本标志的发展时期，即一般化学史家通称的"燃素时期"。

最先提出燃素假说的是德国美因茨大学的医学教授贝歇尔(1635-1682年），1669年，他发表了他的主要著作《地下的自然哲学》，提出了最初的燃素假说。他从炼金术关于物质构成的硫、汞、盐三要素的观念出发，认为一般固体物质的构成元素是三种土质：油土、汞土和石土。其中油土是存在于一切可燃性物体中的油质性的土，相当于炼金术士所说的硫元素；汞土是一种可变化的流质性的土，相当于炼金术士所说的汞元素；石土则是一切物体中一种固定的硬质性的土，相当于炼金术士所说的盐元素。在提出三种土质理论的基础上，贝歇尔对燃烧进行了解释，他认为，在一切可燃物体中都含有油土，油土作为一种油性的和硫质的元素，在可燃物体燃烧时，便从可燃物体中释放出来。所谓燃烧，实质上是可燃物体释放油土的过程。这是贝歇尔提出的最初的燃素说。

后来，德国的另一个医药化学家斯塔尔(1660-1734年）在贝歇尔的油土说的基础上，以燃素概念代替了贝歇尔的油土概念，并对贝歇尔的油土论作了一些发挥，这样就正式形成了解释燃烧现象的燃素假说。

1697年，斯塔尔进行了一些硫磺与硫酸的实验，他推测，硫磺燃烧时，即生成硫酸；反过来，如果把硫磺燃烧时随火焰一道逸去的东西重新加入硫酸，那么这两者重新加在一起就会生成硫磺。因此，他认为，在硫磺燃烧时随火焰逸出的那部分物质，实质上就是硫磺中所含有的可燃性的物质。他把这种可燃性的物素称为"燃素"，意即火的原素。

在进行上述实验研究的同时，斯塔尔研究了《地下的自然哲学》等医学化学著作，1703年，他重印了《地下的自然哲学》一书，并在贝歇尔阐述的油土论的地方加上了一个很长的评注，他指出，贝歇尔所说的油土，实际上就是存在于一切可燃物体中的燃素。后来，他在《化学基础》一书中进一步阐述了他的燃素说。并在他的教学中长期讲授他的燃素说，这样，燃素假说这样一个关于燃烧学说的新理论便广泛传播开来。

斯塔尔的燃素说认为，燃素是一种火质和火素，但并非火的本身，而是一种呈细微粒子状的火的原质或元素；燃素广泛地存在于一切可燃物体之中，也存在于金属之中；燃素有时是油质的，有时是火质的，有时是土质的，但无论分别存在于植物体、动物体和矿物体的燃素的性状怎样不同，它们在本质上都是一样的。他们的本质属性是它们的可燃性；物体的燃烧过程实质上是燃素的逸出过程，燃素本身具有从一种物体转入另一种物体的特性。斯塔尔还认为，如果把金属烧渣与含有燃素的物质一道加热，就可以使金属还原。

燃素说大体上能解释一些燃烧现象，如油、脂、土、炭等在燃烧之后留下来的残渣与灰烬确实比原来的物体要轻得多，而这些现象很有些燃素说所解释的那样，这是因为这些物体在燃烧时，燃素随着火焰一道释放出来了。这样，其残渣与灰烬自然要比燃烧前轻得多。

由于燃素说表面上能解释一些燃烧现象，所以他给当时的化学家们以一种理论上的幻觉：似乎燃素说确实是能够正确解释燃烧现象的燃烧学说。正因为如此，当时的不少化学家都成了燃素说的忠实信徒，而近代化学也因此进入了一个以燃素说为标志的新的历史时期——燃素时期。