“20天實(shí)驗(yàn)”為何能成為化學(xué)史上的經(jīng)典

耿雁冰

著名的“20天實(shí)驗(yàn)”是法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫與妻子共同完成的一項(xiàng)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，在眾多的化學(xué)啟蒙讀物以及九年級(jí)化學(xué)教材中均有介紹。美國(guó)期刊Chemical&EngineeringNews曾邀請(qǐng)化學(xué)家與歷史學(xué)家共同票選出最美麗的十大化學(xué)實(shí)驗(yàn)，此實(shí)驗(yàn)高票當(dāng)選。

化學(xué)史上的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)何其多，為什么“20天實(shí)驗(yàn)”能被選入教材？它的經(jīng)典，到底體現(xiàn)在什么地方呢？

“20天實(shí)驗(yàn)”做了啥

1774年11月的一天，拉瓦錫夫婦在一個(gè)曲頸甑內(nèi)裝了水銀，瓶頸通過(guò)一個(gè)水銀槽與外面的一個(gè)鐘形玻璃罩相通，玻璃罩內(nèi)是空氣。拉瓦錫夫婦日夜不停地給曲頸瓶加熱，水銀表面上很快就出現(xiàn)了紅色的粉末，隨著加熱，紅色粉末越來(lái)越多。到了第12天，紅色粉末不再增多了，但他們繼續(xù)加熱，一直到第20天，紅色粉末仍不增多，才結(jié)束了實(shí)驗(yàn)。

由于實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了20天，這個(gè)馬拉松式的漫長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)就成為化學(xué)史上著名的“20天實(shí)驗(yàn)”。利用這一實(shí)驗(yàn)，拉瓦錫解開(kāi)了空氣組成之謎，也解釋了燃燒的本質(zhì)。

為何會(huì)被選入教材

這個(gè)實(shí)驗(yàn)之所以被選入教材，不僅因?yàn)榭諝馐腔瘜W(xué)啟蒙階段必不可少的重要化學(xué)物質(zhì)體系，也不僅因?yàn)榭諝獾慕M成已經(jīng)成為人們普遍具有的基本常識(shí)，更因?yàn)檫@個(gè)實(shí)驗(yàn)充分體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科的特點(diǎn)，在化學(xué)研究的思想與方法上具有豐富的內(nèi)涵。

第一，反應(yīng)物的選擇。為什么選擇汞（水銀）來(lái)做這個(gè)實(shí)驗(yàn)？因?yàn)榭諝馐且粋€(gè)由多種氣體組成的混合物，要測(cè)定其中氧氣的體積分?jǐn)?shù)，最佳選擇應(yīng)當(dāng)是挑選出一種只和氧氣起反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)，并且反應(yīng)產(chǎn)物容易分離?？梢院脱鯕庵苯幼饔玫奈镔|(zhì)有很多，那時(shí)候的化學(xué)家已經(jīng)知道能與氧氣（當(dāng)時(shí)不叫氧氣）反應(yīng)的有磷、硫等多種物質(zhì)，現(xiàn)在中學(xué)化學(xué)涉及的也有很多，如大多數(shù)金屬、氫氣、磷和硫等非金屬以及許多有機(jī)物。但是，只和氧氣反應(yīng)而且產(chǎn)物不溶或部分溶解的可選對(duì)象并不多。拉瓦錫所選用的汞，應(yīng)是上上之選。首先，汞在常溫下呈液態(tài)，所以除了用作反應(yīng)物，還可以通過(guò)連通器直接用于測(cè)量反應(yīng)器（曲頸甑）內(nèi)空間體積的變化；其次，汞的沸點(diǎn)為356.72℃，在持續(xù)加熱下，汞源源不斷地汽化，大量的汞原子和空氣中的氧分子得以充分反應(yīng)，可以將容器內(nèi)的氧氣完全反應(yīng)掉；最后，反應(yīng)生成的氧化汞在這個(gè)溫度下呈固態(tài)，且不溶于汞。氧化汞的密度為11.14g/cm3，汞的密度為13.59g/cm3，氧化汞的密度低于液態(tài)汞，所以浮在汞的液面上，很容易分離。氧化汞在500℃左右可以分解，同一曲頸甑即可完成它的分解，使分解后得到的氣體產(chǎn)物回到留有剩余氣體的空間后，可以發(fā)現(xiàn)原來(lái)減少的氣體是否和汞結(jié)合在氧化汞中了。

第二，方法的選擇。我們可以把整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)化為化合、分解、“還原”，即汞和空氣中的氧氣化合，氧化汞又分解產(chǎn)生了氧氣，將分解產(chǎn)生的氧氣與化合后剩下的氮?dú)饣旌稀斑€原”為“原來(lái)”的空氣。拉瓦錫證明了“還原”后的氣體，其性質(zhì)和原來(lái)放置在曲頸甑中的空氣完全相同。從中可以看出這個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的完美，空氣試樣的“還原”是對(duì)汞的氧化源于它和空氣中氧氣間的反應(yīng)的結(jié)論，幾乎無(wú)懈可擊。這一方法對(duì)后來(lái)研究水的組成不無(wú)啟示：10年之后，卡文迪許用氫氣與氧氣化合生成水；再后來(lái)，尼克爾森電解水，得到氫氣與氧氣。這些化學(xué)實(shí)驗(yàn)讓科學(xué)家認(rèn)識(shí)到水不是一種元素。

入選教材后又為何做了改動(dòng)

考慮到反應(yīng)時(shí)間、環(huán)保等實(shí)際問(wèn)題（汞有毒），實(shí)驗(yàn)入選教材后，又做了部分改動(dòng)。這個(gè)改動(dòng)蘊(yùn)含了一個(gè)很重要的化學(xué)研究方法——轉(zhuǎn)化法。

如左圖所示，左側(cè)集氣瓶中的氧氣與點(diǎn)燃的紅磷會(huì)發(fā)生反應(yīng)，但是肉眼無(wú)法看出空氣體積的減少。此時(shí)，就需要將不明顯的反應(yīng)現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為其他明顯的現(xiàn)象來(lái)觀察。在此實(shí)驗(yàn)中，集氣瓶中由于氧氣減少而造成瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)減小，右側(cè)燒杯中的水就會(huì)進(jìn)入集氣瓶中，約占集氣瓶體積的1/5，同學(xué)們可以通過(guò)進(jìn)入瓶中的水的體積知道減少的氣體的體積。

轉(zhuǎn)化法是化學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用的方法，在很多實(shí)驗(yàn)中都可以應(yīng)用。例如，酸堿溶液中和反應(yīng)現(xiàn)象不明顯，我們可以通過(guò)指示劑的變色來(lái)判斷反應(yīng)是否發(fā)生。

實(shí)驗(yàn)給我們帶來(lái)哪些啟示

1773年，瑞典化學(xué)家舍勒在加熱氧化汞和其他含氧酸鹽的時(shí)候，意外發(fā)現(xiàn)了一種能夠支持燃燒的氣體，他把這種氣體命名為“火氣”，并給拉瓦錫寫(xiě)信（據(jù)說(shuō)拉瓦錫夫人像漏斗一樣把消息濾掉了）。之后，舍勒寫(xiě)出《論空氣和火的化學(xué)》一書(shū)。但由于出版商的延誤，此書(shū)在1777年才出版。1774年，英國(guó)化學(xué)家普利斯特里用一個(gè)大凸透鏡將太陽(yáng)光聚焦后加熱氧化汞，制得純氧，發(fā)現(xiàn)它能助燃和幫助呼吸，于是稱(chēng)之為“脫燃素空氣”，并寫(xiě)入《論各種不同的氣體》一書(shū)發(fā)表。在訪問(wèn)歐洲大陸時(shí)，普利斯特里在宴會(huì)上把這一發(fā)現(xiàn)告訴了拉瓦錫。隨后，拉瓦錫經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)氧是一種元素。他提出了燃燒的氧化學(xué)說(shuō)，發(fā)表《燃燒概論》，推翻了燃素說(shuō)，發(fā)起了化學(xué)史上一次著名的革命。

由此看出，科學(xué)的進(jìn)步并不是僅僅依靠個(gè)別人就可以完全實(shí)現(xiàn)的，偉大的科學(xué)家牛頓說(shuō)：“如果說(shuō)我比別人看得更遠(yuǎn)些，那是因?yàn)槲艺驹诹司奕说募缟??！边@句話很好地詮釋了科學(xué)的偉大發(fā)現(xiàn)首先在于一代又一代科學(xué)家的努力與傳承，在此基礎(chǔ)上才可能實(shí)現(xiàn)發(fā)展與超越。

關(guān)于三人中誰(shuí)最先發(fā)現(xiàn)了氧氣，歷來(lái)眾說(shuō)紛紜，莫衷一是。如果僅從制備氧氣這一角度而言，舍勒無(wú)疑是第一名，盡管著作發(fā)表得比較晚，但這一事實(shí)是公認(rèn)的。然而，發(fā)現(xiàn)僅僅是開(kāi)創(chuàng)的第一步，“見(jiàn)微”固然重要，更重要的還是“知著”。

在生物學(xué)上，拉馬克很早就提出了生物進(jìn)化學(xué)說(shuō)，作出“有機(jī)界是自然規(guī)律作用下緩慢演變的結(jié)果”的精辟論斷，然而他被“活力論”局限住了，停留在“用進(jìn)廢退”的觀點(diǎn)上；達(dá)爾文則因提出自然選擇的正確解釋?zhuān)蔀檫M(jìn)化論的奠基人。無(wú)獨(dú)有偶，物理學(xué)家洛倫茲根據(jù)邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)得出的光速不變結(jié)果，建立了超越伽利略變換的洛倫茲變換，這距離發(fā)現(xiàn)狹義相對(duì)論已經(jīng)近在咫尺，但他依然沒(méi)有膽量質(zhì)疑牛頓，而與相對(duì)論失之交臂；愛(ài)因斯坦則提出相對(duì)性原理，開(kāi)創(chuàng)了物理學(xué)的新紀(jì)元?？梢?jiàn)，“見(jiàn)微”僅僅是注意到了表象，“知著”則是對(duì)本質(zhì)的正確把握。

拉馬克的進(jìn)化論具有主觀唯心色彩，洛倫茲拘囿于經(jīng)典力學(xué)不敢突破，舍勒和普利斯特里則是將他們的發(fā)現(xiàn)置于燃素說(shuō)的框架內(nèi)，“當(dāng)真理碰到鼻尖上的時(shí)候，還是沒(méi)有得到真理”。因此，恩格斯說(shuō)“拉瓦錫是真正發(fā)現(xiàn)氧氣的人”是有道理的。恩格斯在《資本論》第二卷的《序言》中，很中肯地評(píng)價(jià)了這一段化學(xué)史：“當(dāng)時(shí)在巴黎的普利斯特里……把他的發(fā)現(xiàn)告訴了拉瓦錫，拉瓦錫就根據(jù)這個(gè)新事實(shí)研究了整個(gè)燃素說(shuō)化學(xué)，方才發(fā)現(xiàn)：這種新氣體是一種新的化學(xué)元素；在燃燒的時(shí)候，并不是神秘的燃素從燃燒物體中分離出來(lái)，而是這種新元素與燃燒物體化合。這樣，他才使過(guò)去在燃素說(shuō)形式上倒立著的全部化學(xué)正立過(guò)來(lái)了。即使不是像拉瓦錫后來(lái)硬說(shuō)的那樣，他與其他兩人（普利斯特里和舍勒）同時(shí)和不依賴他們而析出了氧氣，然而真正發(fā)現(xiàn)氧氣的還是他，而不是那兩個(gè)人，因?yàn)樗麄冎皇俏龀隽搜鯕?，但甚至不知道自己所析出的是什么?！?/p>

由此可見(jiàn)，對(duì)于一名科學(xué)家來(lái)說(shuō)，敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新是多么重要的科學(xué)精神！