從煉金術到化學

文_吳軍

拉瓦錫

1794年，拉瓦錫被送上了斷頭臺。對于拉瓦錫之死，數(shù)學家拉格朗日痛心地說：“他們可以一眨眼就把他的頭砍下來，但他那樣的頭腦一百年也再長不出一個來了。”正如牛頓建立了經(jīng)典物理學的體系一樣，拉瓦錫奠定了化學的基礎，現(xiàn)代化學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。為了科學地描述化學反應，拉瓦錫還發(fā)明了化學方程式。如果沒有化學方程式，我們今天描述化學反應既不簡潔也不清晰。

煉金術士伯特格爾在研制瓷器

煉金術與定量分析

人類研究數(shù)學、物理學和天文學的歷史比研究化學要長很多。直到近代以前，世界上還只有煉金術，沒有化學。煉金術約有2500～3000年的歷史，而且橫跨了很多文明：美索不達米亞、古埃及、波斯、印度、中國、古希臘和羅馬，以及穆斯林文明和中世紀的歐洲。而在不同文明中，煉金術的定位也不同，在中國是以制造萬靈藥和長生不老藥為目的，因此也叫煉丹術。在西方世界，煉金術的目的是將廉價的金屬變成貴重的黃金。無論是為了長生不老，還是為了錢財，煉金術背后都有巨大的利益驅動，因此雖然從來沒有成功過，術士們仍為此一代代前仆后繼。今天，我們學過化學，明白術士們的方法是行不通的，但是在19世紀之前，煉金術尚未被任何科學的證據(jù)否定，一些著名的科學家包括牛頓都嘗試過煉金術，并樂此不疲。

雖然勞民傷財且失敗不斷，煉金術也并非完全徒勞無功。在中國，它催生了火藥的發(fā)明；而在西方，通過煉金術，人們找到了各種各樣的礦物質，積累了化學實驗的經(jīng)驗和實驗方法，并且發(fā)明了許多實驗設備。阿肯色大學的歷史學家羅伯特·芬雷認為，發(fā)明瓷器的煉金術士伯特格爾的實驗室可以算是歷史上第一個研發(fā)機構。毫無疑問，煉金術為日后的化學發(fā)展奠定了基礎。

在從煉金術到化學的轉變過程中，科學的方法起了關鍵作用。今天大多數(shù)中學生可能對物理和化學實驗都頗有興趣，但是對寫實驗報告恐怕就沒那么認真了，記錄實驗結果時常常隨便找張紙潦草地寫幾個數(shù)據(jù)了事，更有甚者可能過分相信自己的大腦，記在腦子里回家再整理成實驗報告。至于是否真能記住所有實驗結果的細節(jié)，我表示懷疑。一旦養(yǎng)成不做記錄的習慣，就很難改，這么做實驗無法很好地積累經(jīng)驗，后人只好重復前人的錯誤。

但是，歐洲的煉金術士卻有意無意地采用了科學的方法。首先他們對自己做過的實驗都有詳細的實驗記錄，當然為了保密，他們可能會采用密文來做記錄。這些實驗記錄，至今還保留在很多國家的檔案館里。

煉金術士的另一個貢獻，就是定量分析這種實驗的結果，量杯、天平、比重計和各種簡單的測量工具被用于他們的實驗，有了這些定量的記錄和分析，后人便可以重復前人的實驗結果。這一點成為了后世人們進行科學研究的一個基本方法。要想在前人的基礎上改進，第一步都是要重復前人的實驗結果。

定量分析帶來的另一個結果就是，在科學上從尊重權威變成尊重事實。沒有定量的衡量，很多論點和結論是不可比的，人們只好相信權威。在中世紀，人們喜歡說，亞里士多德是這么說的，或者托勒密是這么說的。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)自己的觀察或做實驗的結果，因為定量的結果很容易比出好壞對錯。笛卡爾就非常強調：是事實而不是權威，才是驗證一個結論正確與否的前提。

當然，從煉金術過渡到化學是一個漫長的過程。但是，當人類對物質和物質變化的知識積累到一定的程度時，量變就開始產(chǎn)生質變。到了18世紀，歐洲出了第一位今天被我們稱作世界著名化學家的人——安托萬·拉瓦錫。

拉瓦錫在做實驗

氧化說與質量守恒定律

與大部分煉金術士不同的是，拉瓦錫研究煉金術不是為了追求財富，而是為了尋找物質變化的規(guī)律。拉瓦錫是法國波旁王朝末期的貴族，從來不缺錢。他在做化學實驗的同時，還是王朝的一位包稅官，雖然他從來沒有為自己撈過錢，但是這種身份卻成了他的死因。

拉瓦錫的主要貢獻之一是發(fā)現(xiàn)了氧氣，并且提出了氧氣助燃的學說。在此之前，學術界流行著“燃素說”，即物質之所以燃燒，是因為其中具有所謂的“燃素”，燃燒的過程就是物質釋放燃素的過程。1774年10月，英國化學家普利斯特里向拉瓦錫介紹了自己的實驗：氧化汞加熱時，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。拉瓦錫重復了普利斯特里的實驗，得到了相同的結果。這對拉瓦錫研究燃燒的原理給予了啟發(fā)：如果燃燒是因為物質中的燃素造成的，那么燃燒之后，灰燼的質量應該減少，而事實上，燃燒的生成物質量是增加的，這說明一定有新的東西加入到了燃燒的產(chǎn)物中。

他在實驗中有一個信條：“必須用天平進行精確測定來確定真理。”正是依靠嚴格測量反應物前后的質量，他才確認了在燃燒的過程中，有一種氣體加入了進來，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，就是我們今天所說的氧氣。隨后拉瓦錫向巴黎科學院提交了一篇報告《燃燒概論》，用氧化說闡明了燃燒的原理。他在報告里闡述了氧氣的作用，即首先必須有氧氣存在，物質才會燃燒。空氣中包含有氧氣和另一種氣體，物質在空氣中燃燒時，會吸收空氣中的氧氣，因此燃燒生成物的質量增加，而增加部分就是它所吸收氧氣的質量。在研究燃燒的過程中，拉瓦錫確定了精確的定量實驗和分析在自然科學研究上的重要性。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。拉瓦錫的氧化說徹底推翻了以前沒有根據(jù)的燃素說。

拉瓦錫的另一項重要貢獻在于通過實驗證實了在科學史上極其重要的質量守恒定律。這個定律并不是他的獨創(chuàng)，在拉瓦錫之前很多自然哲學家與化學家都有過類似觀點，但是由于對實驗前后質量測定的不準確，這一觀點無法讓人信服。拉瓦錫通過精確的定量實驗，證明物質雖然在一系列化學反應中改變了狀態(tài)，但參與反應的物質的總量在反應前后都是相同的。由于有了量化度量的基礎，拉瓦錫用準確的語言闡明了這個原理及其在化學中的運用。質量守恒定律奠定了化學發(fā)展的基礎，我們今天學習化學，都知道化學反應的方程式兩邊需要平衡，這一切來自質量守恒定律。

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

近代化學之父拉瓦錫

正如牛頓建立了經(jīng)典物理學的體系一樣，拉瓦錫奠定了化學的基礎，他與同時代的科學家戴莫維、佛克羅伊一起編寫了《化學命名法》，并于1787年發(fā)表。在這本書中，他們制定了化學中物質的命名原則和分類體系。在此之前，化學家們對同一種物質說法不一，相當混亂。拉瓦錫等人指出每種物質必須有一個固定名稱，單質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，把普魯士藍稱為硫酸銅，就是這樣得名的?，F(xiàn)代化學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的分類相一致。為了科學地描述化學反應，拉瓦錫發(fā)明了化學方程式。如果沒有化學方程式，我們今天描述化學反應既不簡潔也不清晰。

根據(jù)氧化說和質量守恒定律，1789年拉瓦錫發(fā)表了《化學基礎論》。他在這本學術專著中全面地闡述了自己的觀點，定義了“元素”的概念，并且對當時已知的化學物質進行了分類。拉瓦錫總結出33種基本元素（盡管一些實際上是化合物而不是真正的單質元素）以及由它們組成的常見化合物，這使得以前零碎混亂的化學知識變得系統(tǒng)而清晰。這本書除了理論部分外，還包括實驗部分，在實驗部分中，拉瓦錫強調了定量分析的重要性。最重要的是，拉瓦錫在這部書中通過氧化說和質量守恒定律的理論體系，成功而完整地揭示了很多實驗結果。這種簡潔、自然而又可以解釋很多實驗現(xiàn)象的理論體系，完全有別于以前那些充滿煉金術術語的化學著作中的那種復雜而不清晰的解釋。很快，他的著述產(chǎn)生了轟動效應，雖然早期的一些化學家，包括普利斯特里堅決抵制拉瓦錫的理論體系，但是年輕的化學家們卻非常歡迎。這部書被列為化學史上劃時代的作品。到1795年左右，歐洲大陸基本上都接受了拉瓦錫的理論。

拉瓦錫在化學發(fā)展史上建立了不朽功績。他在化學的研究過程中，再次確認了科學方法的重要性。他一生強調實驗是認識的基礎，他的治學原則是：“不靠猜想，而要根據(jù)事實”，“沒有充分的實驗根據(jù)，從不推導嚴格的定律”。他在研究中大量地重復了前人的實驗，一旦發(fā)現(xiàn)矛盾和問題，就將它們作為自己研究的突破點。今天，很多科學研究都是由發(fā)現(xiàn)前人的問題作為突破口來展開的，這個方法是經(jīng)過拉瓦錫和很多科學家的實踐確立的。在實踐過程中，除了對實驗現(xiàn)象進行超乎常人的細致觀察，拉瓦錫還堅持運用定量方法，通過數(shù)據(jù)確定或者推翻一些結論。對于實驗結果的分析，拉瓦錫強調要嚴格遵循合乎邏輯的步驟，才能對實驗結果予以正確解釋。

和所有的科學巨匠一樣，拉瓦錫善于對整個學科進行分析綜合、提出新的學術思想，并且建立起學科體系。具體到化學研究，拉瓦錫善于發(fā)現(xiàn)化學反應中各種物質變化的相互聯(lián)系，然后透過現(xiàn)象看到本質，因而他比同時代的化學家要看得遠。后世評價拉瓦錫為近代化學之父，甚至認為他之于化學，猶如牛頓之于物理學。