拉瓦锡“捕获”氧气前，人类竟把它当作“燃素”？一段被误解的科学史

这段科学史确实精彩！拉瓦锡“捕获”氧气的故事，是人类认知从“燃素说”迷雾走向现代化学黎明的重要转折点。让我们来梳理这段被误解的科学史：

• 背景： 在拉瓦锡之前，化学尚未成为一门精确的科学，对燃烧、呼吸、金属冶炼等涉及气体变化的普遍现象缺乏统一解释。
• 燃素说的提出与核心思想：
  • 主要由德国化学家格奥尔格·恩斯特·施塔尔在17世纪末、18世纪初系统化和发展。
  • 核心假说： 所有可燃物质（如木材、煤炭、油、蜡烛、金属等）都含有一种看不见、无质量（或负质量）的神秘物质，称为“燃素”。
  • 燃烧的本质： 燃烧就是可燃物质释放“燃素”的过程。燃烧后剩下的灰烬或煅渣被认为是物质失去了燃素的“真质”。
  • 解释广泛现象：
    • 蜡烛燃烧： 释放燃素，燃素进入空气或与空气结合。
    • 金属煅烧（生锈/形成锈皮）： 金属释放燃素，变成金属灰（氧化物）。
    • 木炭燃烧： 释放大量燃素，剩下灰烬。
    • 植物生长： 从空气中吸收燃素。
    • 呼吸： 动物吸入空气，呼出含燃素的废气（与燃烧类似）。
• 燃素说的“成功”与困境：
  • 成功： 它首次为一系列复杂的化学现象提供了一个看似统一的、自洽的理论框架，将燃烧、呼吸、煅烧、甚至酸碱反应联系起来，极大地推动了化学研究（尽管是在错误的方向上），并统治化学界近百年。
  • 困境： 最大的硬伤在于质量变化。金属煅烧后，质量增加了（形成了更重的氧化物）。如果燃烧/煅烧是释放燃素（一种物质），那么质量应该减少才对。这直接违背了燃素说的核心预言。
  • 补救性假说： 为了解释增重现象，燃素说的支持者被迫提出燃素具有负质量（或“轻性”），当它离开物质时，物质反而变重了。这种解释虽然勉强维持了理论框架，但显得非常牵强和不自然。

• 普利斯特里和舍勒的贡献：
  • 卡尔·威廉·舍勒： 瑞典化学家，在1771-1772年间，通过加热硝酸盐、氧化汞等物质，独立地制备出了氧气。他观察到这种气体能使蜡烛燃烧更旺，老鼠在其中活得更久。他将这种气体称为“火空气”，并认为它是从空气中除去了“燃素”后剩下的部分，或者它本身具有特别强的吸收燃素的能力（助燃）。他直到1777年才发表他的发现。
  • 约瑟夫·普利斯特里： 英国化学家、牧师，在1774年8月1日，用大型凸透镜聚焦阳光加热氧化汞，得到了“一种新的空气”。他做了著名的实验：将点燃的蜡烛放入这种气体中，火焰异常明亮；将老鼠放入，老鼠活得更久；自己吸入后感觉“格外舒畅”。他确认了这种气体支持燃烧和呼吸的能力远超普通空气。
• 关键性的误解：
  • 尽管普利斯特里和舍勒都成功制备并观察到了氧气（助燃、支持呼吸）的性质，但他们都深陷燃素说的思维定式。
  • 普利斯特里的解释： 他认为这种新气体是“脱燃素空气”。他的逻辑是：普通空气中含有燃素，所以支持燃烧的能力有限。他制备的这种气体，因为几乎不含燃素（或者燃素含量极低），所以能极其贪婪地吸收燃烧物释放的燃素，因此表现出极强的助燃性。同样，呼吸时，这种气体也能更有效地吸收动物呼出的燃素废气。他完全是在用燃素说的语言描述氧气。
  • 舍勒的解释： 类似，他认为“火空气”是空气中吸收燃素能力最强的部分。
  • 结论： 他们发现了氧气，但未能识别其作为独立元素以及燃烧过程中真正参与者的本质。他们用旧理论（燃素说）强行解释新发现，把氧气视为燃素理论框架下的一个特殊角色（一种特别“饥饿”的空气）。

• 安托万-洛朗·德·拉瓦锡： 法国化学家，被誉为“现代化学之父”。他的关键贡献在于定量实验和概念重构。
• 关键实验与推理：
  • 精密称量： 拉瓦锡是定量研究的先驱。他精确测量了反应前后物质的质量。
  • 锡/铅煅烧实验： 他将锡或铅放入密闭容器中煅烧。发现：
    • 金属变成了灰烬（氧化物）。
    • 整个密闭系统的总质量在煅烧前后没有变化！ （质量守恒定律的雏形）
    • 打开容器后，空气涌入，说明容器内产生了负压（部分空气被“消耗”了）。
    • 煅烧后金属灰的质量 = 金属质量 + 被“固定”的空气的质量。
  • 汞煅烧与分解实验： 他重复并改进了普利斯特里的实验。
    • 将汞在定量空气中长时间加热，得到红色的氧化汞（汞灰），同时空气体积减少了约1/5，剩余气体（主要是氮气）不支持燃烧和呼吸。
    • 再将氧化汞加热分解，重新得到汞，并释放出一种气体，其体积正好等于之前被消耗的空气体积，且这种气体助燃能力极强。
    • 他测量了每一步的质量变化。
• 革命性的结论与命名：
  • 拉瓦锡彻底摒弃了燃素的概念。
  • 他提出：燃烧不是释放燃素，而是物质与空气中某种特定成分发生剧烈结合的过程！ 这种结合会导致发光发热（燃烧现象）。
  • 他证明了金属煅烧增重是因为结合了空气中的一种气体成分。
  • 他确认了普利斯特里和舍勒发现的“脱燃素空气”/“火空气”就是燃烧和煅烧过程中物质所结合的那种气体，是空气的重要组成部分。
  • 1777年，他正式将这种气体命名为“Oxygen” (氧气)，源自希腊语“oxys”（酸）和“gennan”（产生），因为他（错误地）认为所有酸都含有这种元素（虽然酸含氧的观点后来被修正，但名字保留了下来）。
  • 他称剩余的不支持燃烧的气体为“azote”（氮气，源自希腊语“无生命”）。
• 氧化理论的建立： 拉瓦锡基于氧气建立了新的燃烧理论——氧化理论。燃烧是可燃物与氧气发生的化合反应。这彻底推翻了统治化学界百年的燃素说。

• 证明了质量守恒。
• 证明了燃烧和煅烧是物质与空气中特定成分（氧气）结合的过程，而非释放燃素。
• 识别了氧气作为独立元素的关键角色。
• 彻底推翻了燃素说，建立了以氧气为核心的氧化理论和现代化学的基础。
• 赋予了这种气体正确的名称和地位。

因此，拉瓦锡“捕获”氧气的真正含义是：他捕获了氧气的本质意义，将它从燃素说的错误解释中“解救”出来，并将其置于现代化学理论的中心位置。 这段历史生动地展示了科学进步并非一帆风顺，它需要突破旧有思维框架的勇气、严谨的实验证据和革命性的理论构建。普利斯特里和舍勒是伟大的实验发现者，而拉瓦锡则是那个完成了关键性概念飞跃，将化学带入新时代的人。