拉瓦锡的化学革命及其反思与启示

摘要： 拉瓦锡在化学革命中的地位近年来经历了被反思和重新评价。他对化学发展的历史贡献主要包括定量方法的全面引入、破除化学元素的玄学概念和奠定现代化学实验规范的基础等。但拉瓦锡依然延续了旧时代的一些错误和局限，导致他的化学理论并未完成彻底的化学革命。化学革命的一般叙事过于理想，实际上它应当被视为旧有范式和新生范式之间进行长期博弈和选择的结果。上述历程对今天的化学研究和教学具有很强的启示意义。

关键词： 拉瓦锡; 化学革命; 化学史;化学教学

文章编号： 1005-6629（2021）12-0093-05

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 引言

十八世纪下半叶，整个化学界正在酝酿着一场重大的变革。就在拉瓦锡进入化学界的时候，化学刚刚从中世纪炼金术的桎梏中挣脱出来，开始成为一门真正的科学。在实验事实上，化学家们不再像炼金术士那样，只把炼出黄金或者其他神奇药品作为研究目标，而是转向了探究一般的物质组成、结构和它们相互转化规律的研究。理论上，一个多世纪以前提出的燃素理论正在此时风行于化学界，并且在很多事实上都取得了成功。

然而随着实验事实的进一步积累和化学家们思考的深入，燃素理论出现了越来越多的漏洞。新发现的矿物、新合成的物质以及新观察到的实验现象，像滚雪球一般增长，它们都迫切期待化学界出现一个更具有解释力的理论，来概括这些实验结果。另一个更加深刻的问题是，化学界当时还缺乏统一的定量认识，数学作为自然科学最重要的工具之一，还没有在化学界得到充分的应用。这也阻挠了化学成为近代科学的脚步。

就在这样的背景当中，拉瓦锡开始了他的研究，并且依靠他的主客观条件，引导了化学革命的发生[1，2]。1777年，拉瓦锡正式向科学院报告他的燃烧理论： 燃烧过程是物质和氧发生相互作用的过程。燃烧过程中，可燃物质与氧相互结合。如果是金属，就形成了金属的氧化物，因此质量是增加的。整个过程不需要燃素的出现，也就实际上否定了燃素的存在。这就把被燃素说颠倒了的燃烧理论重新扭转回来。在系统研究当时的化学知识、并梳理了自己的理论体系之后，1789年，拉瓦锡在巴黎出版了他最重要的著作——《化学基础论》。《化学基础论》的出版标志着化学革命的到来，它与牛顿的《自然哲学的数学原理》和达尔文的《物种起源》一起，并称为自然科学的三大经典著作[3]。

《化学基础论》原书题名为《化学基础论，以一种新的系统秩序容纳了一切现代发现，附图》[4] 此处所列由笔者译。，共分上下两卷。上卷包括序言和正文前两部分。第一部分“论气态流体的形成与分解，论简单物体的燃烧以及酸的形成”共分17章，主要从实验角度重新分析了空气、水和常见物质的组成，并提出了新的化学理论。第二部分“论酸与成盐基的化合，论中性盐的形成”列出44张表格，系统讨论了当时已知的化学元素单质和大部分化合物的组成和命名，并对它们的化学性质进行了讨论。下卷包括正文第三部分、8个附录和13个图版。第三部分“化学仪器与操作说明”共分8章，对拉瓦锡所使用的实验仪器和手段进行了详细的介绍。8个附录主要是针对拉瓦锡所用的度量衡单位进行说明和换算，13个图版共有160张图，展示了拉瓦锡所用实验仪器的结构和功能。

从十九世纪中期以来，拉瓦锡一直被视为化学革命的代表人物，恩格斯将拉瓦锡的成就与马克思的成就相提并论，并在《自然辩证法》中高度赞扬了拉瓦锡推翻燃素说的历史价值[5]。上述评价对将拉瓦锡推向革命旗手的地位发挥了很大作用[6]，托马斯·库恩更在其名著《科学革命的结构》中将其作为一个经典案例来讨论[7]。然而，近年来的科技编史学研究逐渐开始解构拉瓦锡在化学革命中的地位，发掘出更多重要人物和事件节点[8]，并指出拉瓦锡的研究活动并非完全革新，而是来自继承与扬弃[9，10]。在这种情况下，重新评定拉瓦锡在化学革命中的贡献和局限，并指出其对今天化学教学与研究的启示，便具有了新的意义。

2 拉瓦锡的历史贡献

拉瓦锡对近代化学的第一大贡献是定量方法的全面引入。马克思曾经说过，“一种科学只有成功地运用了数学时，才算达到了真正完善的地步”[11]。炼金术士们并不十分重视定量分析和检验，他们更关注实验现象本身。尽管从海尔蒙特的柳树实验开始，重量分析已经被化学家们接受并使用，但是真正全面、彻底地使用重量分析化学变化中的所有进程，应当从拉瓦锡本人开始。

拉瓦锡本人所贯彻始终的定量思维使得他能够跳出传统理论的限制，发现事实背后的真相。在他早期对石膏成分、水和土相互转化和金刚石成分的研究当中，就充分使用了天平来对样品进行称重，并且比较不同称重结果，从而得出结论。他通过煅烧密闭容器中的水重量不变证明了水不能转化为土，通过称量和化学性质检测说明金刚石点燃生成的是二氧化碳。同時，18世纪开始，天平的制造技术有了极大的提升，拉瓦锡使用的天平，其精度可以达到百分之五格令（约合千分之三克左右），这足以使得拉瓦锡做出非常精确的实验称量。拉瓦锡的天平成为了撬动化学革命的核心杠杆。

在提出燃烧理论的过程中，拉瓦锡最重要的贡献在于，他用天平的方法验证了化学变化过程中的质量守恒定律。他指出，在化学变化过程当中，只是物质的组成和比例发生了变化，但是整个体系的质量并没有发生变化，元素的种类和数量也没有发生变化，“一种物质增加的重量实际上恰好与另一种物质失去的重量相一致”（《化学基础论》第一部分第三章）。这便是不同物质之间相互转换的根本规律。例如在“汞灰”加热分解成水银和氧气的过程当中，汞元素的质量和氧元素的质量，加起来就等于分解之前“汞灰”（实际上是氧化汞）的质量。在氧化汞当中存在着的，依然是汞元素和氧元素，只不过它们以新的形式结合起来了。

拉瓦锡的第二大贡献是破除了化学元素的玄学概念。古希腊和古印度主张“四元素”[12

]，古代中国主张“五行”，中世纪西欧的炼金术士们主张“三元素”或“七元素”[13

]。不过，无论是三元素、四元素、五行还是七元素，他们的哲学意味都要大于实践意义。最早对元素进行现代定义的是波义耳，他对元素的定义是： 不能被物理或化学方法分解成为更简单物质的便是元素的单质。波义耳在他的著作中，还质疑了三元素说，认为追求三、四或者其他数字只是一种迷思[14]。但在当时，波义耳并没有更好的替代方案。

拉瓦锡在自己研究的基础上，彻底否定了把元素的数目设定为某个固定数字的看法，并且进一步指出，只有实验才是检验上述假设是否合理的标准，也因此，新元素的发现和增添应当来自实验而不是来自理论玄想。他在《化学基础论》的导言中批驳道：

非常值得注意的是，尽管有一大批哲学派的化学家支持四元素的学说，但他们没有一个人不曾因为受到事实证据的影响而在他们的理论当中增加更多的元素数量。第一批在文艺复兴后写作的化学家认为，硫和盐是组成许多物质的基本物质。因此，他们承认存在六个要素，而不是四元素说指出的四个。贝歇尔假设存在三种土质，他认为所有类型的金属物质都是由它们的不同比例组合而成。斯塔尔对该系统作了新的修改;后续的化学家接着随心所欲地作出或想象出各种变化和补充。所有这些都是化学家受到他们所处时代的思潮影响提出来的，这种思潮满足于没有证据的断言，或者至少承认的是最不可能成立的、没有那种现代哲学要求的严格分析来支持的证据。

炼金术士和燃素学说支持者依旧满足于理论上的想象，同时也不进行严密的定量实验，因此尽管他们有大量的实验观察，但并不能够真正认识元素。拉瓦锡认为，应当抛弃那些空想和设定，一个物质是不是元素，只能通过实验来判定。他继承了波义耳的观点，如果任何实验手段都不能将一个物质拆分成为更简单的物质，那么它就应当被视为一种元素。

作为一名严谨的科学家，拉瓦锡清楚地意识到，他的实验手段也有局限性，也因此在理论中专门留下了将来完善的空间。他认为，如果目前的拆分手段不足以把某个物质进一步分解，那么应当认为这个物质就是一种元素。但是，一旦有实验证据证明，这个物质可以被分解，那么它就不再是元素，而组成它的要素就成了新的元素。这就使得化学家们远离了玄学，而把研究重点放到如何发展实验手段、从而更好地分析物质和发现元素上了。

拉瓦锡的第三大贡献是奠定了现代化学实验规范的基础。化学是一门以实验为基础的科学，在这一点上，它要比物理学或生物学发展得更早。从古代的炼金术和炼丹术开始，实验的传统就一直被化学家们所重视，直到拉瓦锡所生活的时代。炼金术士和燃素论者积累了大量的实验结果和发现，并且其中大部分都是可靠的，他们的问题不在于重视实验，而是在于重视实验不够，有时候还会使用未经实验验证的理论来错误地解释实验，因此才走入歧途。拉瓦锡高度强调实验工作的重要性。他在《化学基础论》的导言中说道：

我们必须只相信事实： 那些由自然展示给我们、并且不能说谎的事实。在任何情况下，我们都应当把我们的推理交给实验来验证;并且除了经由自然的实验和观察道路之外，绝不研究事实。

尽管与同时代的舍勒、卡文迪许和普里斯特利相比，拉瓦锡的实验工作显得不那么突出，甚至有人认为拉瓦锡其实没有自己做出过实质性的实验发现，但是这并不意味着拉瓦锡在化学实验上毫无贡献，更不能说明他缺乏实验功底。实际上，拉瓦锡高度重视实验工作，并且具有高超的实验技巧。他之所以没有做出更多的实验领域的发现，只是因为他的精力没有放在探索未知物质，而是放在理解已经发现的实验事实上。而许多重要的实验虽然经过前人探索，但正是由于拉瓦锡精湛的实验技巧，其本质才得以被揭示出来，并由此产生了拉瓦锡自己的化学理论体系。氧气的再发现和水的分解，都是非常典型的案例。

与过去的化学家重视对实验现象的观察相比，拉瓦锡更加重视定量分析在化学实验中的应用。他大大发展了基于重量的分析方法，并且通过创制和改造不同规格的天平，来保证重量法能够得以精密地实现。同时，他还创制了可用于准确量热的仪器。此外，经他改造的燃烧、过滤、分离等基本实验装置后来都成了化学实验室沿用数百年的标准设置。在《化学基础论》中，拉瓦锡在第三部分“化学仪器与操作说明”里利用八章的篇幅，专门论述实验的设计和进行，并且还配合13幅实验装置图版来说明问题。

3 拉瓦锡的局限性

虽然拉瓦锡和他的《化学基础论》在化学史上的地位非常重要，但这并不意味拉瓦锡完全没有错误和缺点。由于时代、环境和个人条件的种种约束，拉瓦锡及其作品也有很多局限。

在科学上，拉瓦锡最大的局限是虽然系统地批判了燃素说，但并没有完全从燃素说的思维方式中挣脱出来。承接自炼金术士的传统，燃素说试图将当时观察到的化学现象都纳入到燃素身上进行解释，这最终就会陷入某种形而上的玄想。但同时，燃素理论也并不是完全一无是处。实际上，正是由于燃素说的思维方式，才使得拉瓦锡能够提出它的氧化学说。燃素理论把过去抽象的“火”元素变成了具体的可研究的一个对象——燃素，尽管它给燃素加上了一些不太正確的假设，但是这些假设是可被实验检验，并且也可被推翻的。

拉瓦锡提出的氧化学说，实质上就是用一种具有正质量的元素——氧来替代具有负质量的燃素，并重新解释实验现象。其实在当时，大部分场合下氧化学说和燃素理论都是等效的，只是在一些关键性的实验上，氧化学说显得更合理。伴随着化学的发展，实验事实积累得越来越多，燃素说的矛盾也更凸显，氧化学说才最终取得了胜利。而拉瓦锡虽然将燃素从化学中驱逐了出去，但他同时又提出了氧元素作为替代，实际上二者的作用在很多时候是相似的，这就为他的错误埋下了伏笔。

由于过度重视氧元素，拉瓦锡错误地声称一切酸中都含有氧。这在他当时观察到的各种酸中确实是成立的，也进而使得拉瓦锡将酸性归结于物质结合氧的能力。但事实上，这仅仅是看到了氧化反应产生酸性物质的性质而已，并没有揭示酸性的本质。拉瓦锡在这里试图将酸性和氧气关联起来，这种思维方式实际上还是燃素说的固有想法： 用一个主要元素来解决大部分化学现象[15]。后来的化学研究表明，酸性的本质并不在氧元素身上，而是另有成因。

由于坚持“一切酸中都含有氧”的错误假设，拉瓦锡放走了已经溜到他面前的真理，就像舍勒和普里斯特利放走了氧气那样。他错误地以为，舍勒把浓盐酸和软锰矿共同加热得到的黄绿色气体，应当是盐酸被进一步氧化之后的产物，称其为“氧化盐酸”。实际上，这种物质就是盐酸中那种非金属单质本身。问题的根源在于，盐酸中根本就不含氧，只有氢元素和氯元素。这就使得拉瓦锡错失了发现另一种元素的机会。

此外，拉瓦锡还沿袭了传统的错误观念，把光和热都视为一种基本元素，错误地认为在各种物质的粒子之间还填充着一种高度弹性的“热素”（caloric，来自拉丁文“热”calor），其实这就是我们今天熟悉的热量“卡路里”一词。“热素”实际上就是燃素在热现象上的化身，它与燃素一样，也没有办法称到质量。拉瓦锡当时以为，热素是一种简单物质，加热和冷却就是热素流入或流出物质的过程，这种想法导致了后来风行一时的“热质说”。热质的假定，没有办法解释做功和发热之间的转换，也就不能正确地理解各种热力学过程。这其实也是早期元素概念过于形而上的遗留影响。

在实验发现上，拉瓦锡的个人修养也常常是人们质疑的对象。普里斯特利就曾经长期指控拉瓦锡剽窃了他的实验结果。拉瓦锡在著作当中使用了舍勒和卡文迪许的实验结果，例如氧气的发现和水的分解，却并不明确地指出这些结果是别人先做出来的，不少化学家对此也颇有微词。科学应当尊重每一个人的原始发现地位，在重大实验结果上更应当谨慎，不要为了抢夺功劳而刻意隐瞒事实。

不过，这些局限并不足以抹杀拉瓦锡的功劳。舍勒、普里斯特利和卡文迪许，虽然有着高超的实验技巧，可能在有些实验上比拉瓦锡早几年发现，但他们都没有拉瓦锡开创性的理论思维，因此也就不能完成化学革命的“临门一脚”。换句话说，虽然拉瓦锡可能没有做出一个重大的化学发现，但是他对这些事实的重新分析和总结，才是今后化学得以继续正确发展的必要条件。

4 反思化学革命

拉瓦锡所引导的化学革命已经过去了二百多年。由此开创的近代化学，也在新的道路上成长了两个多世纪。回顾这场与法国大革命几乎同时发生的化学革命，还会带给今天的我们许多思考。

拉瓦锡提出氧化学说之初，面对的是来自于燃素说和其他形形色色燃烧理论的争论。这些讨论有的是学术争论，有的涉及到拉瓦锡个人的人品，甚至有的就是人身攻击。在这样一种复杂的论辩环境当中，拉瓦锡的学说最终被越来越多的事实所确证，并且成为了化学理论的主流。当时很多人是不情愿地被卷入这场化学革命之中的，例如，普里斯特利这样的燃素说支持者，至死都不愿意接受化学革命发生的事实。

随着拉瓦锡的理论成为了化学界的主流，对这场革命的叙事也发生了转变。从十九世纪开始，拉瓦锡就被称为近代化学之父，是化学理论的开創者，任何一本化学教材，都离不开对拉瓦锡所创立理论的介绍。到了二十世纪初，科学史家就把拉瓦锡所引导的化学理论的革新正式命名为化学革命。氧化理论和燃素理论的斗争也成了光明与黑暗、进步与落后的二元冲突[16，17]。

然而，如果我们更加深刻和全面地观察整个化学革命的过程，就不难发现，上述这种二元对立转换的方式并非是历史的全部真相。首先，化学革命并不是一朝一夕发生的，它是绵延在数代人中间的一个长期的思维观念转变，这与政治领域里那种轰轰烈烈的革命是截然不同的。在拉瓦锡之前，燃素说就已经部分地将三元素说中的玄想成分剔除，这其实就已经是对中世纪炼金术的一场革命。而直到拉瓦锡去世之后，还有大量化学家相信燃素说，例如普里斯特利就终身为燃素说辩护[18]。

其次，拉瓦锡的学说并非是凭空产生的，而恰恰是在燃素说的发展轨迹当中生成的。可以说，这二者之所以能够构成对立，恰恰是因为它们都遵循了某些共同的原则。例如重视实验、重视物质、相信质量测定、排斥抽象元素等等。更加有趣的是，拉瓦锡的理论当中依然带有着燃素说思维方式的影子，正如我们在前面分析他的局限性时提到的那样。这就进一步看出，拉瓦锡的化学革命与旧时代的燃素说之间复杂的关系。

因此，拉瓦锡的学说并不是一个完结的象征，而是一个崭新的开始。从某种意义上说，拉瓦锡的氧化理论只是后来越来越发展的化学理论的雏形，它自身也经历了多轮的修正和补充。人们之所以选择拉瓦锡作为化学革命的开端，并不是因为他做出了完全正确的理论推导，而是他将人们的思维方式进行了新的转变。

在这个意义上看，化学革命就不能简单地理解为一种学说推翻另一种学说的进程，而是旧有的种种理论与实验之间的矛盾积累，已经到了不得不调整理论思维的地步，继而经由拉瓦锡的手，将其推入了新的发展轨道。打个比方来说，这个过程既不像是顺流而下、一马平川，也不像是改旗易帜、改弦易辙，而更像是在翻越山口时所通过的最高处。过去的所有积累都是大山这边爬上山坡的铺垫，一旦翻越了山口，马上又是另一番风景。

英国诗人萧伯纳有一句名言，“科学总是从正确走向谬误”。人们常常用这话来说明，科学进步的过程就是后代科学否定前代科学的过程。但如果我们仅仅这么看，就忽视了科学发现和科学理论在科学旧有话语体系中自然生长的历程。事实上，如果没有过去科学的积累，也不可能走向科学革命。而革命本身，也不仅仅是彻底的推翻，而是在旧有范式和新生范式之间进行长期博弈和选择的结果，往往不是一蹴而就的。

5 对今天的启示

回顾拉瓦锡建立化学学科新理论的历程，他并不是最早做出实验发现的科学家，但是他的深刻洞察和严谨思维使得他能够看到别人发现不了的真相，从而引导化学革命的发生。这种转变才是拉瓦锡带给化学最大的范式转变。正如库恩在《科学革命的结构》一书第六章中总结的那样，“拉瓦锡能够在实验室里看到像普里斯特利那样的气体，而普里斯特利自己却始终未能在实验中看到这种气体。反过来说，需要有一次重要的范式修改，以使拉瓦锡看到他所看到的东西，也是因此普里斯特利终其漫长的一生都未能看到它”[19]。因此，在引领科学向前进步的过程中，理论洞察和范式革新发挥着最关键的作用，必须重视理论在化学发展中的指导地位[20]。

但是另一方面，学科进步也不能为创新而创新，甚至于制造伪概念、玩文字游戏，而要全面继承和尊重前人优秀的正确的成果。旧时代的炼金术士们提出过很多玄学概念，但最终都被实验证明是子虚乌有的。而拉瓦锡并非彻底否定燃素说化学家们的工作，相反，他高度重视他们的实验结果，并且继承了燃素说中重视定量分析、系统归纳物质组成等重要的思想内核。在这些继承的基础上，他扬弃了燃素的旧观念，以氧元素取而代之，将旧时代颠倒的关系重新调整回来。不难看出，全面而批判性的继承是创新的第一步。

此外，一场学科范式的革命绝非个人单枪匹马所能完成，也并非是一日之功。拉瓦锡之前，有普利斯特利、舍勒、布莱克等化学家在实验和理论上给出的重要探索，在他之后有更多的后继者深入分析燃素说和新燃烧理论的优劣，最终才得以建立新的化学理论体系。同时，就在拉瓦锡自己身上，也体现了旧时代化学的很多残余和缺陷，他的著作也并非是绝对正确的。这些错误和残余还需要几代人逐渐摸索、批判与淘汰。时至今日，化学学科的发展更加日新月异，学科知识的体量和深度都与拉瓦锡时代不可同日而语，个人英雄主义式的故事在今天将更不可能，而是应当依靠团队协作和知识共享，在学术共同体的合作下推动学科进步。

对于化学教学而言，过去一般习惯的前后对立的化学革命叙事方法应當有所反思，应充分考虑到在化学发展过程中继承与创新二者的辩证关系，既要强调理论变革的重大意义，又要重视对过去实验事实和正确结论的继承，还要看到变革中的种种不彻底性与局限性。这样才可以引导学生更客观地看待科学进步的历程，全面体会范式革命中表现出来的科学精神，避免给他们造成过于理想化的二元对立印象，防止他们将来陷入唯创新论的泥潭。

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