拉瓦錫與他的天平

編輯: 逍遙路 關(guān)鍵詞: 初中化學(xué) 來源: 高中學(xué)習(xí)網(wǎng)


天平與石膏的成分

燃素說的推翻者,法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫原來是學(xué)法律的。1763年,他20歲的時(shí)候就取得了法律學(xué)士學(xué)位,并且獲得律師開業(yè)證書。他的父親是一位律師,家里很富有。所以拉瓦錫不急于當(dāng)律師,而是對(duì)植物學(xué)發(fā)生了興趣。經(jīng)常上山采集標(biāo)本使他對(duì)氣象學(xué)也產(chǎn)生了興趣。后來,拉瓦錫在他的老師,地質(zhì)學(xué)家葛太德的建議下,師從巴黎有名的魯伊勒教授學(xué)習(xí)化學(xué)。

拉瓦錫的第一篇化學(xué)論文是關(guān)于石膏成分的研究。他用硫酸和石灰合成了石膏。當(dāng)他加熱石膏時(shí)放出了水蒸氣。拉瓦錫用天平仔細(xì)測(cè)定了不同溫度下石膏失去水蒸氣的質(zhì)量。從此,他的老師魯伊勒就開始使用“結(jié)晶水”這個(gè)名詞了。

天平與質(zhì)量守衡定律

這次成功使拉瓦錫開始經(jīng)常使用天平,并總結(jié)出了質(zhì)量守恒定律。質(zhì)量守恒定律成為他的信念,成為他進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)、思維和計(jì)算的基礎(chǔ)。例如他曾經(jīng)應(yīng)用這一思想,把糖轉(zhuǎn)變?yōu)榫凭陌l(fā)酵過程表示為下面的等式:

葡萄糖 == 碳酸(CO2)+ 酒精

這正是現(xiàn)代化學(xué)方程式的雛形。用等號(hào)而不用箭頭表示變化過程,表明了他守恒的思想。拉瓦錫為了進(jìn)一步闡明這種表達(dá)方式的深刻含義,又具體地寫到:

“我可以設(shè)想,把參加發(fā)酵的物質(zhì)和發(fā)酵后的生成物列成一個(gè)代數(shù)式。再逐個(gè)假定方程式中的某一項(xiàng)是未知數(shù),然后分別通過實(shí)驗(yàn),逐個(gè)算出它們的值。這樣以來,就可以用計(jì)算來檢驗(yàn)我們的實(shí)驗(yàn),再用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證我們的計(jì)算。我經(jīng)常卓有成效地用這種方法修正實(shí)驗(yàn)的初步結(jié)果,使我能通過正確的途徑重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn),直到獲得成功!

早在拉瓦錫出生之時(shí),多才多藝的俄羅斯科學(xué)家羅蒙諾索夫就提出了質(zhì)量守恒定律,他當(dāng)時(shí)稱之為“物質(zhì)不滅定律”,其中含有更多的哲學(xué)意蘊(yùn)。但由于“物質(zhì)不滅定律”缺乏豐富的實(shí)驗(yàn)根據(jù),特別是當(dāng)時(shí)俄羅斯的科學(xué)還很落后,西歐對(duì)沙俄的科學(xué)成果不重視,“物質(zhì)不滅定律”沒有得到廣泛的傳播。

天平與“反燃素化學(xué)”

1772年秋天,拉瓦錫照習(xí)慣稱量了一定質(zhì)量的白磷使之燃燒,冷卻后又稱量了燃燒產(chǎn)物P2O5的質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)質(zhì)量增加了!他又燃燒硫磺,同樣發(fā)現(xiàn)燃燒產(chǎn)物的質(zhì)量大于硫磺的質(zhì)量。他想,這一定是什么氣體被白磷和硫磺吸收了。中/華/化/學(xué)/競(jìng)/賽/網(wǎng)

他于是又做了更細(xì)致的實(shí)驗(yàn):將白磷放在水銀面上,扣上一個(gè)鐘罩,鐘罩里留有一部分空氣。加熱水銀到40℃時(shí)白磷就迅速燃燒,之后水銀面上升。拉瓦錫描述道:“這表明部分空氣被消耗,剩下的空氣不能使白磷燃燒,并可使燃燒著的蠟燭熄滅;1盎司的白磷大約可得到2.7盎司的白色粉末(P2O5,應(yīng)該是2.3盎司)。增加的重量和所消耗的1/5容積的空氣重量接近相同。”

燃素說認(rèn)為燃燒是分解過程,燃燒產(chǎn)物的質(zhì)量應(yīng)該比可燃物的輕,而拉瓦錫實(shí)驗(yàn)的結(jié)果卻是截然相反。他把實(shí)驗(yàn)結(jié)果寫成論文交給法國(guó)科學(xué)院。從此,他做了很多實(shí)驗(yàn)來證明燃素說的錯(cuò)誤。在1773年2月,他在實(shí)驗(yàn)記錄本上寫到:“我所做的實(shí)驗(yàn)使物理和化學(xué)發(fā)生了根本的變化!彼麑ⅰ靶禄瘜W(xué)”命名為“反燃素化學(xué)”。

天平與煅灰

1774年,拉瓦錫做了焙燒錫和鉛的實(shí)驗(yàn)。他將稱量后的金屬分別放入大小不等的曲頸瓶中,密封后再稱量金屬和瓶的質(zhì)量,然后充分加熱。冷卻后再次稱量金屬和瓶的質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)沒有變化。打開瓶口,有空氣進(jìn)入,這一次質(zhì)量增加了,顯然增加量是進(jìn)入的空氣的質(zhì)量(設(shè)為A)。他再次打開瓶口取出金屬鍛灰(在容積小的瓶中還有剩余的金屬)稱量,發(fā)現(xiàn)增加的質(zhì)量正和進(jìn)入瓶中的空氣的質(zhì)量相同(即也為A)。

這表明,鍛灰是金屬與空氣的化合物。拉瓦錫進(jìn)一步想,如果設(shè)法從金屬鍛灰中直接分離出空氣來,就更能說明問題。他曾經(jīng)試圖分解鐵鍛灰(即鐵銹),但實(shí)驗(yàn)沒有成功。

到了這年的10月,普里斯特里訪問巴黎。在歡迎宴會(huì)上他談到“從紅色沉淀(HgO)和鉛丹(Pb3O4)可得到‘脫燃素氣’”。對(duì)于正在無奈中的拉瓦錫來說,這條信息是很直接的啟發(fā)。11月,拉瓦錫加熱紅色的汞灰制得了氧氣。在舍勒的啟發(fā)下,拉瓦錫甚至制造了火車頭大小的加熱裝置,其中心是聚光鏡,平臺(tái)下面是六個(gè)大輪子,以便跟著太陽(yáng)隨時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。

燃燒的氧化理論的誕生

1775年,拉瓦錫的實(shí)驗(yàn)中心已從分解金屬鍛灰轉(zhuǎn)移到了對(duì)氧氣的研究。他發(fā)現(xiàn)燃燒時(shí)增加的質(zhì)量恰好是氧氣減少的質(zhì)量。以前認(rèn)為可燃物燃燒時(shí)吸收了一部分空氣,其實(shí)是吸收了氧氣,與氧氣化合,即氧化。這就是推翻了燃素說的燃燒的氧化理論。

與此同時(shí),拉瓦錫還用動(dòng)物實(shí)驗(yàn),研究了呼吸作用,認(rèn)為“是氧氣在動(dòng)物體內(nèi)與碳化合,生成二氧化碳的同時(shí)放出熱來。這和在實(shí)驗(yàn)室中燃燒有機(jī)物的情況完全一樣!边@就解答了體溫的來源問題。

空氣中既然含有1/4的氧氣(數(shù)據(jù)來自原文),就應(yīng)該含有其余的氣體,拉瓦錫將它稱為“碳?xì)狻。研究了空氣的組成后,拉瓦錫總結(jié)道:“大氣中不是全部空氣都是可以呼吸的;金屬焙燒時(shí),與金屬化合的那部分空氣是合乎衛(wèi)生的,最適宜呼吸的;剩下的部分是一種‘碳?xì)狻荒芫S持動(dòng)物的呼吸,也不能助燃!彼讶紵c呼吸統(tǒng)一了起來,也結(jié)束了空氣是一種純凈物質(zhì)的錯(cuò)誤見解。

近代化學(xué)的奠基者

1777年,拉瓦錫明確地譏諷和批判了燃素說:“化學(xué)家從燃素說只能得出模糊的要素,它十分不確定,因此可以用來任意地解釋各種事物。有時(shí)這一要素是有重量的,有時(shí)又沒有重量;有時(shí)它是自由之火,有時(shí)又說它與土素相化合成火;有時(shí)說它能通過容器壁的微孔,有時(shí)又說它不能透過;它能同時(shí)用來解釋堿性和非堿性、透明性和非透明性、有顏色和無色。它真是只變色蟲,每時(shí)每刻都在改變它的面貌!

這年的9月5日,拉瓦錫向法國(guó)科學(xué)院提交了劃時(shí)代的《燃燒概論》,系統(tǒng)地闡述了燃燒的氧化學(xué)說,將燃素說倒立的化學(xué)正立過來。這本書后來被翻譯成多國(guó)語(yǔ)言,逐漸掃清了燃素說的影響。

從此,化學(xué)切斷了與古代煉丹術(shù)的聯(lián)系,揭掉了神秘和臆測(cè)的面紗,代之以科學(xué)的實(shí)驗(yàn)和定量的研究;瘜W(xué)進(jìn)入了定量化學(xué)(即近代化學(xué))時(shí)期。所以,我們說拉瓦錫是近代化學(xué)的奠基者。

舍勒和普里斯特里先于拉瓦錫發(fā)現(xiàn)氧氣,但由于他們思維不夠廣闊,更多地只是關(guān)心具體物質(zhì)的性質(zhì),沒有充分利用天平進(jìn)行思考,沒有能沖破燃素說的束縛,與真理擦肩而過,是很遺憾的。
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