文_吳軍

拉瓦錫

1794年，拉瓦錫被送上了斷頭臺(tái)。對(duì)于拉瓦錫之死，數(shù)學(xué)家拉格朗日痛心地說(shuō)：“他們可以一眨眼就把他的頭砍下來(lái)，但他那樣的頭腦一百年也再長(zhǎng)不出一個(gè)來(lái)了。”正如牛頓建立了經(jīng)典物理學(xué)的體系一樣，拉瓦錫奠定了化學(xué)的基礎(chǔ)，現(xiàn)代化學(xué)課本中使用的各種酸、堿、鹽的名稱，遵循的都是拉瓦錫等人給出的命名法則。為了科學(xué)地描述化學(xué)反應(yīng)，拉瓦錫還發(fā)明了化學(xué)方程式。如果沒(méi)有化學(xué)方程式，我們今天描述化學(xué)反應(yīng)既不簡(jiǎn)潔也不清晰。

煉金術(shù)士伯特格爾在研制瓷器

煉金術(shù)與定量分析

人類研究數(shù)學(xué)、物理學(xué)和天文學(xué)的歷史比研究化學(xué)要長(zhǎng)很多。直到近代以前，世界上還只有煉金術(shù)，沒(méi)有化學(xué)。煉金術(shù)約有2500～3000年的歷史，而且橫跨了很多文明：美索不達(dá)米亞、古埃及、波斯、印度、中國(guó)、古希臘和羅馬，以及穆斯林文明和中世紀(jì)的歐洲。而在不同文明中，煉金術(shù)的定位也不同，在中國(guó)是以制造萬(wàn)靈藥和長(zhǎng)生不老藥為目的，因此也叫煉丹術(shù)。在西方世界，煉金術(shù)的目的是將廉價(jià)的金屬變成貴重的黃金。無(wú)論是為了長(zhǎng)生不老，還是為了錢財(cái)，煉金術(shù)背后都有巨大的利益驅(qū)動(dòng)，因此雖然從來(lái)沒(méi)有成功過(guò)，術(shù)士們?nèi)詾榇艘淮捌秃罄^。今天，我們學(xué)過(guò)化學(xué)，明白術(shù)士們的方法是行不通的，但是在19世紀(jì)之前，煉金術(shù)尚未被任何科學(xué)的證據(jù)否定，一些著名的科學(xué)家包括牛頓都嘗試過(guò)煉金術(shù)，并樂(lè)此不疲。

雖然勞民傷財(cái)且失敗不斷，煉金術(shù)也并非完全徒勞無(wú)功。在中國(guó)，它催生了火藥的發(fā)明；而在西方，通過(guò)煉金術(shù)，人們找到了各種各樣的礦物質(zhì)，積累了化學(xué)實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)方法，并且發(fā)明了許多實(shí)驗(yàn)設(shè)備。阿肯色大學(xué)的歷史學(xué)家羅伯特·芬雷認(rèn)為，發(fā)明瓷器的煉金術(shù)士伯特格爾的實(shí)驗(yàn)室可以算是歷史上第一個(gè)研發(fā)機(jī)構(gòu)。毫無(wú)疑問(wèn)，煉金術(shù)為日后的化學(xué)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

在從煉金術(shù)到化學(xué)的轉(zhuǎn)變過(guò)程中，科學(xué)的方法起了關(guān)鍵作用。今天大多數(shù)中學(xué)生可能對(duì)物理和化學(xué)實(shí)驗(yàn)都頗有興趣，但是對(duì)寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告恐怕就沒(méi)那么認(rèn)真了，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)常常隨便找張紙潦草地寫幾個(gè)數(shù)據(jù)了事，更有甚者可能過(guò)分相信自己的大腦，記在腦子里回家再整理成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。至于是否真能記住所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果的細(xì)節(jié)，我表示懷疑。一旦養(yǎng)成不做記錄的習(xí)慣，就很難改，這么做實(shí)驗(yàn)無(wú)法很好地積累經(jīng)驗(yàn)，后人只好重復(fù)前人的錯(cuò)誤。

但是，歐洲的煉金術(shù)士卻有意無(wú)意地采用了科學(xué)的方法。首先他們對(duì)自己做過(guò)的實(shí)驗(yàn)都有詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)記錄，當(dāng)然為了保密，他們可能會(huì)采用密文來(lái)做記錄。這些實(shí)驗(yàn)記錄，至今還保留在很多國(guó)家的檔案館里。

煉金術(shù)士的另一個(gè)貢獻(xiàn)，就是定量分析這種實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，量杯、天平、比重計(jì)和各種簡(jiǎn)單的測(cè)量工具被用于他們的實(shí)驗(yàn)，有了這些定量的記錄和分析，后人便可以重復(fù)前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這一點(diǎn)成為了后世人們進(jìn)行科學(xué)研究的一個(gè)基本方法。要想在前人的基礎(chǔ)上改進(jìn)，第一步都是要重復(fù)前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

定量分析帶來(lái)的另一個(gè)結(jié)果就是，在科學(xué)上從尊重權(quán)威變成尊重事實(shí)。沒(méi)有定量的衡量，很多論點(diǎn)和結(jié)論是不可比的，人們只好相信權(quán)威。在中世紀(jì)，人們喜歡說(shuō)，亞里士多德是這么說(shuō)的，或者托勒密是這么說(shuō)的。到了近代，人們立論的證據(jù)已經(jīng)不再是經(jīng)卷上的教條，而是根據(jù)自己的觀察或做實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，因?yàn)槎康慕Y(jié)果很容易比出好壞對(duì)錯(cuò)。笛卡爾就非常強(qiáng)調(diào)：是事實(shí)而不是權(quán)威，才是驗(yàn)證一個(gè)結(jié)論正確與否的前提。

當(dāng)然，從煉金術(shù)過(guò)渡到化學(xué)是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。但是，當(dāng)人類對(duì)物質(zhì)和物質(zhì)變化的知識(shí)積累到一定的程度時(shí)，量變就開(kāi)始產(chǎn)生質(zhì)變。到了18世紀(jì)，歐洲出了第一位今天被我們稱作世界著名化學(xué)家的人——安托萬(wàn)·拉瓦錫。

拉瓦錫在做實(shí)驗(yàn)

氧化說(shuō)與質(zhì)量守恒定律

與大部分煉金術(shù)士不同的是，拉瓦錫研究煉金術(shù)不是為了追求財(cái)富，而是為了尋找物質(zhì)變化的規(guī)律。拉瓦錫是法國(guó)波旁王朝末期的貴族，從來(lái)不缺錢。他在做化學(xué)實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，還是王朝的一位包稅官，雖然他從來(lái)沒(méi)有為自己撈過(guò)錢，但是這種身份卻成了他的死因。

拉瓦錫的主要貢獻(xiàn)之一是發(fā)現(xiàn)了氧氣，并且提出了氧氣助燃的學(xué)說(shuō)。在此之前，學(xué)術(shù)界流行著“燃素說(shuō)”，即物質(zhì)之所以燃燒，是因?yàn)槠渲芯哂兴^的“燃素”，燃燒的過(guò)程就是物質(zhì)釋放燃素的過(guò)程。1774年10月，英國(guó)化學(xué)家普利斯特里向拉瓦錫介紹了自己的實(shí)驗(yàn)：氧化汞加熱時(shí)，可得到一種氣體，這種氣體不僅能使火焰燃燒得更明亮，還能幫助呼吸。拉瓦錫重復(fù)了普利斯特里的實(shí)驗(yàn)，得到了相同的結(jié)果。這對(duì)拉瓦錫研究燃燒的原理給予了啟發(fā)：如果燃燒是因?yàn)槲镔|(zhì)中的燃素造成的，那么燃燒之后，灰燼的質(zhì)量應(yīng)該減少，而事實(shí)上，燃燒的生成物質(zhì)量是增加的，這說(shuō)明一定有新的東西加入到了燃燒的產(chǎn)物中。

他在實(shí)驗(yàn)中有一個(gè)信條：“必須用天平進(jìn)行精確測(cè)定來(lái)確定真理?！闭且揽繃?yán)格測(cè)量反應(yīng)物前后的質(zhì)量，他才確認(rèn)了在燃燒的過(guò)程中，有一種氣體加入了進(jìn)來(lái)，而不是所謂燃素分解掉了。1777年，他正式把這種氣體命名為oxygen，就是我們今天所說(shuō)的氧氣。隨后拉瓦錫向巴黎科學(xué)院提交了一篇報(bào)告《燃燒概論》，用氧化說(shuō)闡明了燃燒的原理。他在報(bào)告里闡述了氧氣的作用，即首先必須有氧氣存在，物質(zhì)才會(huì)燃燒?？諝庵邪醒鯕夂土硪环N氣體，物質(zhì)在空氣中燃燒時(shí)，會(huì)吸收空氣中的氧氣，因此燃燒生成物的質(zhì)量增加，而增加部分就是它所吸收氧氣的質(zhì)量。在研究燃燒的過(guò)程中，拉瓦錫確定了精確的定量實(shí)驗(yàn)和分析在自然科學(xué)研究上的重要性。拉瓦錫還發(fā)現(xiàn)，非金屬在燃燒后生成的氧化物可以變成酸，因此一切酸中都含有氧。金屬燃燒后變?yōu)榛覡a，它們不具有酸性。拉瓦錫的氧化說(shuō)徹底推翻了以前沒(méi)有根據(jù)的燃素說(shuō)。

拉瓦錫的另一項(xiàng)重要貢獻(xiàn)在于通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了在科學(xué)史上極其重要的質(zhì)量守恒定律。這個(gè)定律并不是他的獨(dú)創(chuàng)，在拉瓦錫之前很多自然哲學(xué)家與化學(xué)家都有過(guò)類似觀點(diǎn)，但是由于對(duì)實(shí)驗(yàn)前后質(zhì)量測(cè)定的不準(zhǔn)確，這一觀點(diǎn)無(wú)法讓人信服。拉瓦錫通過(guò)精確的定量實(shí)驗(yàn)，證明物質(zhì)雖然在一系列化學(xué)反應(yīng)中改變了狀態(tài)，但參與反應(yīng)的物質(zhì)的總量在反應(yīng)前后都是相同的。由于有了量化度量的基礎(chǔ)，拉瓦錫用準(zhǔn)確的語(yǔ)言闡明了這個(gè)原理及其在化學(xué)中的運(yùn)用。質(zhì)量守恒定律奠定了化學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，我們今天學(xué)習(xí)化學(xué)，都知道化學(xué)反應(yīng)的方程式兩邊需要平衡，這一切來(lái)自質(zhì)量守恒定律。

拉瓦錫證實(shí)這個(gè)重要定律的過(guò)程，本身再次確立了從伽利略到笛卡爾開(kāi)始的科學(xué)方法，即自然科學(xué)的任何定律必定是能夠證實(shí)的?，F(xiàn)代科學(xué)的研究方法就是靠這些科學(xué)家不斷通過(guò)實(shí)踐確立起來(lái)的。順便提一句，1748年，俄羅斯化學(xué)家羅蒙諾索夫也曾精確地測(cè)定了化學(xué)反應(yīng)前后的物質(zhì)變化，并且提出了這一定律，但是由于俄羅斯處于歐洲的邊緣，和歐洲其他國(guó)家沒(méi)有科學(xué)研究的交流，因此他的貢獻(xiàn)直到很晚才被歐洲廣泛得知。

近代化學(xué)之父拉瓦錫

正如牛頓建立了經(jīng)典物理學(xué)的體系一樣，拉瓦錫奠定了化學(xué)的基礎(chǔ)，他與同時(shí)代的科學(xué)家戴莫維、佛克羅伊一起編寫了《化學(xué)命名法》，并于1787年發(fā)表。在這本書中，他們制定了化學(xué)中物質(zhì)的命名原則和分類體系。在此之前，化學(xué)家們對(duì)同一種物質(zhì)說(shuō)法不一，相當(dāng)混亂。拉瓦錫等人指出每種物質(zhì)必須有一個(gè)固定名稱，單質(zhì)命名要盡可能表示其特性，而化合物的命名要盡可能反映出其組成成分，現(xiàn)在我們把鐵銹稱為氧化鐵，把普魯士藍(lán)稱為硫酸銅，就是這樣得名的?，F(xiàn)代化學(xué)課本中使用的各種酸、堿、鹽的名稱，遵循的都是拉瓦錫等人給出的命名法則。這種命名法則還很好地與物質(zhì)的分類相一致。為了科學(xué)地描述化學(xué)反應(yīng)，拉瓦錫發(fā)明了化學(xué)方程式。如果沒(méi)有化學(xué)方程式，我們今天描述化學(xué)反應(yīng)既不簡(jiǎn)潔也不清晰。

根據(jù)氧化說(shuō)和質(zhì)量守恒定律，1789年拉瓦錫發(fā)表了《化學(xué)基礎(chǔ)論》。他在這本學(xué)術(shù)專著中全面地闡述了自己的觀點(diǎn)，定義了“元素”的概念，并且對(duì)當(dāng)時(shí)已知的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行了分類。拉瓦錫總結(jié)出33種基本元素（盡管一些實(shí)際上是化合物而不是真正的單質(zhì)元素）以及由它們組成的常見(jiàn)化合物，這使得以前零碎混亂的化學(xué)知識(shí)變得系統(tǒng)而清晰。這本書除了理論部分外，還包括實(shí)驗(yàn)部分，在實(shí)驗(yàn)部分中，拉瓦錫強(qiáng)調(diào)了定量分析的重要性。最重要的是，拉瓦錫在這部書中通過(guò)氧化說(shuō)和質(zhì)量守恒定律的理論體系，成功而完整地揭示了很多實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這種簡(jiǎn)潔、自然而又可以解釋很多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的理論體系，完全有別于以前那些充滿煉金術(shù)術(shù)語(yǔ)的化學(xué)著作中的那種復(fù)雜而不清晰的解釋。很快，他的著述產(chǎn)生了轟動(dòng)效應(yīng)，雖然早期的一些化學(xué)家，包括普利斯特里堅(jiān)決抵制拉瓦錫的理論體系，但是年輕的化學(xué)家們卻非常歡迎。這部書被列為化學(xué)史上劃時(shí)代的作品。到1795年左右，歐洲大陸基本上都接受了拉瓦錫的理論。

拉瓦錫在化學(xué)發(fā)展史上建立了不朽功績(jī)。他在化學(xué)的研究過(guò)程中，再次確認(rèn)了科學(xué)方法的重要性。他一生強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)是認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)，他的治學(xué)原則是：“不靠猜想，而要根據(jù)事實(shí)”，“沒(méi)有充分的實(shí)驗(yàn)根據(jù)，從不推導(dǎo)嚴(yán)格的定律”。他在研究中大量地重復(fù)了前人的實(shí)驗(yàn)，一旦發(fā)現(xiàn)矛盾和問(wèn)題，就將它們作為自己研究的突破點(diǎn)。今天，很多科學(xué)研究都是由發(fā)現(xiàn)前人的問(wèn)題作為突破口來(lái)展開(kāi)的，這個(gè)方法是經(jīng)過(guò)拉瓦錫和很多科學(xué)家的實(shí)踐確立的。在實(shí)踐過(guò)程中，除了對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行超乎常人的細(xì)致觀察，拉瓦錫還堅(jiān)持運(yùn)用定量方法，通過(guò)數(shù)據(jù)確定或者推翻一些結(jié)論。對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，拉瓦錫強(qiáng)調(diào)要嚴(yán)格遵循合乎邏輯的步驟，才能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果予以正確解釋。

和所有的科學(xué)巨匠一樣，拉瓦錫善于對(duì)整個(gè)學(xué)科進(jìn)行分析綜合、提出新的學(xué)術(shù)思想，并且建立起學(xué)科體系。具體到化學(xué)研究，拉瓦錫善于發(fā)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)中各種物質(zhì)變化的相互聯(lián)系，然后透過(guò)現(xiàn)象看到本質(zhì)，因而他比同時(shí)代的化學(xué)家要看得遠(yuǎn)。后世評(píng)價(jià)拉瓦錫為近代化學(xué)之父，甚至認(rèn)為他之于化學(xué)，猶如牛頓之于物理學(xué)。