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十大美丽化学实验--拉瓦节(Lavoisier)进行金属氧化

  • G曼生活
  • 2020-06-20
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十大美丽化学实验--拉瓦节(Lavoisier)进行金属氧化

图一:拉瓦节

在拉瓦节(Antoine Lavoisier,1743-1794,图一)的时代,化学离现今的面貌还差得远,空有一堆实验结果,却缺乏理论解释以及统一用词;虽然知道酸、硷这些基本性质,不过没有任何一样物质的成分可以被确切了解。当时最广泛被接纳的理论是燃素说(phlogiston theory),燃素说认为可燃烧的物质含有燃素(phlogiston),物质在燃烧过程中逐渐释放燃素。实验发现,金属在空气中加热后会产生灰烬,而灰烬的重量比原先的金属还要轻,支持燃素说的科学家认为这是因为金属富含燃素,释放燃素后重量就会减少。不过偏偏有些金属燃烧后还会变重,这是为什幺?燃素派科学家解释说,在这些金属里面燃素的重量是负的。很奇怪吧,燃素可以有正的重量,也可以有负的重量?伸缩自如的燃素?

十大美丽化学实验--拉瓦节(Lavoisier)进行金属氧化

图二,汞氧化的实验装置

拉瓦节进行一连串碳、硫、磷的氧化实验,其中最经典的乃是普利斯利(Joseph Priestley)由氧化汞生成氧气的逆反应--汞氧化的实验。

拉瓦节在鹅颈瓶中置入纯汞,透过鹅颈与另外一个罩子连接,罩子中含有空气与水,整个鹅颈瓶与罩子的连接装置是密闭的(见图二)。拉瓦节在鹅颈瓶下方进行加热,反应期间汞的表面会逐渐生成红色粉末的氧化汞(mercuric oxide,HgO)。12天后,氧化汞不再产生,这时候罩子内空气体积消减了五分之一,而鹅颈瓶与罩子的总重并没有改变。

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接着,拉瓦节小心地分离氧化汞粉末,并用类似的方式加热,他得到与先前实验消耗体积相同的气体。将这气体进行检验,发现这种气体可让燃烧更旺盛,小动物在这气体中活动也比较活泼,后来命名为氧气(oxygen);剩下五分之四的气体并不帮助维持生命或是燃烧(现在知道是氮气),拉瓦节命名为azote,意为毫无生气(without life)。

1777年,拉瓦节提出了他最着名的论文:一般燃烧研究报告(Memoir on Combustion in General),他认为燃烧(氧化)乃是物质与氧结合的反应,否定了燃素的存在。这个对燃烧现象的解释彻底改变了化学观念。

十大美丽化学实验--拉瓦节(Lavoisier)进行金属氧化

图三,拉瓦节夫妇

拉瓦节的实验不只是把普利斯利的反应倒过来做而已,他将定量(quantitative)的概念引入化学实验,在这之前,化学都只是定性(qualitative)的研究,例如普利斯利发现加热氧化汞会得到气体,却未详细验证氧化汞反应前后的重量。另一方面,拉瓦节也与其他化学家推动化学命名系统,出版「化学命名法」(Method of Chemical Nomenclature)一书,从此化学家有了共同的语言可以分享、讨论研究成果。是拉瓦节奠下了今日化学核心概念与命名的基础,因而尊称他为「现代化学之父」。

另外值得一提的八卦是,1771年时,28岁的拉瓦节与年仅13岁的同事女儿鲍尔兹(Marie-Anne Pierrette Paulze)结婚(图三),鲍尔兹是非常贤慧的妻子,她除了料理家务以外,也是丈夫科学上的伙伴。她会帮忙翻译其他科学着作成英文,包括普利斯利的研究;她也设计许多实验器材,编辑、出版拉瓦节的着作。不过当时女性参与科学研究仍十分罕见,地位也较低,因此鲍尔兹的知名度远不如后世的居礼夫人(Marie Curie)。

拉瓦节的成就无与伦比,可惜在法国大革命中,革命派煽动民众对税吏的仇恨,而将具税务官身分的拉瓦节送上断头台。在得知拉瓦节的死讯后,法国大数学家拉格兰兹(Joseph Louis Lagrange)惋惜地说:「砍掉他的头颅只需要一瞬间,但法国可能要花一千年才能再生出这样的头脑。」

参考资料:
1. Antoine Lavoisier. http://en.wikipedia.org/wiki/Antoine_Lavoisier
2. Antoine Laurent Lavoisier. http://www.philiplarson.com/e1.shtml
3. 拉瓦节。http://www.kmsh.tnc.edu.tw/~c2375/t0107.htm
4. 张荣耀, “氧(Oxygen)元素的发现”,http://highscope.ch.ntu.edu.tw/?p=195