氣體化學(xué)（上）
1.燃素說(shuō)的理論危機(jī)

從貝歇爾最初提出的燃素說(shuō)的1669年起，燃素說(shuō)在歐洲化學(xué)界前后風(fēng)行了一個(gè)多世紀(jì)。

根據(jù)燃素說(shuō)的解釋，燃素是一種基質(zhì)，但這種基質(zhì)卻具有變幻莫測(cè)的性質(zhì)：它有時(shí)是火質(zhì)，有時(shí)是土質(zhì)，有時(shí)是油質(zhì)，有時(shí)是光質(zhì)，有時(shí)是熱質(zhì)。它充塞于天地萬(wàn)物之間，流動(dòng)于雷電風(fēng)云之中。但無(wú)論是在動(dòng)物體或植物體中，還是在礦物體或其他物體中，它在本質(zhì)上是一樣的。一方面，它是組織這些物質(zhì)的一種基質(zhì)；另一方面，它又是這些物質(zhì)的物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)的質(zhì)動(dòng)因。物質(zhì)失去它就變成灰燼，而灰燼得到它就會(huì)新生?？傊诋?dāng)時(shí)一些化學(xué)家的心目中，燃素是無(wú)所不在、無(wú)所不能的超級(jí)基質(zhì)。

根據(jù)燃燒說(shuō)對(duì)燃燒現(xiàn)象所作的理論解釋，一切與燃燒有關(guān)的化學(xué)變化都可歸結(jié)為物體吸收燃素與釋放燃素的過(guò)程，但在解釋一種與燃素有關(guān)的化學(xué)現(xiàn)象時(shí)，燃素說(shuō)始終無(wú)法自圓其說(shuō)。這種與燃素有關(guān)的重要化學(xué)現(xiàn)象就是金屬的煅燒現(xiàn)象。

燃燒說(shuō)認(rèn)為，物體燃燒的過(guò)程是物體釋放燃素的過(guò)程，物體燃燒，燃素釋放出去了，燃燒物體變成了灰燼。因?yàn)槿妓乇会尫懦鋈チ耍晕矬w的灰燼也就比物體本身輕得多。對(duì)于諸如木炭之類的植物體的燃燒，燃素說(shuō)是乎能得到一種似是而非的解釋?？墒牵瑯邮俏矬w的燃燒，為什么金屬被燃燒后，它的灰燼不但不比原來(lái)的金屬物體輕，反而比原來(lái)的金屬物體重呢？

對(duì)于金屬燃素(煅燒）后增加重量的事實(shí)，當(dāng)時(shí)一些持燃素論立場(chǎng)的化學(xué)家頗感困惑，為了使燃素論能自圓其說(shuō)，法國(guó)化學(xué)家文耐爾(1723-1775年）竟別出心裁地解釋：燃素有時(shí)具有為地心引力所吸引的向下的重量，他把這種向下的重量稱為"正重量"，有時(shí)具有與地心引力相反的"向上的重量"，他把這種"向上的重量"稱為"負(fù)重量"。由于金屬燃素具有"負(fù)重量"的性質(zhì)，所以當(dāng)金屬燃燒而釋放出燃素時(shí)，它的重量就不但沒(méi)有減輕，反而增加了。一種基質(zhì)，既具有向下的正重量，又具有向上的負(fù)重量，這很令人費(fèi)解，于是，有些人費(fèi)盡心思找到了這樣一個(gè)比喻：金屬失去燃素，好比人死時(shí)失去靈魂。失去靈魂的死人不是比含有靈魂的人重嗎？由此可見(jiàn)，燃燒后的死金屬要比活金屬重。這樣，就使燃素不僅成為一種無(wú)所不在的基質(zhì)，而且成了一種神秘莫測(cè)的幽靈。由于燃素說(shuō)在解釋金屬煅燒時(shí)所遇到的無(wú)法克服的理論困難，它所編織出來(lái)的理論幻景正在消逝，理論化學(xué)已處于一場(chǎng)新的危機(jī)之中。

把燃素說(shuō)進(jìn)一步推向理論危機(jī)的動(dòng)因，是18世紀(jì)初氣體化學(xué)的初步發(fā)展。

2.布萊克

到18世紀(jì)初，氣體化學(xué)有了初步發(fā)展，特別是對(duì)于碳酸氣的發(fā)現(xiàn)與研究，可以說(shuō)是18世紀(jì)氣體化學(xué)發(fā)展的先導(dǎo)。第一個(gè)重新發(fā)現(xiàn)并深入研究碳酸氣的是英國(guó)化學(xué)家布萊克(1728-1799年）。

1746年，18歲的布萊克考入格拉斯哥大學(xué)學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)，在學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)之際，他同時(shí)致力于化學(xué)研究，1750年，在他移居愛(ài)丁堡的同年，由于醫(yī)學(xué)研究的需要，布萊克即開(kāi)始進(jìn)行酸類與堿類物質(zhì)的研究。1754年，他寫出了他的博士論文《論胃中食物產(chǎn)生的酸，兼論白氧鎂》，第二年，他把這篇論文擴(kuò)充為專著，并在愛(ài)丁堡學(xué)會(huì)上宣讀了這一著作，1756年，該書以《關(guān)于鎂石、石灰石和其他堿類物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)》的書名出版，在這一著作中，他記述了發(fā)現(xiàn)碳酸氣的過(guò)程，并對(duì)這種氣體的性質(zhì)進(jìn)行了初步的分析。

在一次實(shí)驗(yàn)中，他發(fā)現(xiàn)，把石灰石加熱，除了制得石灰之外，還可以制取一種氣體，他把這種氣體叫作"固定空氣"，并用定量分析的方法對(duì)這種氣體的性質(zhì)進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，石灰石經(jīng)過(guò)煅燒后減少重量44％，他認(rèn)為，這正是"固定空氣"被從中釋放出來(lái)的緣故。與此同時(shí)，他也用鎂石(碳酸鎂）作過(guò)類似的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鎂石也含有"固定空氣"。他還發(fā)現(xiàn)，碳酸鎂(鎂石）與氧化鎂(鎂土）的區(qū)別，僅僅在于"固定空氣"的得失，碳酸鎂失去"固定空氣"即為氧化鎂；而氧化鎂得到"固定空氣"即為碳酸鎂。

布萊克還用其他許多方法制取過(guò)"固定空氣"，并認(rèn)識(shí)到在呼吸、發(fā)酵、木炭燃燒中也能產(chǎn)生這種氣體，而空氣本身就含有少量的"固體空氣"。在制取"固體空氣"的基礎(chǔ)上，布萊克對(duì)這種氣體的性質(zhì)進(jìn)行了多方面的研究。他發(fā)現(xiàn)，這種氣體能為苛性堿所吸收；能使燃燒的蠟燭熄滅；能使動(dòng)物窒息以至死亡。在當(dāng)時(shí)，"窒素"曾是一個(gè)與"燃素"對(duì)立的概念，布萊克的發(fā)現(xiàn)從根本上揭開(kāi)了"窒素"的秘密，原來(lái)"窒素"并不是一種與"燃素"對(duì)立的基質(zhì)，而是一種特殊的氣體。

通過(guò)對(duì)"固定空氣"的深入研究，布萊克進(jìn)一步指出，石灰石在煅燒后失重并轉(zhuǎn)變?yōu)榭列允?，正是由于失去酸性?固定空氣"，而這種"固定空氣"本身并不是"燃素"，而恰好是"窒素"。他的這些實(shí)驗(yàn)與理論，一方面使燃素說(shuō)進(jìn)一步陷入了嚴(yán)重的理論危機(jī)中；另一方面，也為后來(lái)推翻燃素說(shuō)提供了重要的實(shí)驗(yàn)根據(jù)與理論啟示。

3.卡文迪許

繼布萊克之后為證實(shí)燃素說(shuō)而進(jìn)行氣體化學(xué)研究的，是英國(guó)化學(xué)家卡文迪許(1731-1810年），他是一個(gè)公爵的后代。富裕的條件使得他終生都得以進(jìn)行專注的研究。

他在氣體化學(xué)方面的第一個(gè)重要貢獻(xiàn)，是創(chuàng)用汞槽法制取純凈的二氧化碳，并測(cè)定了二氧化碳的比重和溶解度，證明了用實(shí)踐方法制取的二氧化碳，與動(dòng)物呼出二氧化碳和木炭燃燒時(shí)產(chǎn)生的二氧化碳完全相同，同時(shí)，他還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空氣中含有九分之一的二氧化碳時(shí)，就會(huì)使蠟燭熄滅。

他在氣體化學(xué)方面的另一貢獻(xiàn)，是制取了氫氣，并對(duì)氫氣的性質(zhì)進(jìn)行了初步的研究。1766年，他把題為《人造空氣的實(shí)驗(yàn)》的論文提交英國(guó)皇家學(xué)會(huì)。文中除了具體論述二氧化碳的制取及其性質(zhì)外，就是論述氫氣的制法及其性質(zhì)。

他在文中指出，用鹽酸或稀硫酸與鐵或鋅等作用，就可以用水槽法收集到反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的氫氣。他還指出，用定量的某種金屬與多種酸作用，所產(chǎn)生的氫的量總是固定的，而與酸的種類無(wú)關(guān)。他認(rèn)為氫氣與空氣混合后，一點(diǎn)燃即發(fā)生爆發(fā)。由于他崇信燃素說(shuō)，所以他斷言這種氣體來(lái)自金屬，而不是來(lái)自酸，因此他把這種氣體稱為"從金屬中來(lái)的可燃空氣"，他錯(cuò)誤地認(rèn)為，這種"可燃空氣"就是從金屬中分離出來(lái)的"燃素"，后來(lái)，他又認(rèn)為氫氣是"燃素"與水的混和物。

卡文迪許制取氫氣后，人們?cè)阉淙霘馇?，發(fā)現(xiàn)它能使氣球很快飄浮上升，這樣，一些燃素論的信奉者認(rèn)為，氣球飄浮上升正是"燃素"具有負(fù)重量的證據(jù)?？墒遣痪冒l(fā)現(xiàn)氫氣本身也是有重量的。

氫氣的發(fā)現(xiàn)，一方面直接導(dǎo)致了后來(lái)的氧氣的發(fā)現(xiàn)，另一方面也又一次動(dòng)搖了燃素說(shuō)。