从“氧气”到“氧”：从实物到概念

吴以义

编者按：从科学史的视角来探究科学的发生发展，不仅可以一窥科学历程的全貌，还可以对科学概念的演进、科学理论的兴衰、科学思想的进步、科学方法的完善以及科学文化的传播作深入细致的考察。吴以义先生在海外学习研究科学史数十年，深谙其旨趣。他的工作主要集中在科学革命时代以及中国文化与西洋文化比较交流等方面，著有《从哥白尼到牛顿：日心学说的确立》《海客述奇：中国人眼中的维多利亚科学》等多本专著，立意、文笔俱佳。本刊酝酿多年的“科学史专栏”终于启动，给大家带来了吴先生探讨“氧化”概念的开篇之作。本栏目会向更多科学史家约稿，读者们可以在历史的语境下更加立体地理解科学，欣赏科学。

瑞典化学家席勒（Carl Wilhelm Scheele，左）和英国化学家普利斯特列（Joseph Priestley，右）各自独立地发现了氧气，但均未能对燃烧现象作出正确的解释

现在恐怕没有什么人不知道氧气，这个人人靠它活命的东西。但是，以前，仅仅大约 250年前，没有人能说清楚这件事。的确，当时人们就知道，我们要靠呼吸空气才能活下来，但是“空气”究竟是什么，对大部分人来说，真是简单得无法解释了。对于学者来说，他们会告诉你，空气是一种元素，这在亚里士多德时代就已经清楚了。

另外一条线索是对于气体的研究。但是这儿所说的“气体”，gas，是佛来芒学者范赫尔蒙特从希腊语里找来的，意思是什么都没有，空空如也。而我们呼吸的空气，叫air，是另外一回事，和 gas 没有什么直接的联系。到了18世纪早期，大概因为工业的兴起，大家开始留意矿石，以及我们现在说的，它们的化学性质：与酸的反应，蒸馏，煅烧。另外，啤酒也成了一宗大买卖。酿造发酵过程中出现的气体也引起了足够的注意。于是“气体化学”成了一门显学。很多学者，如英国的黑尔斯，发明了不少后来在气体研究中很有用的装置，特别是用于排水集气法的水槽和相关的设备。

从“燃素说”到“氧气”的演进

从时间顺序上说，瑞典的一个药店学徒席勒最先得到单纯的氧气。他当时正在分析二氧化锰、硝酸镁和氧化汞一类的化合物。大概在1771年，他把二氧化锰和硫酸一起加热，得到一种气体，他开始把这种气体叫作“硫酸气”。他后来又用“水银的红色沉淀物”在曲颈甑里加热，同样得到了“硫酸气”。在1775年给他的一个朋友的信里，他还提到加热汞、银，还有别的金属的“烧渣”都可以得到这种气体。这种气体无嗅无味，但会使火焰变得特别明亮，这使得席勒在1775年把它改称作“火焰空气”。

席勒认为，“热”实际上是“火焰空气”和燃素的结合；在煅烧过程中，“热”里面的燃素转移到了水银的烧渣之中，形成了金属水银，而多余的“火焰空气”由此释放出来。这儿说的燃素，是当时学者想象中的、对物质可燃性负责的要素，直到18世纪后期，一直是化学家解释燃烧的一个基本概念。物质之所以可燃，是因为有燃素暗藏其中，而不可燃的金属烧渣，则是完全失去了燃素的全无生命活力的灰烬。由此，烧渣是比金属更基本、更纯粹的单质。

与席勒约略同时，英国人普利斯特列也在研究类似的课题。1774年8月，他通过一具放大镜，聚焦太阳光加热氧化汞，发现有气体“很快地”从被加热的固体中逃逸出来。他接着研究了这种气体的性质，最终确定它对人无害——岂止无害，他把几只小鼠放到这种气体中，小鼠好像活得更欢畅了。他自己大胆试吸了几口，一时觉得通身舒泰，如同享受一种“奢侈品”。

普利斯特列从小在基督教“异议派”的环境中长大。所谓“异议派”，是对于英国国教持异议的一个宗教派别。他们强调科学和常识在教义中应有的独特的地位，拒绝诸如三位一体和其他神秘色彩浓重的教义，提倡理性批判。从牛顿的自然哲学出发，普利斯特列断定物质的性质必有特定的物质对应，如“热”即对应“热素”，可燃性也自然有一种物质本源与之应，尽管还没有从可燃物体中分离出来，但是其存在是合于理性的。普利斯特列从这样的认知基础出发，与席勒一样，对氧气和燃烧做了以燃素为中心的解释。

1774年10月，普利斯特列到访巴黎。在一次晚宴上，他演示了从“红色水银烧渣”得到“去燃素空气”的实验。法国人拉瓦锡在座，稍后，他在自己的实验室里重复了普氏的实验。这在当时是一种普遍接受的做法，所不同的是，拉瓦锡不仅注意了所生成的气体的性质，而且计量了反应物和生成物的重量。按燃素说，燃烧时燃素脱离金属，金属则变成了更加纯粹的烧渣。但他注意到，烧渣竟比原来的金属重，这显然不能用“燃素逸出”来解释，而只可能是金属和空气中的氧气结合的结果。稍后，拉瓦锡以氧化概念为中心，解释了燃烧和呼吸作用。

现代化学之父、法国著名化学家、生物学家拉瓦锡（Antoine-Laurent de Lavoisier）通过实验命名了氧气（oxygen），建立了“氧化学说”，推翻了“燃素说”

“氧化”概念的形成

1770年代，三位化学家几乎同时发现、研究了氧气。优先权的问题常引人注目，其实更重要的是他们所提示的探索途径。席勒没有受过系统教育，他的励志故事常为人称道，但他的研究成果和方法却一开始就与流行的规范不合。从他的实验可以看出，他之发现氧气，从本质上说，尚非一种有目的的系统搜寻的结果。他的注意力，以及他以后的工作重心，常在这种新气体的令人着迷的性质方面。普利斯特列笃信唯一神教，崇尚理性不遗余力，坚信性质背后必有一种对其负责的实体，而在当时，大多数人都先入为主地认定这种特异的实体就是燃素。有鉴于此，普氏的注意力常在寻找这种其实不存在的东西，这在无形中限制了他的推理和想象力。粗略地说，在席勒眼里，重要的是性质；在普利斯特列眼里，重要的是实物。拉瓦锡把注意力从特定物品的特殊性质上转移到燃烧的共同特征上，从研究的对象中发展出一种概念。在优先权的争论中，平心而论，拉瓦锡理亏。但他确实首先系统地引进称量方法，把重量作为化学研究中的一个要素，并利用这一概念说明了燃烧和呼吸的本质。这就把“氧气”这么一个具体的对象提升到了“氧化”这么一个抽象的概念，而这个概念在以后很长的一段时间里在化学发展中一直占据着重要的位置，以元素、化合物和化学反应为中心的近代化学研究体系就这样渐渐形成了。