从炼金术到化学

文_吴军

拉瓦锡

1794年，拉瓦锡被送上了断头台。对于拉瓦锡之死，数学家拉格朗日痛心地说：“他们可以一眨眼就把他的头砍下来，但他那样的头脑一百年也再长不出一个来了。”正如牛顿建立了经典物理学的体系一样，拉瓦锡奠定了化学的基础，现代化学课本中使用的各种酸、碱、盐的名称，遵循的都是拉瓦锡等人给出的命名法则。为了科学地描述化学反应，拉瓦锡还发明了化学方程式。如果没有化学方程式，我们今天描述化学反应既不简洁也不清晰。

炼金术士伯特格尔在研制瓷器

炼金术与定量分析

人类研究数学、物理学和天文学的历史比研究化学要长很多。直到近代以前，世界上还只有炼金术，没有化学。炼金术约有2500～3000年的历史，而且横跨了很多文明：美索不达米亚、古埃及、波斯、印度、中国、古希腊和罗马，以及穆斯林文明和中世纪的欧洲。而在不同文明中，炼金术的定位也不同，在中国是以制造万灵药和长生不老药为目的，因此也叫炼丹术。在西方世界，炼金术的目的是将廉价的金属变成贵重的黄金。无论是为了长生不老，还是为了钱财，炼金术背后都有巨大的利益驱动，因此虽然从来没有成功过，术士们仍为此一代代前仆后继。今天，我们学过化学，明白术士们的方法是行不通的，但是在19世纪之前，炼金术尚未被任何科学的证据否定，一些著名的科学家包括牛顿都尝试过炼金术，并乐此不疲。

虽然劳民伤财且失败不断，炼金术也并非完全徒劳无功。在中国，它催生了火药的发明；而在西方，通过炼金术，人们找到了各种各样的矿物质，积累了化学实验的经验和实验方法，并且发明了许多实验设备。阿肯色大学的历史学家罗伯特·芬雷认为，发明瓷器的炼金术士伯特格尔的实验室可以算是历史上第一个研发机构。毫无疑问，炼金术为日后的化学发展奠定了基础。

在从炼金术到化学的转变过程中，科学的方法起了关键作用。今天大多数中学生可能对物理和化学实验都颇有兴趣，但是对写实验报告恐怕就没那么认真了，记录实验结果时常常随便找张纸潦草地写几个数据了事，更有甚者可能过分相信自己的大脑，记在脑子里回家再整理成实验报告。至于是否真能记住所有实验结果的细节，我表示怀疑。一旦养成不做记录的习惯，就很难改，这么做实验无法很好地积累经验，后人只好重复前人的错误。

但是，欧洲的炼金术士却有意无意地采用了科学的方法。首先他们对自己做过的实验都有详细的实验记录，当然为了保密，他们可能会采用密文来做记录。这些实验记录，至今还保留在很多国家的档案馆里。

炼金术士的另一个贡献，就是定量分析这种实验的结果，量杯、天平、比重计和各种简单的测量工具被用于他们的实验，有了这些定量的记录和分析，后人便可以重复前人的实验结果。这一点成为了后世人们进行科学研究的一个基本方法。要想在前人的基础上改进，第一步都是要重复前人的实验结果。

定量分析带来的另一个结果就是，在科学上从尊重权威变成尊重事实。没有定量的衡量，很多论点和结论是不可比的，人们只好相信权威。在中世纪，人们喜欢说，亚里士多德是这么说的，或者托勒密是这么说的。到了近代，人们立论的证据已经不再是经卷上的教条，而是根据自己的观察或做实验的结果，因为定量的结果很容易比出好坏对错。笛卡尔就非常强调：是事实而不是权威，才是验证一个结论正确与否的前提。

当然，从炼金术过渡到化学是一个漫长的过程。但是，当人类对物质和物质变化的知识积累到一定的程度时，量变就开始产生质变。到了18世纪，欧洲出了第一位今天被我们称作世界著名化学家的人——安托万·拉瓦锡。

拉瓦锡在做实验

氧化说与质量守恒定律

与大部分炼金术士不同的是，拉瓦锡研究炼金术不是为了追求财富，而是为了寻找物质变化的规律。拉瓦锡是法国波旁王朝末期的贵族，从来不缺钱。他在做化学实验的同时，还是王朝的一位包税官，虽然他从来没有为自己捞过钱，但是这种身份却成了他的死因。

拉瓦锡的主要贡献之一是发现了氧气，并且提出了氧气助燃的学说。在此之前，学术界流行着“燃素说”，即物质之所以燃烧，是因为其中具有所谓的“燃素”，燃烧的过程就是物质释放燃素的过程。1774年10月，英国化学家普利斯特里向拉瓦锡介绍了自己的实验：氧化汞加热时，可得到一种气体，这种气体不仅能使火焰燃烧得更明亮，还能帮助呼吸。拉瓦锡重复了普利斯特里的实验，得到了相同的结果。这对拉瓦锡研究燃烧的原理给予了启发：如果燃烧是因为物质中的燃素造成的，那么燃烧之后，灰烬的质量应该减少，而事实上，燃烧的生成物质量是增加的，这说明一定有新的东西加入到了燃烧的产物中。

他在实验中有一个信条：“必须用天平进行精确测定来确定真理。”正是依靠严格测量反应物前后的质量，他才确认了在燃烧的过程中，有一种气体加入了进来，而不是所谓燃素分解掉了。1777年，他正式把这种气体命名为oxygen，就是我们今天所说的氧气。随后拉瓦锡向巴黎科学院提交了一篇报告《燃烧概论》，用氧化说阐明了燃烧的原理。他在报告里阐述了氧气的作用，即首先必须有氧气存在，物质才会燃烧。空气中包含有氧气和另一种气体，物质在空气中燃烧时，会吸收空气中的氧气，因此燃烧生成物的质量增加，而增加部分就是它所吸收氧气的质量。在研究燃烧的过程中，拉瓦锡确定了精确的定量实验和分析在自然科学研究上的重要性。拉瓦锡还发现，非金属在燃烧后生成的氧化物可以变成酸，因此一切酸中都含有氧。金属燃烧后变为灰烬，它们不具有酸性。拉瓦锡的氧化说彻底推翻了以前没有根据的燃素说。

拉瓦锡的另一项重要贡献在于通过实验证实了在科学史上极其重要的质量守恒定律。这个定律并不是他的独创，在拉瓦锡之前很多自然哲学家与化学家都有过类似观点，但是由于对实验前后质量测定的不准确，这一观点无法让人信服。拉瓦锡通过精确的定量实验，证明物质虽然在一系列化学反应中改变了状态，但参与反应的物质的总量在反应前后都是相同的。由于有了量化度量的基础，拉瓦锡用准确的语言阐明了这个原理及其在化学中的运用。质量守恒定律奠定了化学发展的基础，我们今天学习化学，都知道化学反应的方程式两边需要平衡，这一切来自质量守恒定律。

拉瓦锡证实这个重要定律的过程，本身再次确立了从伽利略到笛卡尔开始的科学方法，即自然科学的任何定律必定是能够证实的。现代科学的研究方法就是靠这些科学家不断通过实践确立起来的。顺便提一句，1748年，俄罗斯化学家罗蒙诺索夫也曾精确地测定了化学反应前后的物质变化，并且提出了这一定律，但是由于俄罗斯处于欧洲的边缘，和欧洲其他国家没有科学研究的交流，因此他的贡献直到很晚才被欧洲广泛得知。

近代化学之父拉瓦锡

正如牛顿建立了经典物理学的体系一样，拉瓦锡奠定了化学的基础，他与同时代的科学家戴莫维、佛克罗伊一起编写了《化学命名法》，并于1787年发表。在这本书中，他们制定了化学中物质的命名原则和分类体系。在此之前，化学家们对同一种物质说法不一，相当混乱。拉瓦锡等人指出每种物质必须有一个固定名称，单质命名要尽可能表示其特性，而化合物的命名要尽可能反映出其组成成分，现在我们把铁锈称为氧化铁，把普鲁士蓝称为硫酸铜，就是这样得名的。现代化学课本中使用的各种酸、碱、盐的名称，遵循的都是拉瓦锡等人给出的命名法则。这种命名法则还很好地与物质的分类相一致。为了科学地描述化学反应，拉瓦锡发明了化学方程式。如果没有化学方程式，我们今天描述化学反应既不简洁也不清晰。

根据氧化说和质量守恒定律，1789年拉瓦锡发表了《化学基础论》。他在这本学术专著中全面地阐述了自己的观点，定义了“元素”的概念，并且对当时已知的化学物质进行了分类。拉瓦锡总结出33种基本元素（尽管一些实际上是化合物而不是真正的单质元素）以及由它们组成的常见化合物，这使得以前零碎混乱的化学知识变得系统而清晰。这本书除了理论部分外，还包括实验部分，在实验部分中，拉瓦锡强调了定量分析的重要性。最重要的是，拉瓦锡在这部书中通过氧化说和质量守恒定律的理论体系，成功而完整地揭示了很多实验结果。这种简洁、自然而又可以解释很多实验现象的理论体系，完全有别于以前那些充满炼金术术语的化学著作中的那种复杂而不清晰的解释。很快，他的著述产生了轰动效应，虽然早期的一些化学家，包括普利斯特里坚决抵制拉瓦锡的理论体系，但是年轻的化学家们却非常欢迎。这部书被列为化学史上划时代的作品。到1795年左右，欧洲大陆基本上都接受了拉瓦锡的理论。

拉瓦锡在化学发展史上建立了不朽功绩。他在化学的研究过程中，再次确认了科学方法的重要性。他一生强调实验是认识的基础，他的治学原则是：“不靠猜想，而要根据事实”，“没有充分的实验根据，从不推导严格的定律”。他在研究中大量地重复了前人的实验，一旦发现矛盾和问题，就将它们作为自己研究的突破点。今天，很多科学研究都是由发现前人的问题作为突破口来展开的，这个方法是经过拉瓦锡和很多科学家的实践确立的。在实践过程中，除了对实验现象进行超乎常人的细致观察，拉瓦锡还坚持运用定量方法，通过数据确定或者推翻一些结论。对于实验结果的分析，拉瓦锡强调要严格遵循合乎逻辑的步骤，才能对实验结果予以正确解释。

和所有的科学巨匠一样，拉瓦锡善于对整个学科进行分析综合、提出新的学术思想，并且建立起学科体系。具体到化学研究，拉瓦锡善于发现化学反应中各种物质变化的相互联系，然后透过现象看到本质，因而他比同时代的化学家要看得远。后世评价拉瓦锡为近代化学之父，甚至认为他之于化学，犹如牛顿之于物理学。