拉瓦節

Antoine Laurent Lavoisier)

文:小罐子老師

 

近代化學之父


在拉瓦節之前,化學這門學問尚不足以稱為科學,它只是累積了一大堆的實驗資料、理論基礎也未完全確定、用語、術語也相當混亂,化學物品的主要分類像酸、鹼、鹽、鹼土金屬等雖然已經能辨別,但對氣體的存在卻幾乎還茫茫無知。拉瓦節在他51年的生涯中,以精確的定量實驗作為依據,推翻了統治化學理論達百年之久的「燃素說」,建立了以「氧」為中心的燃燒理論。針對當時化學物質的命名呈現混亂不堪的狀況,拉瓦節與他人合作制定出化學物質命名原則,創立了化學物質分類的新體系。根據化學實驗的經驗,他用嚴密的科學方法證明了「質量守恆定律」。這一連串拉瓦節所提出的新觀念、新理論、新思想,為近代化學的發展奠定了重要的基礎,所以他被世人尊稱為「近代化學之父」。

稅務員兼科學家


拉瓦錫1743826日出生於巴黎一個富裕的律師家庭。21歲大學畢業取得律師的資格,他的家庭打算讓他繼承父業成為一個開業律師,然而在大學裡他已對自然科學產主了濃厚的興趣,主動地拜一些著名學者為師,學習數學、天文、植物學、地質礦物學和化學。1765年,法國科學院以重金徵求一種使路燈既明亮又經濟的設計方案,22歲的拉瓦節參加了競賽。他設計雖然未獲得獎金,但被評為優秀方案,榮獲國王頒發的金質獎章,這項活動給拉瓦節很大的鼓舞、使他更熱情地投入科學研究的事業中,同時他的才華也開始引起了科學界的注目。因為拉瓦節接連不斷地取得了一項項科學研究成果,1768年他被選入法國皇家科學院,1785年他擔任了科學院的秘書長,實際上成為科學院的負責人。

拉瓦節與太太瑪麗 拉瓦節專注於實驗 拉瓦節實驗室模擬圖

其實拉瓦節的科學研究工作,幾乎都是在上班前、下班後所完成的。那麼他真正的工作是什麼呢?是私人稅務機關的的徵稅員。拉瓦節的家境原本就十分富裕,他把一些錢投資到私人徵稅公司。這種私人徵稅公司,是由一群商人組成,承包法國國王的部分收稅工作,並從中獲得一定的利益。由於工作上的關係,拉瓦節在金融業、政治界也相當的活躍,譬如參與度量衡的統一、養老年金、稅制改革、農業改革等。富裕的家境、和工作上優渥的收入,使得拉瓦節得以建立一個當時歐洲一流的私人科學實驗室,不過拉瓦節萬萬也沒想到,法國大革命爆發,在激進的革命黨人的眼中,徵稅公司是不可原諒的舊制度的象徵,是首要清算鬥爭的對象,1794年,史上不可多得的天才拉瓦節因而被送上斷頭台。

儘管在當時,拉瓦節是一個傑出的政治家、律師、財政家、農學家,但是這些成就,直至今日幾乎化為烏有,而能讓一個稅務員名垂千古,卻是他在化學上不朽的貢獻。

 

推翻「水變土」的說法


18世紀時,許多人都相信水能變成土。亞里斯多德的「四元素說」中也有水土互變的說法。而且人們也時常發現在容器中煮沸水,時間長了總會有沉澱物生成。拉瓦錫對這一觀點表示懷疑,為此他設計了一個驗證實驗。他採用一種歐洲煉金術中一種很特別的蒸餾器。這種蒸餾器能使蒸餾物被反覆蒸餾。他將蒸餾器稱重,然後加入一定重量的蒸餾水。密封後點火加熱,保持微熱,同時進行觀察。就這樣連續加熱了101天,蒸餾器中的確產生了固體沉澱物,冷卻後,他首先稱了總重量,發現總重量與加熱前相比沒有變化。他又分別對水、沉澱物、蒸餾器進行稱量,結果是水的重量沒變,沉澱物的重量恰好等於蒸餾器所減少的重量。根據實驗結果,拉瓦節寫論文駁斥了水轉為土的謬說。後來瑞典的一個科學家也對這沉澱物進行分析,證明它的確來自玻璃蒸餾器本身。

導正燃燒的理論


18世紀時,化學家對於物質的燃燒過程並不很清楚,根據當時普遍流行的燃素理論:當物質燃燒時會失去一種假設無重量或幾乎無重量的物質,叫做燃素。1774年,拉瓦節重做了波義耳關於鍛燒金屬的實驗。他將已知重量的錫放入曲頸瓶中,密封後稱其總重量。然後經過充分加熱使錫灰化(就是變成氧化錫)。待冷卻後,稱其總重量,確認其總重量沒有變化。之後在曲頸瓶上穿一小孔,發現瓶外空氣帶著響聲急急衝進瓶內,再稱其總重量和金屬灰的重量,發現總重量增加的值恰好等於錫變成錫灰後的增重。拉瓦錫又對鉛、鐵等金屬進行了同樣的鍛燒實驗,得到相同的結論。由此拉瓦錫認為燃燒金屬的增重是金屬與空氣的一部分相結合的結果,否定了波義耳的火微粒之說,也對燃素說也提出了質疑。但是,與金屬相結合的空氣成分又是什麼?

拉瓦節指揮助手進行呼吸作用實驗

1774年英國化學家卜利士力首先發現在此金屬灰的還原過程中釋放出一種會助燃作用的氣體,拉瓦節重覆卜利士力的實驗摻以自已的見解認為那是一種極純的普通空氣,但後來卜利士力證明那是一種跟一般空氣不同的氣體。拉瓦節起先稱呼卜利士力的氣體為『極適呼吸之空氣』,但後來命名為「氧」。隨著氧的發現,這燃燒與灰化之謎總算得到了解決。1777年拉瓦節提出了他最著名的論文《普通燃燒研究報告》,首次發表了他的理論,燃燒與相關的過程是因為空氣中的氧與其他物質化合的反應,否定了燃素這種物質的存在。這種對燃燒現象的解釋,改變了整個化學觀念。

確認水的組合、氧化理論


長期以來,水也被看作是一種元素。在氧元素被確認後的1781年,英國化學家卡文迪許作了一個實驗:在氫氣與氧氣的混和氣中通電、發生火花,同時會有水珠的生成。這一實驗證明水是一種化合物。但是由於卡文迪許仍舊信仰燃素說,所以對這一實驗結果不能作出清晰的解釋。於是拉瓦節自已加上精密的定量,重新設計這實驗,結果不僅合成了水,同時還將水分解為氧氣和氫氣,再次確認了水的組成,並且用氧化理論給以準確的說明。

    
實驗儀器模擬圖 在特殊的燃燒爐中進行分解實驗

根據氧化理論,1777年拉瓦節發表論文,指出動物呼吸是吸入氧氣,呼出碳酸氣。他與法國科學家拉普拉斯合作,1782年設計了冰的熱量計,測定了一些物質的比熱和潛熱。同時證明動物的呼吸也屬於一種燃燒現象。

 

質量不滅定律


在拉瓦節進行各項實驗時,天平總是他最好的合作伙伴。藉由精密的天平及有系統的測量,拉瓦節讓化學變成了一門精密的科學、量化的科學。「必須用天平進行精確測定來確定真理。」根據這一信條,拉瓦錫的實驗研究都明確地運用了定量方法。以量求質,通過數量的確定推翻了水上相互轉化的古老觀念、否定了燃素的存在、揭示了氧氣的實質和燃燒的本質。他能以考察量的變化來推導化學變化的規律,是因為他相信自然界物質的各種變化中,質量是守恆的。他提出「質量守恆定律」進一步說明了化學定量方法所依賴的前提。拉瓦節敢於明確地提出這一原理,除了有實驗事實作為根據之外,他還從「無中不能生有」這一深刻的哲學和「總量等於它的各個分量」的數學公理中獲得了啟示。

 

化學命名法與系統化


1784-1789年間,拉瓦節和許多志同道合的科學家,共同發起一項化學命名改革工作。將化合物依它的組成成分來命名,取代以前用「特性」的命名方式。例如:金屬灰叫做金屬氧化物、汞灰叫做氧化汞;酸、鹼物質使用它們所含的元素來命名;而鹽類各附以它所由來的酸的名稱,如由硫酸來的便叫『硫酸鹽』等。1787年「化學命名法」這本書出版,現今所用的化學術語的大部分都是依據這一命名法而來的。

跟命名法一書同等重要的是拉瓦節一部名著《化學基本論述》。1789年出版的這本書中,拉瓦節除了為「質量守恆」的思想了清楚的闡述,還總結了他化學研究的實踐經驗,發展了波義耳提出的元素概念,提出元素是化學分析到達的終點,也就是當時用任何化學手段都不能再分解的物質,即可稱為元素。根據此概念他還列出了一張包括33種元素的分類表。現在看來,這張表雖然存在一些錯誤,但是世界公認這是第一張真正的化學元素表。

還要等幾百年?


有人評論說:拉瓦節既沒有發現新物質,也沒有提出新的實驗項目,甚至沒有創新或改進實驗手段或方法,但是他卻在重複前人的實驗中,通過嚴格的合乎邏輯的步驟,闡明了所得結果的正確解釋,作出了化學發展上的不朽功績。成功的原因是多方面的,首先他強調了實驗是認識的基礎,他的治學座右銘是:「不靠猜想,而要根據事實。」這種尊重科學事實的思想使他能把前人所作的一切實驗看作只是建議性質的,而不是教條,從而批判地繼承了前人的工作成果,敢於進行理論上的革命。

當拉瓦節的頭被革命黨人砍下時,法國數學家拉格朗日也在現場,他看了看手錶之後,說出一句名言:「砍下拉瓦節的腦袋只需一秒鐘,但是要長出這樣的頭腦也需還要再過幾百年。」事實上要出現這樣的頭腦,比拉格朗日擔心的要更久。

 

參考資料:

從亞里斯多德以後 恩司特•費雪著 究竟出版

http://web.kmsh.tnc.edu.tw/~c2375/t0107.htm(台南縣港明高中 網站)

http://pei.cjjh.tc.edu.tw/chem_16_2.htm(科學與藝術的對話 網站)

http://home1.pchome.com.tw/web/achi2001/chem/Lavoisier.html

 

圖片來源:

http://www.chemheritage.org/EducationalServices/chemach/fore/all.html

http://www.sportsci.org/news/history/lavoisier/lavoisier.html

http://www.er.uqam.ca/nobel/c3542/photos.htm