從“氧氣”到“氧”：從實(shí)物到概念

吳以義

編者按：從科學(xué)史的視角來探究科學(xué)的發(fā)生發(fā)展，不僅可以一窺科學(xué)歷程的全貌，還可以對(duì)科學(xué)概念的演進(jìn)、科學(xué)理論的興衰、科學(xué)思想的進(jìn)步、科學(xué)方法的完善以及科學(xué)文化的傳播作深入細(xì)致的考察。吳以義先生在海外學(xué)習(xí)研究科學(xué)史數(shù)十年，深諳其旨趣。他的工作主要集中在科學(xué)革命時(shí)代以及中國(guó)文化與西洋文化比較交流等方面，著有《從哥白尼到牛頓：日心學(xué)說的確立》《?？褪銎妫褐袊?guó)人眼中的維多利亞科學(xué)》等多本專著，立意、文筆俱佳。本刊醞釀多年的“科學(xué)史專欄”終于啟動(dòng)，給大家?guī)砹藚窍壬接憽把趸备拍畹拈_篇之作。本欄目會(huì)向更多科學(xué)史家約稿，讀者們可以在歷史的語境下更加立體地理解科學(xué)，欣賞科學(xué)。

瑞典化學(xué)家席勒（Carl Wilhelm Scheele，左）和英國(guó)化學(xué)家普利斯特列（Joseph Priestley，右）各自獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了氧氣，但均未能對(duì)燃燒現(xiàn)象作出正確的解釋

現(xiàn)在恐怕沒有什么人不知道氧氣，這個(gè)人人靠它活命的東西。但是，以前，僅僅大約 250年前，沒有人能說清楚這件事。的確，當(dāng)時(shí)人們就知道，我們要靠呼吸空氣才能活下來，但是“空氣”究竟是什么，對(duì)大部分人來說，真是簡(jiǎn)單得無法解釋了。對(duì)于學(xué)者來說，他們會(huì)告訴你，空氣是一種元素，這在亞里士多德時(shí)代就已經(jīng)清楚了。

另外一條線索是對(duì)于氣體的研究。但是這兒所說的“氣體”，gas，是佛來芒學(xué)者范赫爾蒙特從希臘語里找來的，意思是什么都沒有，空空如也。而我們呼吸的空氣，叫air，是另外一回事，和 gas 沒有什么直接的聯(lián)系。到了18世紀(jì)早期，大概因?yàn)楣I(yè)的興起，大家開始留意礦石，以及我們現(xiàn)在說的，它們的化學(xué)性質(zhì)：與酸的反應(yīng)，蒸餾，煅燒。另外，啤酒也成了一宗大買賣。釀造發(fā)酵過程中出現(xiàn)的氣體也引起了足夠的注意。于是“氣體化學(xué)”成了一門顯學(xué)。很多學(xué)者，如英國(guó)的黑爾斯，發(fā)明了不少后來在氣體研究中很有用的裝置，特別是用于排水集氣法的水槽和相關(guān)的設(shè)備。

從“燃素說”到“氧氣”的演進(jìn)

從時(shí)間順序上說，瑞典的一個(gè)藥店學(xué)徒席勒最先得到單純的氧氣。他當(dāng)時(shí)正在分析二氧化錳、硝酸鎂和氧化汞一類的化合物。大概在1771年，他把二氧化錳和硫酸一起加熱，得到一種氣體，他開始把這種氣體叫作“硫酸氣”。他后來又用“水銀的紅色沉淀物”在曲頸甑里加熱，同樣得到了“硫酸氣”。在1775年給他的一個(gè)朋友的信里，他還提到加熱汞、銀，還有別的金屬的“燒渣”都可以得到這種氣體。這種氣體無嗅無味，但會(huì)使火焰變得特別明亮，這使得席勒在1775年把它改稱作“火焰空氣”。

席勒認(rèn)為，“熱”實(shí)際上是“火焰空氣”和燃素的結(jié)合；在煅燒過程中，“熱”里面的燃素轉(zhuǎn)移到了水銀的燒渣之中，形成了金屬水銀，而多余的“火焰空氣”由此釋放出來。這兒說的燃素，是當(dāng)時(shí)學(xué)者想象中的、對(duì)物質(zhì)可燃性負(fù)責(zé)的要素，直到18世紀(jì)后期，一直是化學(xué)家解釋燃燒的一個(gè)基本概念。物質(zhì)之所以可燃，是因?yàn)橛腥妓匕挡仄渲?，而不可燃的金屬燒渣，則是完全失去了燃素的全無生命活力的灰燼。由此，燒渣是比金屬更基本、更純粹的單質(zhì)。

與席勒約略同時(shí)，英國(guó)人普利斯特列也在研究類似的課題。1774年8月，他通過一具放大鏡，聚焦太陽光加熱氧化汞，發(fā)現(xiàn)有氣體“很快地”從被加熱的固體中逃逸出來。他接著研究了這種氣體的性質(zhì)，最終確定它對(duì)人無害——豈止無害，他把幾只小鼠放到這種氣體中，小鼠好像活得更歡暢了。他自己大膽試吸了幾口，一時(shí)覺得通身舒泰，如同享受一種“奢侈品”。

普利斯特列從小在基督教“異議派”的環(huán)境中長(zhǎng)大。所謂“異議派”，是對(duì)于英國(guó)國(guó)教持異議的一個(gè)宗教派別。他們強(qiáng)調(diào)科學(xué)和常識(shí)在教義中應(yīng)有的獨(dú)特的地位，拒絕諸如三位一體和其他神秘色彩濃重的教義，提倡理性批判。從牛頓的自然哲學(xué)出發(fā)，普利斯特列斷定物質(zhì)的性質(zhì)必有特定的物質(zhì)對(duì)應(yīng)，如“熱”即對(duì)應(yīng)“熱素”，可燃性也自然有一種物質(zhì)本源與之應(yīng)，盡管還沒有從可燃物體中分離出來，但是其存在是合于理性的。普利斯特列從這樣的認(rèn)知基礎(chǔ)出發(fā)，與席勒一樣，對(duì)氧氣和燃燒做了以燃素為中心的解釋。

1774年10月，普利斯特列到訪巴黎。在一次晚宴上，他演示了從“紅色水銀燒渣”得到“去燃素空氣”的實(shí)驗(yàn)。法國(guó)人拉瓦錫在座，稍后，他在自己的實(shí)驗(yàn)室里重復(fù)了普氏的實(shí)驗(yàn)。這在當(dāng)時(shí)是一種普遍接受的做法，所不同的是，拉瓦錫不僅注意了所生成的氣體的性質(zhì)，而且計(jì)量了反應(yīng)物和生成物的重量。按燃素說，燃燒時(shí)燃素脫離金屬，金屬則變成了更加純粹的燒渣。但他注意到，燒渣竟比原來的金屬重，這顯然不能用“燃素逸出”來解釋，而只可能是金屬和空氣中的氧氣結(jié)合的結(jié)果。稍后，拉瓦錫以氧化概念為中心，解釋了燃燒和呼吸作用。

現(xiàn)代化學(xué)之父、法國(guó)著名化學(xué)家、生物學(xué)家拉瓦錫（Antoine-Laurent de Lavoisier）通過實(shí)驗(yàn)命名了氧氣（oxygen），建立了“氧化學(xué)說”，推翻了“燃素說”

“氧化”概念的形成

1770年代，三位化學(xué)家?guī)缀跬瑫r(shí)發(fā)現(xiàn)、研究了氧氣。優(yōu)先權(quán)的問題常引人注目，其實(shí)更重要的是他們所提示的探索途徑。席勒沒有受過系統(tǒng)教育，他的勵(lì)志故事常為人稱道，但他的研究成果和方法卻一開始就與流行的規(guī)范不合。從他的實(shí)驗(yàn)可以看出，他之發(fā)現(xiàn)氧氣，從本質(zhì)上說，尚非一種有目的的系統(tǒng)搜尋的結(jié)果。他的注意力，以及他以后的工作重心，常在這種新氣體的令人著迷的性質(zhì)方面。普利斯特列篤信唯一神教，崇尚理性不遺余力，堅(jiān)信性質(zhì)背后必有一種對(duì)其負(fù)責(zé)的實(shí)體，而在當(dāng)時(shí)，大多數(shù)人都先入為主地認(rèn)定這種特異的實(shí)體就是燃素。有鑒于此，普氏的注意力常在尋找這種其實(shí)不存在的東西，這在無形中限制了他的推理和想象力。粗略地說，在席勒眼里，重要的是性質(zhì)；在普利斯特列眼里，重要的是實(shí)物。拉瓦錫把注意力從特定物品的特殊性質(zhì)上轉(zhuǎn)移到燃燒的共同特征上，從研究的對(duì)象中發(fā)展出一種概念。在優(yōu)先權(quán)的爭(zhēng)論中，平心而論，拉瓦錫理虧。但他確實(shí)首先系統(tǒng)地引進(jìn)稱量方法，把重量作為化學(xué)研究中的一個(gè)要素，并利用這一概念說明了燃燒和呼吸的本質(zhì)。這就把“氧氣”這么一個(gè)具體的對(duì)象提升到了“氧化”這么一個(gè)抽象的概念，而這個(gè)概念在以后很長(zhǎng)的一段時(shí)間里在化學(xué)發(fā)展中一直占據(jù)著重要的位置，以元素、化合物和化學(xué)反應(yīng)為中心的近代化學(xué)研究體系就這樣漸漸形成了。