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▲燃素學說（The Phlogiston Theory）是三百年前的化學家們對燃燒的解釋，他們認為火是由無數細小而活潑的微粒構成的物質實體。這種火的微粒既能同其他元素結合而形成化合物，也能以游離方式存在。大量游離的火微粒聚集在一起就形成明顯的火焰，它彌散于大氣之中便給人以熱的感覺，由這種火微粒構成的火的元素就是“燃素”。
◆ ◆ ◆ ◆ ◆ 熱學研究、燃燒問題研究、氣體研究等等領域在18世紀也都逐漸從定性的觀察記錄轉向定量研究，最終完成了化學革命。 定量研究的成熟有賴于實驗儀器的發(fā)展，我們剛才說到，部分因為演示實驗的需求，實驗儀器的發(fā)展在18世紀得到了促進，溫度計、氣壓計、氣體的收集裝置、更精密的天平秤等等，這些精密儀器在18世紀后半葉普及開來。 蘇格蘭學者約瑟夫·布萊克（1728-1799）借助水銀溫度計進行熱學研究，他發(fā)現(xiàn)讓冰化成水需要施加固定的熱量，但溫度計沒有變化，從而區(qū)分了溫度與熱量的概念。他進而發(fā)現(xiàn)不同物質容納熱量的能力不同，也就是說一定的熱量讓不同的物質提升的溫度不一樣，從而提出了“比熱”的概念。 那么在物質之間傳遞的“熱量”究竟是什么呢？拉瓦錫和拉普拉斯提出了“熱質說”，認為熱是一種沒有重量的流動物質，熱的傳導就是熱質在物體之間流動。熱質說還把蒸發(fā)過程解釋為被蒸發(fā)物與熱質的“化合”。 熱質說雖然在現(xiàn)在看來是錯誤的，但它反映了對理論化的定量研究的訴求，因為一種定量研究的科學理論，不僅僅意味著定量地測量一個又一個數據，更要給出某種守恒律來解釋數據之間的關系，如果沒有守恒律，就難以把諸多定量數據放在一個“等式”之內。而守恒律總要求設定某種恒定的東西的存在?！盁豳|”就是這樣一種在變化中保持不變的恒定之物，“燃素”也是一種。 燃素說由德國化學家施塔爾（1660－1734）于1703年提出，用以解釋燃燒現(xiàn)象。施塔爾在化學史上很重要，他明確把化學與物理相區(qū)別，認為物理學研究的是均質的物質粒子之間的集合，而化學研究的是異質物質之間的合成和分解。 燃素說認為燃燒過程是物體失去燃素的過程，它和后來的氧化學說正好相反，認為燃燒是分解而不是化合。空氣是一種助燃劑，燃素從物質中分解出來而進入空氣。如果隔絕了空氣，比如用罩子蓋住了蠟燭，燃燒就會停止，這是因為封閉的空氣中的燃素很快就達到飽和，燃素跑不出來，自然就不能再燃燒了。 燃素說在18世紀影響很大，不僅限于化學領域，在生命科學、地球科學等領域也被用來解釋許多現(xiàn)象。但燃素理論的定量化并不成功，最終被拉瓦錫的氧化還原理論所取代。 說氧化還原理論之前還要講一下18世紀的氣體研究。我們之前提到煉金術士赫爾蒙特就區(qū)分了空氣和氣體，但他當時沒有收集氣體的設備，因而無法具體研究各種氣體的性質。而收集氣體的裝置在18世紀出現(xiàn)了，黑爾斯（1677-1761）1727年出版的《植物靜力學》一書中描述了收集氣體的方法（圖1），用倒扣在水面上的容器收集氣體。黑爾斯本人并不研究這些氣體，他以為這些氣體與空氣是一樣的，但他提供的方法影響深遠。 ▲圖1 《植物靜力學》中演示氣體收集方法 布萊克1756發(fā)表《碳酸鎂實驗》，考查加熱碳酸鎂產生的空氣，他稱之為“固定空氣”，他發(fā)現(xiàn)釋放該空氣后鹽的重量減少了，且喪失了堿性。而這種空氣與一般空氣不同，它能使石灰水變渾濁，不支持燃燒和呼吸。布萊克正式把氣體研究納入化學領域，他指出氣體也是化學物質，會參與化學反應，可以考察其化學性質。 英國牧師普里斯特利（1733-1804）是一個研究氣體的達人（圖2），他區(qū)分出許多種空氣，包括：“固定空氣”、“易燃空氣”、“含氮空氣”、“海酸空氣”、“堿性空氣”、“含燃素空氣”等，翻譯成現(xiàn)代的概念依次是：二氧化碳、氫、氮氧化物、氯化氫、氨、氮。 普里斯特利認為這些空氣的區(qū)別在于所含燃素的程度。鑒于呼吸過程是把有害的燃素排放到大氣里，富含燃素的空氣是不適合呼吸的。 普里斯特利通過加熱紅色汞金屬灰（氧化汞）得到了一種能夠促進燃燒并且適宜呼吸的空氣，他把它命名為“脫燃素空氣”。既然燃素說認為燃素飽和的空氣會抑制燃燒，那么沒有燃素的空氣自然就會促進燃燒了。我們現(xiàn)在知道這種脫燃素空氣就是氧氣。 比普里斯特利稍早一些，瑞典化學家舍勒（1742-1786）也獨立地分離出了氧氣，他將之命名為“火空氣”，他認為燃燒過程是燃素與這種火空氣結合的過程。 ▲圖2 普里斯特利氣體實驗的儀器圖示（1774） ▲《過時的智慧——科學通史十五講》 【本文摘自《過時的智慧——科學通史十五講》第十三講 流行時尚：啟蒙時代的科學，上海教育出版社，2016年7月出版。】 |
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