火与人类的生活密切相关,火的使用是人类进步文明的一个重要标志。希腊神话中说:火是由普洛米修斯从太阳那里盗窃来的。虽然这只是故事,但很久以来人们的确不清楚火究竟是怎么回事,有些物质为什么会燃烧。
到了17世纪,随着冶金工业和化学工业的发展,人们更频繁地使用各种燃烧手段,这就更迫切地需要弄清燃烧的本质。
德国有两位著名的医生贝歇尔和斯塔尔,由于工作需要,他们对燃烧现象进行了系统的观察和研究,于1703年提出了燃素学说。他们认为,一切可燃物如木材、磷、硫等都含有燃素,不可燃物如石块、黄金皆不含燃素。当可燃物燃烧时发出光和热,就被认为是可燃物的燃素逸出,他们依此得到一个公式:
可燃物-燃素=灰烬
用这个公式可以轻而易举地解释许多化学现象。纸张、木材、油类之所以易燃,因为它们都含有大量燃素。物质含的燃素越多,燃烧就越旺。油类里含的燃素最多,所以就比木材、纸张燃烧得更剧烈。石头、黄金等不含燃素,所以不能燃烧。但燃素说却无法解释金属灼烧后质量增加这一事实。
在探索燃烧本质的过程中,瑞典化学家舍勒和英国化学家普利斯特列是两位不屈不挠的勇土。
1742年舍勒诞生于瑞典一户贫苦人家,他的兄弟姐妹很多,更增加了家庭经济困难。因无钱上学读书,14岁他便到一家药店当学徒,开始自食其力的生活。但是舍勒聪明好学,又有坚强的意志,在三年学徒中,他自学了当地图书馆里的全部化学书籍。这大大充实了他的基础知识,扩大了他的视野,使他了解了当时化学研究的一些重大问题。舍勒还有一个很大的优点就是对实验有浓厚的兴趣,非常喜欢动手做实验。他常常将制药中的问题通过实验去解决。
1771年秋季的一天,舍勒在实验室里正埋头做制取硝酸的实验。他把硝石(硝酸钠)和矾油(浓硫酸)放入曲颈甑里进行高温蒸馏,并用盛石灰水的猪尿泡吸收放出来的棕色气体。他无意中把点燃的小蜡烛伸进猪尿泡,可是烛火不但没有熄灭,反而发出耀眼的光芒,这可把舍勒吓了一跳。他苦苦思素,反复实验,结果都一样。于是他得出一个结论:猪尿泡里还有一种未知的无色气体。
舍勒继续用其他药品进行实验,如加热硝石、硝酸汞或把二氧化锰与浓硫酸混合加热,都可以制得能使点着的小蜡烛发出更亮光芒的神奇的气体。舍勒把这种神奇的气体取名为“火气”。接着他又做了许多实验,发现“火气”在空气中也有,且占空气体积的1/5。
但由于舍勒受燃素说的影响太深,没能越过陈旧的观念,他把燃烧仍解释为空气中的“火气”与可燃物中“燃素”结合的过程。于是,本可以发现的关于燃烧的新原理却悄悄地溜走了。
无独有偶,正当舍勒精心做自己的实验的时候,英国人普利斯特列也在做他的探索实验。
1733年普利斯特列生于英国黎兹城的郊外。他的父亲是个裁缝,家中生活也很贫困,他一度辍学打工。成年以后,生活迫使他当了一名牧师。艰苦的环境使他养成了许多优良品质,如爱学习,珍惜时光等。1766年,他遇见了著名美国物理学家富兰克林,受其教海,决心献身自然科学的研究,从此他对空气产生了兴趣。
1774年8月1日上午,天气特别好,晴空无云,他的实验室也显得格外明亮。他的心情特别愉快,因为他前一天刚收到朋友瓦尔泰尔送来的一包红色三仙丹(氧化汞),他想用聚焦太阳光来分解它。
11点钟,太阳光正强烈,他先把三仙丹放在玻璃瓶里,然后手持一个大的凹透镜,把太阳光聚焦到三仙丹上。很快,它便分解了,除生成银白色的水银珠外,还有一种无色气体。普利斯特列也把点燃的小蜡烛放入玻璃瓶里,看到的现象和舍勒的一样,小蜡烛的光芒更亮了。他把这种气体收集到另一个瓶子里,并试着用鼻子嗅了一下,没闻出什么味儿。接着,他从瓶子里深深地吸了一口气,肺里顿时觉得十分舒畅。他又把一只小白鼠放入瓶中,小白鼠非但没窒息而死,反而十分活跃。
普利斯特列记录上述实验时风趣地写道:“有谁能说这种气将来会不会变成时髦的奢侈品呢?不过,现在世界上享受到这种气体的只有一只老鼠和我自己。”
非常可惜,普利斯特列面对自己的新发现,却作了完全错误的解释。他认为从三仙丹里分解出来的气体能使蜡烛燃烧得更旺,那么,它本身一定是没有燃素的,它一定要疯狂地去吸取蜡烛里的燃素,才能使小蜡烛光芒更加明亮。因此,普利斯特列把这种奇特的无色气体取名为“失燃素的空气”。
普利斯特列和舍勒一样,没有从旧的学说中摆脱出来,而是用“旧瓶子装新药”,从而使一个重要的发现被埋没了。所以后人称以上两个勇土为“鼻尖碰到真理还不能发现真理的人”。
1774年10月,普利斯特列渡过英吉利海峡,来到巴黎,访问了法国科学院,有幸会见了法国著名化学家拉瓦锡。他向拉瓦锡等人表演了他制取“失燃素空气”的实验。表演非常成功,轰动了法兰西和整个科学院,大家都感到惊奇和迷人。
看了表演之后,拉瓦锡立即回到自己的实验室重复做了普利斯特列的实验,结果和英国客人所做、所说的完全一样。但是拉瓦锡在解释这个实验时,却换了个说法,他否认有“失燃素空气”的说法,而把三仙丹分解放出的气体称之为“上等纯空气”。
接着他把锡和铅放在空气中加热,结果加热后的金属质量增加了。这是化学家波义耳早就做过的实验。他又把锡和铅放在密闭容器中加热,结果无论加热多久,金属质量不变。这是1748年俄国化学家罗蒙诺索夫曾做过的实验。但是拉瓦锡并不满足验证前人的实验,经过许多天的周密思考,他又设计了一个具有划时代意义的新实验。
他在一个曲颈甑里放入已称量好的少量水银,曲颈甑口用一个玻璃罩罩上,并与盛水银的槽相通,玻璃罩的体积是已知的。接着他加热曲颈甑使水银沸腾,加热到第二天,银白色的水银面上浮起了红色鳞斑似的渣滓。继续加热数天,红色渣滓一天比一天多,直至加热到第十二天,红色渣滓不再增多时,结果发现玻璃罩子里的空气的体积差不多减少了1/5,而红色渣滓的质量也比原来的水银增加了。随后,拉瓦锡把点燃的小蜡烛放入玻璃罩,烛火立即熄灭。他又放进小白鼠,小鼠也窒息而死。
随后,拉瓦锡将红色渣滓收集起来,放在另一个较小的容器中,用凹透镜聚焦太阳光加热红色渣滓,重新得到水银和无色气体。而此时得到的气体体积等于加热水银时玻璃置中减少的体积。他把这种气体加到原先的玻璃罩里,和剩余的气体混合,结果得到的气体跟空气的性质完全一样。拉瓦锡终于发现了这一气体新的特征,他把这种气体取名为氧。他认为,燃烧决不是什么燃素的放出,恰恰相反,是物质跟氧的猛烈作用,并放出光和热。进一步分析后,拉瓦锡提出:空气是由两种气体组成的,一种为能帮助燃烧的氧气,约占空气体积的1/5;另一种为不能帮助燃烧的气体,叫氮气,约占空气体积的4/5。
依据拉瓦锡创立的新燃烧理论,在空气中加热金属时,金属与氧气化合生成了氧化物,由于氧参加进去了,所以氧化物的质量比原金属重了。而木材、纸张燃烧时,由于有二氧化碳生成,逸到空气中了,仅剩下灰烬,所以质量减少了。拉瓦锡的理论还能够解释呼吸作用不是缓慢放出燃素,而是较缓和的氧化过程,吸入氧气,呼出二氧化碳气体。
至此,燃烧的本质才被提示,拉瓦锡创立的的燃烧理论把在化学界统治70年之久的燃素学说彻底推翻了。他的理论被后来更多的实验所证实。他的发现使化学研究大大地前进了一步。
每当人们做化学燃烧实验,或用到氧时,都不会忘记它的发现者——拉瓦锡。