近代化学之父拉瓦锡

　　拉瓦锡（Antoine Laurent Lavoisier，1743—1794）出生于法国巴黎，从小受到良好的教育。拉瓦锡的父亲是位律师，他希望自己的儿子能够子承父业，因此送拉瓦锡进大学学习法律。拉瓦锡从小就对自然科学感兴趣，在大学学习期间，他旁听了拉卡伊利的天文学课程，很受启发，对科学的兴趣更是一发而不可收。因此，当他完成大学学业，并且成了一位律师以后，并没有按父亲的意愿去从事他父亲所钟爱的律师职业，而是为自己选定了一条毕生致力于科学的人生道路。
　　在科学研究的道路上，拉瓦锡一帆风顺。早在1765年2月，不足22岁的拉瓦锡就对石膏的理化性质做了系统研究，完成了他的第一篇学术论文，并在法国科学院宣读。同年，法国科学院悬赏征求改进城镇路灯照明的办法，拉瓦锡积极应征，提交了自己的解决方案。拉瓦锡的方案被评为最佳方案之一，他因此于第二年获得法国科学院颁发的金质奖章。1768年，25岁的拉瓦锡被选入法国科学院，成了一名年轻的院士。此后，他还曾担任多种公职，但其主要精力仍然集中在科学研究上。
　　1789年，法国大革命爆发，一开始，拉瓦锡并未受到多大冲击，他还被选入度量衡改革委员会，为度量衡制度的改革出谋献策。随着革命的深入，激进的雅各宾党人上台执政，拉瓦锡成为革命的对象，被抓了起来，受到革命法庭的审判，被送上了断头台。
　　拉瓦锡之所以会成为革命的对象，要从他的另一身份——包税人说起。在路易王朝统治时期，法国政府采用的是一种包税制，政府不直接对个人和企业征税，而是将税收承包给征税公司，授权它们向公众征税。征税公司是受雇于政府的私人企业，个人只要向其投入一大笔钱，就可以成为包税人。包税人向公众征税，征得的税款上缴国家一定数额，剩余归己。显然，在这种制度的诱导下，包税人为了掠取钱财，必然要横征暴敛、敲诈勒索。而拉瓦锡就是包税人队伍中的一员。
　　拉瓦锡的家庭固然富有，但他的科学研究却需要更多的钱。包税人的身份给他带来了巨大的财富，这为他的科学研究提供了极大的方便。他建立了规模巨大的实验室，并曾多次为非私利目的献出巨款。他的家成为法国乃至欧洲著名的＂科学俱乐部＂，不但法国的科学家们在此相聚，欧洲其他国家的学者们在此碰首，就连大西洋对岸新成立的美利坚合众国的使者杰弗逊和富兰克林也登门拜访，留宿于其家中，宾主共议科学问题。尽管拉瓦锡对其钱财用之有道，但他毕竟是深受法国人痛恨的包税人之一员，当革命的浪潮席卷一切的时候，他在劫难逃。
　　对拉瓦锡的审判颇为草率。法庭以＂可恶的包税人＂＂在人民的烟草中加水＂等罪名，要求判处他死刑。在审判过程中，法庭并未给他多少为自己辩护的机会，也没有回应法国科学界要求赦免拉瓦锡的呼声。拉瓦锡请求死缓，以使自己能够完成进行中的实验，法庭对此的答复是＂共和国不需要学者＂。法官的傲慢和偏见使法国付出了失去一位杰出科学家的代价。法国数学家拉格朗日一针见血地指出：＂砍掉他的头只要眨眼的功夫，可是生出一个像他那样的头大概一百年也不够。＂69拉瓦锡死后不到两年，法国人就为他树起了一座半身塑像，以表达对他的纪念。
　　法国人之所以痛惜拉瓦锡的去世，是因为拉瓦锡对法国乃至全世界的科学作出了巨大的贡献。拉瓦锡的贡献集中在化学领域，他是世界公认的＂近代化学之父＂。他对化学的贡献主要表现在以下几点：
　　（一）使精密测量方法成为化学的传统
　　在化学建立之前，炼金术不重视化学的定量分析，那时人们看重的是对物质的定性分析。17世纪，在波义耳的倡导下，实验方法逐渐进入了化学领域。但在波义耳之后的一个多世纪里，定量测量方法并未成为化学的传统，在研究物质化学变化规律时，许多人仍习惯于以推理论证为主。这种局面由于拉瓦锡的工作而得以改善。拉瓦锡注重定量分析，善于使用天平作为研究的工具。当时，别的化学家也重视天平的使用，但那些化学家一般用天平来做矿物的定量测定，而拉瓦锡则是用天平来证明物质化学变化的规律。这是他超越同时代化学家的一个地方。
　　拉瓦锡从进入化学领域之始，就认识到了精密测量的重要性。他在准备关于石膏的理化性质那篇论文时，就成功地应用了精密测量的方法。在早期工作中，拉瓦锡把很大一部分精力用于通过精密测量来检验当时流行的一些化学理论。比如，当时不少人仍然保留着古希腊的元素概念，认为元素之间可以相互转变。他们举的例子之一是说在玻璃容器中长时间加热水时，容器底部会出现水垢，这意味着水转变成了土。拉瓦锡不相信希腊的四元素说，他决定用实验方法来检验这一学说。
　　就在被选为法国科学院院士那一年，拉瓦锡精心设计了一个实验，他把经过反复蒸馏得到的纯净水放入一个叫做＂鹈鹕＂的蒸馏器中密封加热，加热前精心测量了水和容器的重量。从1768年10月20日到1769年2月1日，他让水整整沸腾了100天。到最后，水中出现了浑浊，冷却后，他重新测量了水和容器的重量以及水中的沉淀物的重量。测量结果表明，水的重量没有减少，而容器的重量倒是减少了，容器减少的重量正好等于水中生成的沉淀物的重量。这说明沉淀物不是水被加热后变成的土，而是玻璃上的物质慢慢被热水侵蚀产生的结果。拉瓦锡的测量无可辩驳地表明，所谓水能变成土的说法是不成立的。他的工作让人们看到了精密测量对化学所具有的无与伦比的重要性。确实，没有定量测量的观察可能是毫无价值的。
　　拉瓦锡的一系列工作都巧妙地利用天平进行精密测量，并因此获得了令人振奋的结果。他的实验设计得极其巧妙，所获成果不同凡响，再加上他所具有的巨大声誉，使得他的工作具有了很强的示范性。正是在他的工作的示范和带动下，化学家们接受了他关于精密测量的见解，并逐渐使之成为化学学科的传统方法。也正是由于有了这种方法，化学才最终实现了与物理学的并驾齐驱。
　　（二）建立氧化反应理论，推翻燃素说
　　拉瓦锡的煮沸水实验推翻的四元素说是古希腊学说的流风余韵，本来已经没有多少市场，而燃素说则是当时化学界的主流学说。拉瓦锡不赞成燃素说，他以实验和严谨的逻辑推理阐明了燃烧的本质，推翻了燃素说。
　　拉瓦锡由燃烧与空气的关系入手，尝试揭示燃烧的本质。他精心设计了燃烧金刚石的实验。1772年，他开始做把物体放在空气中加热的实验。他把金刚石放在密闭的透明容器中，用放大镜聚焦太阳光为之加热。在加热到一定程度时，金刚石完全燃烧，整个容器中看上去什么都没有了。但精心的测量表明，在燃烧前后，连同金刚石在内的容器的总重量没有变化，这表明所谓燃烧是可燃物向外释放燃素的说法不能成立。因为容器外能感受到燃烧时向外辐射的热，按传统说法，这意味着燃素逃逸到了容器之外，容器内的重量必然要减少，但测量结果显示，容器的总重量在燃烧前后没有变化，由此只能得出一个结论：燃素没有重量。而燃素没有重量的说法，与燃素说是不相容的。
　　拉瓦锡还用一种不怕火的软膏将金刚石包裹起来重复上述实验。软膏的包裹，使得金刚石与空气隔绝，这时无论如何加热，金刚石也烧不起来。他的这一实验进一步证实了波义耳的判断：没有空气，燃烧不能进行。
　　那么，空气与燃烧究竟有什么样的关系，是空气为燃烧提供了容纳燃素的场所，还是它直接介入了燃烧的过程？如果仅仅是为燃素提供容身之处，那么空气的总量不会减少，情况究竟怎么样呢？为了揭开燃烧的本质，拉瓦锡接下去做了大量关于燃烧的实验。他用非金属元素磷和硫做实验，还用金属做实验。1774年，他精心设计了在密闭的容器内加热锡和铅的实验。实验结果表明，铅和锡被煅烧后，其表面上生长出一层金属灰，这层金属灰比它所置换的那部分金属更重，而整个容器（金属、金属灰、空气等）的总重量在加热前后并没有变化。对这种实验结果只能有一个解释：空气直接介入了燃烧的过程，即燃烧消耗掉了一部分空气，那部分空气转化成了金属灰重量增加的部分。显然，如果这一推论成立，那就意味着容器中的空气比外界要稀薄。果然，当拉瓦锡打开容器时，外界的空气冲进了容器。空气冲入后增加的重量恰好等于金属燃烧后金属灰增加的重量。这个实验证明，金属燃烧后出现的金属灰不是金属损失了燃素后的残留物，而是金属和空气化合的结果。拉瓦锡的实验，有力地证明了燃素说的荒谬。
　　要彻底推翻燃素说，关键不在于指出其荒谬之处，而在于提出一种更合理的理论来取代它。1774年，这样的机会降临了。这一年的10月，英国化学家普利斯特利（Joseph Priestley，1733—1804）来到巴黎，拜会了拉瓦锡。科学史上这次著名的＂双星会＂，为拉瓦锡揭示燃烧本质的大戏拉开了帷幕。普利斯特利向东道主报告了他的一个重要发现——他制出了＂脱燃素气＂。原来，普利斯特利在做加热氧化汞的实验时，收集到了氧化汞分解时释放出的气体，并发现可燃物在这种气体中的燃烧比在一般空气中更为激烈和迅速，他认为这表明这种空气非常需要燃素，它能使燃素从可燃物中快速逃逸，因此将这种气体命名为＂脱燃素气＂。
　　拉瓦锡不赞成燃素说，自然也不相信普利斯特利对这种新发现的气体的解释。他重复了普利斯特利的实验，制得了这种气体，并用制得的气体逆向重新和汞作用，结果又生成了汞灰（氧化汞）。经过反复实验，他终于悟到：空气主要由两部分组成，其中一部分参与燃烧，另一部分不参与燃烧。他把参与燃烧的这部分空气称为＂最适于呼吸的空气＂，后来又改称为＂氧＂，意为＂可产生酸的东西＂，因为他发现所有的酸中都含有这种物质。但这次他错了，并非所有的酸中都含有氧，不过氧的名称却因他的命名而流传了下来，一直使用至今。在我国，＂氧＂这个汉字是清末著名化学家徐寿根据汉字特点造出来的。对不参与燃烧的那部分空气，拉瓦锡将其称为硝，意为＂无生命＂。后来，化学家夏普塔尔（Jean Antoine Claude或Comte de Chanteloup Chaptal，1756—1832）将其改称为＂氮＂，沿用至今。
　　拉瓦锡在发现了氧的性质的基础上，进一步揭示了燃烧的本质。他指出，可燃物只有在氧气存在时才能燃烧，可燃物燃烧的过程就是它与氧气相结合的过程。换言之，燃烧现象是一种氧化现象。拉瓦锡还指出，呼吸本质上也是一种燃烧。呼吸时，有机体中的碳与空气中的氧相结合，生成二氧化碳，被排出体外。拉瓦锡通过燃烧有机物例如酒精、糖、油、蜡等，得到了二氧化碳和水，这进一步证实了呼吸与燃烧的一致性。拉瓦锡提出的燃烧的氧化学说，驱散了笼罩在燃烧现象上的燃素说迷雾，解开了当时大量新发现与传统燃素说之间的矛盾，使18世纪极为混乱的化学思想得到了统一，从而为新化学的发展铺就了康庄大道。
　　既然氧化理论可以完全解释燃烧现象，燃素说就没有理由再存在下去。拉瓦锡对此坚信不疑。1783年，他甚至还在自己的家里举行了一个象征性的仪式，送别燃素说。他的太太装扮成祭司的模样，焚烧了宣扬燃素说的著作。祭坛里冒出的青烟，不仅象征着燃素说的灰飞烟灭，更象征着新化学的冉冉升起。
　　（三）促成化学反应中质量守恒定律的建立
　　拉瓦锡做了大量燃烧实验，这些实验绝大部分都是在密闭容器里进行的。拉瓦锡善于使用精密天平进行测量，每次实验他都测量了实验前后容器连同实验物品的总重量，结果发现每一次实验前后实验物品的总重量都不变。这些事实证实了一个公设：物质总量守恒，既不创生也不消灭。就化学学科而言，该公设可以表述为：在化学反应的全部过程中，参与反应的物质的总量自始至终保持不变。
　　质量守恒的概念一开始只是一个假设，有了拉瓦锡的大量精密定量实验的证实，该假设就升级成了一个定律：质量守恒定律。1789年，拉瓦锡正式陈述了这一定律，他指出：因为人工或自然操作不可能无中生有地创造出任何物质，也不可能凭空消灭掉任何物质，所以在每一次化学操作中，操作前后存在的物质的总量保持不变，而且其中每一要素的质与量也保持不变。这就是质量守恒定律在化学学科的初始表述。
　　在提出质量守恒概念不久，拉瓦锡在论述糖变酒精的发酵过程时，创造性地提出了这样一个等式：
　　葡萄汁=碳酸+酒精
　　这意味着参加发酵的物质和发酵后的生成物在量上相等，可以将其列成一个代数式，用计算来检验实验过程。这实际上是现代化学反应方程式的雏形。显然，质量守恒定律是化学学科近代化的基础，如果没有这条定律，就不会有化学反应方程式，也就不会有定量化学，化学也就不可能实现其近代化进程。
　　质量守恒定律的建立是拉瓦锡善于使用精密定量测量方法的自然结果，该定律的确立又进一步促成了精密定量测量方法在化学中的普及。有了这条定律，有了精密定量测量方法的普及，化学才有可能赶上物理学，与之并驾齐驱。
　　（四）统一化学术语命名方法
　　拉瓦锡对化学学科所作的另一重要贡献是他统一了化学术语的命名方法。事情要从当时法国的百科全书的编写工作说起。就在拉瓦锡推翻了燃素说，建立了燃烧的氧化反应理论，为构建新化学体系而努力工作之时，他的同胞、化学家居顿·德莫沃（Baron Louis Bernard Guyton de Morveau，1737—1816）上门求助来了。原来，德莫沃在为一部百科全书撰写有关化学部分的内容，他试图描述几个世纪以来化学学科的进展，可是遇到了麻烦，写不下去了。拉瓦锡仔细分析了德莫沃遇到的问题，发现这与化学术语的命名有关。原来化学在很长的时间里是与炼金术纠缠在一起的，而炼金术士们对各种化学物质的命名没有一个统一的标准，为了保密，他们常常故意给物质起一套隐晦和怪诞的名称，且彼此互不交流，这就使得一个化学家很难弄清楚另一个化学家谈论的是什么。这种局面不但使得后世的学者难以弄清以前化学的进展情况，而且也为后来化学学科的发展制造了巨大的障碍。这是当时化学学科发展不得不解决的一个迫切问题。
　　在认识到了术语命名问题的重要性和紧迫性之后，拉瓦锡首先帮助德莫沃完成了为百科全书撰稿的任务，然后开始着手解决化学术语命名这一影响化学发展的关键问题。经过紧张的工作，1787年，拉瓦锡和另外几位化学家合作，出版了一部名为《化学命名法》的著作。该书是人类历史上第一部科学地谈论化学物质命名的专著，它抛弃了长期沿用的那些炼金术符号，着眼于从物质的化学成分出发为其命名。该书提出的化学物质命名原则是：一种物质应该只有一个名称，单质的名称应该反映其化学特征，化合物的名称应该反映其化学组成，酸碱类用其所含元素命名，盐类用组合成它们的酸和碱表示。这种命名方法条理清晰，逻辑性强，便于理解和记忆，还能反映物质的本质特征，它使得化学有了符合自己特点的新的语言，对于化学学科发展非常有利。正因为如此，在受到少数燃素说者短暂的反对之后，这种命名方法很快就被世界各地的化学家所采纳，一直沿用至今。
　　（五）构建近代化学体系
　　有了适应化学学科发展的研究方法，找到了当时化学的核心反应——氧化反应，提出了研究化学反应所应遵循的基本规律——质量守恒定律，统一了化学术语的命名方法，所有这些，意味着新化学的基本要素已经具备，下一步，就是把这些要素组合起来，构建新化学大厦。这一任务，仍然是拉瓦锡完成的，他撰写了一部名为《初等化学概论》的教科书，对新化学作了系统的描述。
　　1789年，拉瓦锡的《初等化学概论》出版，宣告了新化学的诞生。这部书是化学史上第一部近代化学教科书，它详尽地论述了推翻燃素说的各种实验依据和以氧化反应为核心的新燃烧学说，实现了化学思想的革新；它清楚地阐述了化学反应过程中物质守恒的思想，提出可以用反应式来表示化学反应过程，以便＂用计算来检验实验，再用实验来验证计算＂，实现了化学理论和化学实验的定量化；它要言不烦地说明了当时的新发现和新实验，反映了化学学科的最新进展；它把拉瓦锡提出的化学物质命名法付诸实施，不但提出了各种化合物的名称，还列出了包括当时所认识到的33种元素在内的元素表，这在化学史上还是第一次。
　　《初等化学概论》的出版，意味着近代化学大厦的建成。从此，人们只要按照该书提出的研究方法，运用该书阐述的基本概念和规律，就可以把化学学科一步一步推向前进。正因为如此，该书的出版，是化学史上划时代的事情，人们认为该书对化学的贡献可与牛顿的《自然哲学的数学原理》对物理学的贡献相媲美。拉瓦锡被称为＂近代化学之父＂，完全是理所当然的。