拉瓦锡和氢气的发现

拉瓦锡发现的氢气

图 拉瓦锡是现代化学之父。
 

在1789年的著名研究文章 “Traité Élémentaire de Chimie”中，拉瓦锡根据这种气体和氧气结合形成水的特征，用希腊文字 hydro(水)和gene(制造)对这种气体进行了命名，hydrogène意思就是制造水的元素。

图 安托万-洛朗·德·拉瓦锡Antoine Laurent Lavoisier (1743–1794).
 

拉瓦锡是法国化学家、生物学家，近代化学之父。他使化学从定性转为定量，给出了氧与氢的命名，并且预测了硅的存在。他帮助建立了公制。拉瓦锡提出了“元素”的定义，按照这定义，于1789年发表第一个现代化学元素列表，列出33种元素，其中包括光与热和一些当时被认为是元素的化合物。拉瓦锡的贡献促使18世纪的化学更加数学化。他提出规范的化学命名法，撰写了第一部真正现代化学教科书《化学基本论述》(Traité élémentaire de Chimie)。他倡导并改进定量分析方法并用其验证了质量守恒定律。他创立氧化说以解释燃烧等实验现象，指出动物的呼吸实质上是缓慢氧化。这些划时代贡献使得他成为历史上最伟大的化学家。拉瓦锡不幸在法国大革命中被送上断头台而死。
 

氢的英文单词是hydrogen，其含义是水的元素，今天我们知道水是氢氧两种元素组成的。这已经是生活常识，但在200年前18世纪末，这是人类历史上最伟大的科学发现，是法国著名科学家，被誉为现代化学之父的安托万拉瓦锡首次用实验方法确定了氢是一种元素，并根据希腊文造gene水hydro元素命名为hydrogene(图)。拉瓦锡关于氢气氧气燃烧产生水的重要发现，彻底否定了燃素学说，然素学说是关于燃烧本质在欧洲流行的主流学说。燃烧理论认为，可燃物质包含燃素，这是一种没有重量和也无法看到物质。燃烧时燃素离开可燃物，留下无法燃烧的灰烬。1766年，英国大科学家亨利卡文迪什发现一种可燃烧气体，这种气体比空气轻，提示这种气体可能是燃素。这种可燃烧气体后来被证明是氢气，卡文迪什研究发现氢气可和另外一种空气内气体发生燃烧反应，空气中的这种气体当时被命名为生命气体(living gas氧气)，两种气体反应产生的物质是水。
 

由于痴迷于燃素理论，卡文迪什没有意识到这种可燃烧的气体是一种元素，与重大发现失之交臂。
 

和卡文迪什不同，拉瓦锡坚持重视证据，不拘泥于传统理论，这让他取得了突破。1789年拉瓦锡出版了他的杰作，也是真正的现代化学教科书《化学基本论述》“Traite Élémentaire de Chimie”。在这部书的前言部分，拉瓦锡写了他的名言“We only need to progress from learning what is known to what is unknown. The strict rule that I follow is never to form any conclusions which are not fully warranted by experiment, nor to provide any additional information in the absence of facts”。 (我们只需要从掌握已知学习到未知。我遵循的严格原则是，绝不要得出任何未经实验充分证实的结论，也不要在没有事实依据的情况下提供任何补充信息。)
 

正是基于这种实验科学精神，从大量实验的结果中，他获得了以前没有预测到的知识，其中最重要的发现之一是化学反应前后质量保持不变的规律。
 

进行水相关的实验中，拉瓦锡发现水蒸汽流过烧红的铁粉可增加其重量，并产生一种轻的气体。他认为铁粉重量增加和在空气中燃烧后重量增加一样，他计算出水中含有85%的氧15%的氢。他将氢气和氧气按照84:16质量比混合，点燃后产生水。根据我们今天的知识，氢氧混合比例是2:1，质量比是8:1。但是在当时技术条件下准确测定氢气密度是非常困难，拉瓦锡的实验是非常精准的了。根据这些结果，氢被拉瓦锡确定为一种元素。他的贡献不止于此，例如他发现木炭燃烧是和氧气反应，能产生一种气体(二氧化碳)。他还发现，人呼出的空气中，氧气减少，二氧化碳增加。热量计被发明后，这些发现进一步被确认，并建立了运动、热量、呼吸和消化等生理功能之间的相互关系。这些发现延伸出生理学新领域。多年后拉瓦锡对自己关于植物和动物的未完成研究写了一个短文。他提出，植物从土壤、空气和水中提取必需物质合成生命物质，动物则吃植物或另外吃植物的动物维持自身物质需求。因此组成动物身体的物质也源于空气和土壤，动物植物死亡后，发酵、腐烂和燃烧将从把这些借来元素还给大地。
 

大自然以何种方式管理动物、植物和大地这三个王国之间的奇妙循环?自然界是如何用没有这些特性的原料制造成可燃、可发酵和易腐烂的物质呢?到目前为止，这些仍是一个深不可测的谜。当然，燃烧和腐烂是将植物和动物成分返还土壤的方法，产生植物动物成分的过程应该是燃烧和腐烂的逆过程。
 

拉瓦锡开创的现代化学从此得到了长足的发展。随后，生物化学这门研究支持生命活动的各种生物物质的结构和作用的学科，逐渐成为了一个巨大领域，并正在继续发展。拉瓦锡因参与收税而受到革命者的审判，于1794年5月8日被判处死刑和上断头台。拉瓦锡死时只有50岁，他的死是人类科学历史上的一次灾难。他的朋友数学家约瑟夫·路易斯·拉格朗日说，“他们只花了一瞬间就砍下了他的头，但是一百年也不可能复制出这样的东西来。”