《人类科学技术史-251》气体化学（上）

气体化学（上）
1.燃素说的理论危机

从贝歇尔最初提出的燃素说的1669年起，燃素说在欧洲化学界前后风行了一个多世纪。

根据燃素说的解释，燃素是一种基质，但这种基质却具有变幻莫测的性质：它有时是火质，有时是土质，有时是油质，有时是光质，有时是热质。它充塞于天地万物之间，流动于雷电风云之中。但无论是在动物体或植物体中，还是在矿物体或其他物体中，它在本质上是一样的。一方面，它是组织这些物质的一种基质；另一方面，它又是这些物质的物理性质与化学性质的质动因。物质失去它就变成灰烬，而灰烬得到它就会新生。总之，在当时一些化学家的心目中，燃素是无所不在、无所不能的超级基质。

根据燃烧说对燃烧现象所作的理论解释，一切与燃烧有关的化学变化都可归结为物体吸收燃素与释放燃素的过程，但在解释一种与燃素有关的化学现象时，燃素说始终无法自圆其说。这种与燃素有关的重要化学现象就是金属的煅烧现象。

燃烧说认为，物体燃烧的过程是物体释放燃素的过程，物体燃烧，燃素释放出去了，燃烧物体变成了灰烬。因为燃素被释放出去了，所以物体的灰烬也就比物体本身轻得多。对于诸如木炭之类的植物体的燃烧，燃素说是乎能得到一种似是而非的解释。可是，同样是物体的燃烧，为什么金属被燃烧后，它的灰烬不但不比原来的金属物体轻，反而比原来的金属物体重呢？

对于金属燃素(煅烧）后增加重量的事实，当时一些持燃素论立场的化学家颇感困惑，为了使燃素论能自圆其说，法国化学家文耐尔(1723-1775年）竟别出心裁地解释：燃素有时具有为地心引力所吸引的向下的重量，他把这种向下的重量称为"正重量"，有时具有与地心引力相反的"向上的重量"，他把这种"向上的重量"称为"负重量"。由于金属燃素具有"负重量"的性质，所以当金属燃烧而释放出燃素时，它的重量就不但没有减轻，反而增加了。一种基质，既具有向下的正重量，又具有向上的负重量，这很令人费解，于是，有些人费尽心思找到了这样一个比喻：金属失去燃素，好比人死时失去灵魂。失去灵魂的死人不是比含有灵魂的人重吗？由此可见，燃烧后的死金属要比活金属重。这样，就使燃素不仅成为一种无所不在的基质，而且成了一种神秘莫测的幽灵。由于燃素说在解释金属煅烧时所遇到的无法克服的理论困难，它所编织出来的理论幻景正在消逝，理论化学已处于一场新的危机之中。

把燃素说进一步推向理论危机的动因，是18世纪初气体化学的初步发展。

2.布莱克

到18世纪初，气体化学有了初步发展，特别是对于碳酸气的发现与研究，可以说是18世纪气体化学发展的先导。第一个重新发现并深入研究碳酸气的是英国化学家布莱克(1728-1799年）。

1746年，18岁的布莱克考入格拉斯哥大学学习医学，在学习医学之际，他同时致力于化学研究，1750年，在他移居爱丁堡的同年，由于医学研究的需要，布莱克即开始进行酸类与碱类物质的研究。1754年，他写出了他的博士论文《论胃中食物产生的酸，兼论白氧镁》，第二年，他把这篇论文扩充为专著，并在爱丁堡学会上宣读了这一著作，1756年，该书以《关于镁石、石灰石和其他碱类物质的实验》的书名出版，在这一著作中，他记述了发现碳酸气的过程，并对这种气体的性质进行了初步的分析。

在一次实验中，他发现，把石灰石加热，除了制得石灰之外，还可以制取一种气体，他把这种气体叫作"固定空气"，并用定量分析的方法对这种气体的性质进行了分析，结果发现，石灰石经过煅烧后减少重量44％，他认为，这正是"固定空气"被从中释放出来的缘故。与此同时，他也用镁石(碳酸镁）作过类似的实验，发现镁石也含有"固定空气"。他还发现，碳酸镁(镁石）与氧化镁(镁土）的区别，仅仅在于"固定空气"的得失，碳酸镁失去"固定空气"即为氧化镁；而氧化镁得到"固定空气"即为碳酸镁。

布莱克还用其他许多方法制取过"固定空气"，并认识到在呼吸、发酵、木炭燃烧中也能产生这种气体，而空气本身就含有少量的"固体空气"。在制取"固体空气"的基础上，布莱克对这种气体的性质进行了多方面的研究。他发现，这种气体能为苛性碱所吸收；能使燃烧的蜡烛熄灭；能使动物窒息以至死亡。在当时，"窒素"曾是一个与"燃素"对立的概念，布莱克的发现从根本上揭开了"窒素"的秘密，原来"窒素"并不是一种与"燃素"对立的基质，而是一种特殊的气体。

通过对"固定空气"的深入研究，布莱克进一步指出，石灰石在煅烧后失重并转变为苛性石灰，正是由于失去酸性的"固定空气"，而这种"固定空气"本身并不是"燃素"，而恰好是"窒素"。他的这些实验与理论，一方面使燃素说进一步陷入了严重的理论危机中；另一方面，也为后来推翻燃素说提供了重要的实验根据与理论启示。

3.卡文迪许

继布莱克之后为证实燃素说而进行气体化学研究的，是英国化学家卡文迪许(1731-1810年），他是一个公爵的后代。富裕的条件使得他终生都得以进行专注的研究。

他在气体化学方面的第一个重要贡献，是创用汞槽法制取纯净的二氧化碳，并测定了二氧化碳的比重和溶解度，证明了用实践方法制取的二氧化碳，与动物呼出二氧化碳和木炭燃烧时产生的二氧化碳完全相同，同时，他还发现，当空气中含有九分之一的二氧化碳时，就会使蜡烛熄灭。

他在气体化学方面的另一贡献，是制取了氢气，并对氢气的性质进行了初步的研究。1766年，他把题为《人造空气的实验》的论文提交英国皇家学会。文中除了具体论述二氧化碳的制取及其性质外，就是论述氢气的制法及其性质。

他在文中指出，用盐酸或稀硫酸与铁或锌等作用，就可以用水槽法收集到反应过程中产生的氢气。他还指出，用定量的某种金属与多种酸作用，所产生的氢的量总是固定的，而与酸的种类无关。他认为氢气与空气混合后，一点燃即发生爆发。由于他崇信燃素说，所以他断言这种气体来自金属，而不是来自酸，因此他把这种气体称为"从金属中来的可燃空气"，他错误地认为，这种"可燃空气"就是从金属中分离出来的"燃素"，后来，他又认为氢气是"燃素"与水的混和物。

卡文迪许制取氢气后，人们曾把它充入气球，发现它能使气球很快飘浮上升，这样，一些燃素论的信奉者认为，气球飘浮上升正是"燃素"具有负重量的证据。可是不久发现氢气本身也是有重量的。

氢气的发现，一方面直接导致了后来的氧气的发现，另一方面也又一次动摇了燃素说。