谁第一个制造了氧气?
首先,布拉克在1775的实验中发现了碳酸气,并首先用一定的方法进行了研究。布拉克称了石灰石煅烧前后的重量,发现煅烧后石灰石的重量减少了44%。他断定这是因为气体从其中释放出来。布拉克还发现石灰石与酸反应会释放出一种气体,石灰被用来吸收这种气体。发现其重量等于煅烧时释放的重量,气体与石灰水反应生成与石灰石性质相同的沉淀物。布拉克称这种气体为“固定空气”。在后来的实验中,布拉克明确了氧化镁和镁砂的区别,即氧化镁含有“固定空气”,如果失去了,就变成了氧化镁。布拉克的发现和燃素变成石灰,与布拉克在实验中发现燃烧失重变成石灰,苏打变成烧碱,都是酸性“固定空气”流失造成的,与燃素是否被吸收无关,断然否定了燃素理论。
如果说布拉克发现碳酸气体是对燃素理论的有力批判,那么氢气和氮气的发现则进一步动摇了燃素理论的基础。
在化学史上,很难说凯文·迪什是不是第一个发现氢的化学家,而是第一个收集并研究其性质的化学家。在他的实验中,他用铁、锌等金属与盐酸、稀硫酸反应生成氢气,并通过排水收集这种气体。Kevin Dish在研究中发现,一定量的金属与足量的各种酸发生反应,产生的氢气量总是固定的,与所用酸的种类和浓度无关。他还发现,氢气和空气混合会爆炸,和其他空气不一样。
然而,凯文·迪什是燃素的忠实信徒,他从燃素的观点解释了氢的产生和性质。凯文·迪什认为金属含有燃素。当金属溶解在酸中时,其中所含的燃素被释放出来,这种“可燃空气”就形成了。他甚至说氢是燃素,把氢充到气球里,气球会慢慢上升的现象恰恰证明了燃素有负的重量。当时很多燃素说的追随者为凯文·迪什的说法欢呼雀跃,但当凯文·迪什自己想通浮力的问题时,他通过精确的研究证明了氢气有重量,但比空气轻得多。为此,凯文·迪什(Kevin Dish)和其他信徒说,氢不是纯粹的燃素,而是燃素和水的化合物。很牵强,氢的发现和关于它的争论再次动摇了燃素说。
1772年,布拉克的学生卢瑟福在实验中发现了氢气,发现这种气体不能维持动物生命,可以灭火。同年,在普里斯特利身上也发现了氮。然而,卢瑟福和普里斯特利都是燃素说的虔诚信徒。虽然他们面对许多不可理解的实验现象,却没有思考真正的原因,而是轻率地应用了燃素说的观点。他们认为氮气是一种“被燃素饱和的空气”,因此失去了支持燃烧的能力。很明显,他们不承认氮气是空气中的成分之一,用来顽固地维护燃素说。
如果说碳酸气、氢气和氮气的发现是推翻燃素理论的导火索,那么氧气的发现就是这一事件的火药。但这种火药在最早发现氧的舍勒和普里斯特利手中未能引爆,直到拉瓦锡对氧进行了深入研究,燃素说的老巢才被摧毁。原因是什么?这不能说是旧观念的垂死挣扎,也是舍勒和普里斯特利在研究工作中未能摆脱顽固的旧观念,进行更全面研究的结果。
大约在1774年,舍勒和普里斯特利分别独立发现并制造了氧气。但因为两人都是燃素说的信徒,所以都用燃素说来解释氧气能让火燃烧的更好的现象。舍勒称氧气为“火”,他仍然认为燃烧是空气中的这种火成分与燃烧体内的燃素结合的过程,火是火与燃素形成的化合物。普里斯特利认为,空气是单一气体,助燃能力不同只是因为燃素含量不同。他认为氧气是一种“脱磷空气”,所以它吸收燃素的能力很强,支持燃烧的能力特别强。
正如恩格斯所说,舍勒和普里斯特利“从一个扭曲的、片面的、错误的前提出发,走上了一条错误的、歪歪扭扭的、不可靠的道路,往往真理摸到了鼻尖,还是没有得到真理。”这种元素,本可以推翻所有燃素观点,给化学带来革命,却没能在他们手里结出果实。
1756年,俄罗斯科学家蒙诺索夫曾在密闭的玻璃器皿中煅烧金属,发现金属燃烧后重量增加,他认为这是因为金属在煅烧过程中吸入了空气。1774年,法国人贝彦发表了一篇关于氧化汞的论文。他认为水银经过煅烧后,不仅没有失去燃素,还与空气结合,增加了重量。但他们的研究既不全面也不定量,没有意识到氧是一种新元素,所以对其性质进行了透彻的研究。
对燃烧现象的全面研究,令人信服地彻底推翻了燃素说,建立了科学的燃烧理论,是由拉瓦锡完成的。
发现氧气后不久,法国化学家拉瓦锡在《普里斯特利》中了解到制造氧气的方法。在此之前,拉瓦锡已经做过煅烧金属的实验,他在工作中非常注重量的研究。1774年,他用锡和铅做了一个著名的金属煅烧实验。首先,他精确称量实验中使用的铅和锡,并将其放入一个曲金瓶中,然后在密封瓶子后精确称量铅、锡和瓶子的总重量。当它准备好了,加热它直到铅和锡变成灰烬。像测试前一样,再次称量总重量。后来他打开瓶子,发现空气冲进来了。这时他称了一下瓶子和煅灰,发现生日总重量增加了。此外,他发现煅烧后金属的重量也增加了,增加的重量正好等于空气冲进瓶子后的总增量。因此,拉瓦锡得出结论,金属增加的重量既不是来自水,也不是来自瓶外的任何物质,而只是金属与瓶内一些空气结合的结果。面对这一生动的事实,拉瓦锡对燃素说产生了极大的怀疑。
金属的煅烧灰可以是金属和空气的化合物吗?为了验证这一点,拉瓦锡用煅烧过的灰烬做了很多实验。他发现,当铅煅烧灰与焦炭一起加热时,大量的“固定空气”被释放出来,同时,煅烧灰被还原成金属铅。这些“固定空气”从何而来?他觉得这不仅仅是从可乐中吸收一点燃素。联系到焦炭在空气中燃烧也会产生“固定空气”这一事实,拉瓦锡更确信煅灰是金属和空气结合的产物,煅灰在与焦炭还原时释放的“固定空气”必然是煅灰和焦炭释放的空气结合的结果。要进一步证实这个结论,最有说服力的当然是尝试从金属煅烧灰中直接分解空气,但实验失败了。
就在这时,普里斯特利会见了拉瓦锡,并告诉拉瓦锡如何制造氧气。拉瓦锡重复了普特里克的标度实验,果然从水银煅烧灰中分解出一种比普通空气更助燃助呼吸的气体。1777年,拉瓦锡正式将这种气体命名为氧气。意思是“成酸元素”。上述实验有力地证明了拉瓦锡否定燃素的结论,说明可燃物质燃烧或金属转化为煅灰不是分解反应,而是与氧化反应,用化学式表示:
金属+氧=煅烧灰
不是所谓的燃素。
金属燃素=煅烧灰
此后,拉瓦锡对金属的氧化还原进行了非常精确的定量研究,证明了化学反应中的质量不灭定律。同时,他做了大量的燃烧实验,逐一研究各种物质燃烧后的产物。经过几年的积累和归纳,拉瓦锡在1777提出了科学的燃烧理论——氧化理论。此后不久,水的合成和分解实验成功,氧化理论得到普遍认可。