拉瓦錫發(fā)現(xiàn)的氫氣

圖 拉瓦錫是現(xiàn)代化學之父。
 

在1789年的著名研究文章 “Traité Élémentaire de Chimie”中，拉瓦錫根據(jù)這種氣體和氧氣結(jié)合形成水的特征，用希臘文字 hydro(水)和gene(制造)對這種氣體進行了命名，hydrogène意思就是制造水的元素。

圖 安托萬-洛朗·德·拉瓦錫Antoine Laurent Lavoisier (1743–1794).
 

拉瓦錫是法國化學家、生物學家，近代化學之父。他使化學從定性轉(zhuǎn)為定量，給出了氧與氫的命名，并且預測了硅的存在。他幫助建立了公制。拉瓦錫提出了“元素”的定義，按照這定義，于1789年發(fā)表第一個現(xiàn)代化學元素列表，列出33種元素，其中包括光與熱和一些當時被認為是元素的化合物。拉瓦錫的貢獻促使18世紀的化學更加數(shù)學化。他提出規(guī)范的化學命名法，撰寫了第一部真正現(xiàn)代化學教科書《化學基本論述》(Traité élémentaire de Chimie)。他倡導并改進定量分析方法并用其驗證了質(zhì)量守恒定律。他創(chuàng)立氧化說以解釋燃燒等實驗現(xiàn)象，指出動物的呼吸實質(zhì)上是緩慢氧化。這些劃時代貢獻使得他成為歷史上最偉大的化學家。拉瓦錫不幸在法國大革命中被送上斷頭臺而死。
 

氫的英文單詞是hydrogen，其含義是水的元素，今天我們知道水是氫氧兩種元素組成的。這已經(jīng)是生活常識，但在200年前18世紀末，這是人類歷史上最偉大的科學發(fā)現(xiàn)，是法國著名科學家，被譽為現(xiàn)代化學之父的安托萬拉瓦錫首次用實驗方法確定了氫是一種元素，并根據(jù)希臘文造gene水hydro元素命名為hydrogene(圖)。拉瓦錫關(guān)于氫氣氧氣燃燒產(chǎn)生水的重要發(fā)現(xiàn)，徹底否定了燃素學說，然素學說是關(guān)于燃燒本質(zhì)在歐洲流行的主流學說。燃燒理論認為，可燃物質(zhì)包含燃素，這是一種沒有重量和也無法看到物質(zhì)。燃燒時燃素離開可燃物，留下無法燃燒的灰燼。1766年，英國大科學家亨利卡文迪什發(fā)現(xiàn)一種可燃燒氣體，這種氣體比空氣輕，提示這種氣體可能是燃素。這種可燃燒氣體后來被證明是氫氣，卡文迪什研究發(fā)現(xiàn)氫氣可和另外一種空氣內(nèi)氣體發(fā)生燃燒反應，空氣中的這種氣體當時被命名為生命氣體(living gas氧氣)，兩種氣體反應產(chǎn)生的物質(zhì)是水。
 

由于癡迷于燃素理論，卡文迪什沒有意識到這種可燃燒的氣體是一種元素，與重大發(fā)現(xiàn)失之交臂。
 

和卡文迪什不同，拉瓦錫堅持重視證據(jù)，不拘泥于傳統(tǒng)理論，這讓他取得了突破。1789年拉瓦錫出版了他的杰作，也是真正的現(xiàn)代化學教科書《化學基本論述》“Traite Élémentaire de Chimie”。在這部書的前言部分，拉瓦錫寫了他的名言“We only need to progress from learning what is known to what is unknown. The strict rule that I follow is never to form any conclusions which are not fully warranted by experiment, nor to provide any additional information in the absence of facts”。 (我們只需要從掌握已知學習到未知。我遵循的嚴格原則是，絕不要得出任何未經(jīng)實驗充分證實的結(jié)論，也不要在沒有事實依據(jù)的情況下提供任何補充信息。)
 

正是基于這種實驗科學精神，從大量實驗的結(jié)果中，他獲得了以前沒有預測到的知識，其中最重要的發(fā)現(xiàn)之一是化學反應前后質(zhì)量保持不變的規(guī)律。
 

進行水相關(guān)的實驗中，拉瓦錫發(fā)現(xiàn)水蒸汽流過燒紅的鐵粉可增加其重量，并產(chǎn)生一種輕的氣體。他認為鐵粉重量增加和在空氣中燃燒后重量增加一樣，他計算出水中含有85%的氧15%的氫。他將氫氣和氧氣按照84:16質(zhì)量比混合，點燃后產(chǎn)生水。根據(jù)我們今天的知識，氫氧混合比例是2:1，質(zhì)量比是8:1。但是在當時技術(shù)條件下準確測定氫氣密度是非常困難，拉瓦錫的實驗是非常精準的了。根據(jù)這些結(jié)果，氫被拉瓦錫確定為一種元素。他的貢獻不止于此，例如他發(fā)現(xiàn)木炭燃燒是和氧氣反應，能產(chǎn)生一種氣體(二氧化碳)。他還發(fā)現(xiàn)，人呼出的空氣中，氧氣減少，二氧化碳增加。熱量計被發(fā)明后，這些發(fā)現(xiàn)進一步被確認，并建立了運動、熱量、呼吸和消化等生理功能之間的相互關(guān)系。這些發(fā)現(xiàn)延伸出生理學新領(lǐng)域。多年后拉瓦錫對自己關(guān)于植物和動物的未完成研究寫了一個短文。他提出，植物從土壤、空氣和水中提取必需物質(zhì)合成生命物質(zhì)，動物則吃植物或另外吃植物的動物維持自身物質(zhì)需求。因此組成動物身體的物質(zhì)也源于空氣和土壤，動物植物死亡后，發(fā)酵、腐爛和燃燒將從把這些借來元素還給大地。
 

大自然以何種方式管理動物、植物和大地這三個王國之間的奇妙循環(huán)?自然界是如何用沒有這些特性的原料制造成可燃、可發(fā)酵和易腐爛的物質(zhì)呢?到目前為止，這些仍是一個深不可測的謎。當然，燃燒和腐爛是將植物和動物成分返還土壤的方法，產(chǎn)生植物動物成分的過程應該是燃燒和腐爛的逆過程。
 

拉瓦錫開創(chuàng)的現(xiàn)代化學從此得到了長足的發(fā)展。隨后，生物化學這門研究支持生命活動的各種生物物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和作用的學科，逐漸成為了一個巨大領(lǐng)域，并正在繼續(xù)發(fā)展。拉瓦錫因參與收稅而受到革命者的審判，于1794年5月8日被判處死刑和上斷頭臺。拉瓦錫死時只有50歲，他的死是人類科學歷史上的一次災難。他的朋友數(shù)學家約瑟夫·路易斯·拉格朗日說，“他們只花了一瞬間就砍下了他的頭，但是一百年也不可能復制出這樣的東西來。”