出品：科普中國
製作：魯聞生（中國科學院化學研究所）
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“火空氣”、“脫燃素空氣”，這些名字對您而言一定很陌生吧。不過，這絕不是什麼新鮮事物，它就是氧氣。
那麼，人們為什麼會給氧氣起如此奇異的名字？原因很簡單，最初命名的時候對化學元素的認識尚不成熟，因此無法用含有這些元素的名詞進行命名。從這一點上來看，各個元素的發現與命名對於化學、物理等學科，甚至對於我們的日常生活都有十分重要的意義。
2017年12月，聯合國大會將2019年定為國際化學元素週期表年[1]。讓我們一起回顧一下與元素髮現以及元素週期表有關的科學故事，而我們今天要講的就是氧氣。
包含118個元素的元素週期表（圖片來源http://www.chemsoc.org.cn/）
燃素學說的出現
在眾多的元素被發現之前，人們很早便知道有金、銀、銅、鉛等物質，但他們並不能理解組成物質的元素是什麼。古希臘人認為世界是由土、空氣、火和水組成的，萬物皆出於這四種元素。但隨著人們對物質研究的深入，這一理論慢慢受到了質疑。
到17世紀中葉，人們已能區分3種氣體：普通的空氣、易燃的空氣（即氫氣）、固定空氣（即二氧化碳）。至18世紀，科學家已經發現了近20種元素，並且隨著研究的深入，人們相信會有更多的元素被發現。這一時期，對空氣的研究成為一個研究熱點。
1.火空氣
在瑞典，18世紀70年代初期，藥劑師卡爾·威爾海姆·舍勒（Carl Wilhelm Scheele, 1742-1786）受朋友伯格曼（Bergman）的啟發，分析了氧化汞、軟錳礦等物質加熱後生成氣體的性質，他發現這種氣體有助於燃燒。在18世紀，“燃素學說”（Phlogiston Theory）十分盛行，該學說認為物質燃燒的時候，“燃素”開始離開物體，當物體中所有的“燃素”都消失的時候，燃燒也就停止了。當時化學家認為空氣中至少存在兩種不同的氣體，一種有助於燃燒，一種不支持燃燒。舍勒對“燃素學說”也深信不疑，根據 “燃素學說”解釋了他的實驗現象，並稱他發現的氣體為
“火空氣”（fire air）。後來他把這些實驗結果寫入一本書中《火與空氣》（Chemical Treatise on Air and Fire），但由於書稿在出版社壓了兩年，直至1777年才發表[2]。 卡爾·威爾海姆·舍勒（圖片來源：wikipedia）
2.脫燃素空氣
同時期，英國的牧師約瑟夫·普利斯特里（Joseph Priestley, 1733-1804）也喜歡做氣體實驗。1774年8月1日，普利斯特里加熱氧化汞，發現有氣體生成。他收集氣體後，研究了它的性質。發現把蠟燭放入新生成的氣體中，蠟燭燃燒得更旺了。木條在氣體中快速燃燒並且火花四射。將老鼠置於這種氣體中，本以為老鼠會很快死去，誰知老鼠活的很自在。此時，他並沒有意識到自己發現了一種重要的氣體，由於對“燃素學說”的虔信，普利斯特里只是認為新生成的氣體中沒有燃素，並將這種沒有燃素的氣體稱為“脫燃素空氣”。1775年，他的研究成果得以發表[3] 。
約瑟夫·普利斯特里論文中關於燃燒現象的描述（圖片來源：參考文獻[3]，作者拍照並加下劃線）
氧氣被發現：“燃素學說”開始動搖
1774年10月，也就是發現“脫燃素空氣”後不久，普利斯特里陪同謝爾本勳爵到歐洲旅行。他們來到巴黎，並被邀請與法國著名科學家進餐，宴會中有一名客人是安東尼·拉瓦錫（Antoine Lavoisier，1743-1794）。
拉瓦錫28歲就被推選到法國科學院，是一名年輕的科學精英。他在與普利斯特里談話的過程中，後者詳細描述了自己的實驗過程和結果，特別是“脫燃素空氣”。與普利斯特里簡陋的實驗條件不同，拉瓦錫擁有歐洲最好的實驗室，數量眾多的精密儀器。
而且，不同於普利斯特里的定性研究方法，拉瓦錫更善於用定量的方法進行研究。在一次實驗中，他準確稱量了金屬錫，在空氣中加熱後發現錫的重量並沒有減少，而是增加了。這與“燃素學說”是矛盾的，因為“燃素學說”認為物質在燃燒時，“燃素”跑掉了，應該變輕。拉瓦錫認為“燃素學說”存在缺陷，增加的重量來自於空氣，但是這種氣體是什麼呢？
這次與普利斯特里的談話啟發了拉瓦錫[4]，他重複了普利斯特里的實驗，而且還做了汞在密閉的容器中加熱的實驗。根據兩個實驗中氣體增加或減少的量的對比，最終得出結論：加熱氧化汞時生成的氣體與“燃素”無關，這是一種新元素，並將其命名為氧。此後他又研究了氧氣在燃燒中的作用，提出了燃燒的原理…… “燃素學說”的大廈開始動搖了。
批判“燃素學說”：拉瓦錫掀起化學革命
對於新元素的命名以及對“燃素學說”的批判，讓堅持“燃素學說”的普利斯特里與拉瓦錫的關係一度變得比較緊張。但這一切隨著1789年法國大革命的到來，變得不再那麼重要了。在英國，同情起義的普利斯特里被一名暴徒燒燬了房子。僥倖生還後，他不得不逃往美國生活。
而法國的拉瓦錫就沒有這麼幸運了，作為資產階級中非常富有的一員，同時又是一名徵稅官，1794年5月8日，拉瓦錫被送上了斷頭臺。數學家拉格朗日（Lagrange）評論此事時說：“砍下拉瓦錫的頭顱，只需要一眨眼的工夫，但要長出這樣一個頭顱，也許100年都不夠。”[5]
不過拉瓦錫留下了寶貴的遺產，他摒棄了舊的教條，代之以定量的實驗方法，並且提出了元素的定義，這些在化學領域掀起了一場革命。從1789年到1797年這8年間，他所著的《化學基礎論》在8個國家以6種文字印行了26次，足見其在當時影響之大。
從最初命名氧氣，直到創立氧化說，闡述燃燒理論。拉瓦錫對於“燃素學說”的挑戰，曾遭到堅持“燃素學說”的多名化學家的質疑。但他始終堅持從定量的實驗結果出發，不斷驗證其理論，從而以詳實的實驗結果和完善的理論解釋逐漸獲得了大家的認可。
恩格斯在《資本論》第二卷序言中提到：“拉瓦錫就根據這個新事實研究了整個燃素說化學，方才發現：這種新氣體是一種新的化學元素；在燃燒的時候，並不是神秘的燃素從燃燒物體中分離出來，而是這種新元素與燃燒物體化合。這樣，他才使過去在燃素說形式上倒立著的全部化學正立過來了。”
參考文獻：
- http://www.un.org/zh/documents/view_doc.asp?symbol=A/72/422/ADD.2
- J. R. Partington (1962). A History of Chemistry, vol. 3. Macmillan, London; St. Martin's Press, New York.
- Joseph Priestley. An Account of Further Discoveries in Air, Philosophical Transactions,1775,vol. 65, 384–394.
- https://www.encyclopedia.com/people/science-and-technology/chemistry-biographies/antoine-laurent-lavoisier
- https://www.sciencehistory.org/historical-profile/antoine-laurent-lavoisier
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