2.2 燃素学说兴衰

2.2.1 燃素学说建立前关于燃烧现象的研究

简 史

（1）波义耳以前的研究

☆早在15世纪，意大利著名艺术家达·芬奇（L.da Vinci，1452—1519）就曾注意到，没有新鲜空气补充，燃烧就无法继续下去，这表明空气与燃烧有密切的关系。

☆1630年，法国医生雷伊（J.Rey，约1583—1630）在其题为《医学博士让·雷伊关于焙烧时锡和铅重量增加原因的研究论文》中指出：“这个重量增加起因于空气……空气同粉末最微细的颗粒黏合在一起。这种情形恰如你把沙子抛入水中搅拌，使水把沙粒弄湿，同最细小的沙粒相黏合，结果使水变重”。

（2）胡克和波义耳的研究

☆波义耳和胡克（R.Hooke，又译虎克）先将木炭或硫黄放在一个器皿中，然后用抽气机把其中的空气抽干净，再将该器皿强烈加热，木炭或硫黄并不能燃烧。但如果把木炭或硫黄与硝石混合，即使在抽空的条件下，仍会猛烈燃烧。

☆波义耳在1673年仔细研究了密闭容器内煅烧金属铜、铁、铅、锡后出现的增重现象，1674年在题为《使火与焰稳定并可称重量的新实验》的论文中提出了公式：金属+火微粒=金属煅灰。

☆胡克通过1664年所做的一系列实验得出，火焰或火是由一种“空气所固有的和混合的亚硝物质”所组成的。

☆胡克还深入地通过实验证明得出：动物“只有不断获得新鲜空气进行呼吸才能生存，呼吸可以说是在吹起生命之火，因为一旦这种供给告缺，这火也就死去”。

（3）梅奥的研究

☆英国医生梅奥（J.Mayow）在1674年对燃烧现象做出了更为新颖和进步的结论。

☆梅奥认为空气中含有两种不同的粒子。其中一种为“硝气精”，在燃烧过程中被燃烧的物质吸收并破坏掉；另一种在这些过程后，仍在一小块体积中剩下来。

☆他认为空气被动物呼吸而丧失作用力和燃烧过程中被破坏是一样的。

导 图

人物小史与趣事

胡克

罗伯特·胡克（1635—1703）出生在怀特岛。他因在1660年发现胡克定律而出名，该定律首先在1676年以字谜形式表述出来，1678年胡克对该定律发表了一个明确的陈述。

1665年（也有说法在1667年），胡克发表了他的《显微术—用放大镜观察的微小物体的生理描述，附有关的观察及探究》（简称《显微术》）。这本书是献给查理二世的，其中有有趣的序言以及显微镜下所见东西的大量插图，也有一些木炭和打火石的火星的观察，还包括燃烧学说。

胡克在《显微术》中没有叙述任何实验细节，但他根据未发表的观察提出了包括12个命题的燃烧学说，尤其是他在其中说道：“空气是所有硫素物体的万用溶剂；进行溶解作用时产生大量的热，我们称之为火；溶解作用由一种固有的、同空气混合的物质产生，这种物质与固定在硝石中的东西即使不完全相同，也是极其类似；在这种空气溶解物体的过程中，有一部分被化合和混合或被溶解并转变为空气，与空气共浮沉”。胡克没能离析出空气和硝石所共有的组分—他在1682年称之为“亚硝空气”。波义耳也含糊地叫它空气中的“挥发硝石”。

胡克在1678年和1679年间做了一些实验：他将一块木炭放在盛满沙子的铁箱中，保持红热两小时之后，木炭质量只减少一丁点儿；将含有木炭的箱子安排得使其中的空气能用风箱使之流通，过一会儿火就熄灭了，空气“饱足”了。胡克还看到木炭与硫黄落在熔化硝石的表面上就亮晃晃地燃烧起来。

胡克在另一本著作《灯》中，对他在《显微术》中提到的烛焰结构的描述予以扩充。他说“所谓火焰这种短促的一时发亮的物体”“不是别的，只是受热变成稀薄的、形成蒸气或烟的形状的油的一部分”，空气作用于其上，它“由于其溶解作用，吞掉其外面的部分……产生我们所见到的光；但从中间的烛心一直到焰锥顶端那部分并不变成亮焰，到了焰锥顶端，自由的空气才能达到并能溶解它们（形成亮焰）”。拿一薄玻璃片或云母片横过火焰，可看到“焰锥中部既不发亮也不燃烧，只有火焰的最外层表面才和自由的、未饱足的空气接触”。

因此胡克假定，因为空气中存在有一些硝石中也存在的东西，所以它能够溶解可燃的物体自身，而放出的热就是溶解热，它近似于碳酸钾和硫酸这样一些物质溶解于水放出来的热。胡克的实验被梅奥所推进。

梅奥

约翰·梅奥（1641—1679）出生在康瓦尔的卢厄附近的莫尔瓦，1658年进入牛津瓦德翰学院学习，1660年被选为万灵学院的研究员，1670年得到民法博士学位，但后来在巴斯和伦敦成为家庭医生。他大部分的化学研究工作是在牛津进行的。1673年，他写完著作《医学哲学五论》，该书于1674年在牛津出版。他在这本书里面提出了有精巧和新创的实验作根据的燃烧与呼吸的学说。

2.2.2 燃素学说的建立

简 史

（1）燃素学说的主要代表人物

☆德国化学家贝歇尔（J.J.Becher，1635—1682）继承了“三要素说”，并将其应用在对燃烧现象的解释方面，从而初步形成了燃素学说的思想基础。

☆贝歇尔认为物体的组成部分为空气、水及三种土质（油状土、汞状土和玻璃状土），其中油状土是可燃的，燃烧时“油状土”被烧掉了。燃烧（焙烧）后残留物越少，说明原组分中“油状土”的含量越多。

☆贝歇尔将燃烧看成是一种分解作用，认为不能分解的物质是不会燃烧的。

☆德国化学家施塔尔（G.E.Sthah1，1659—1734）是贝歇尔的学生，1703年他重印了老师的著述，同时还亲自书写了一个长长的评注，对贝歇尔的观点备加推崇。

☆在此之后，施塔尔继承并发展了贝歇尔的观点，使之发展成为一个解释燃烧现象甚至所有化学现象的完整和系统的学说。

☆施塔尔对“燃素”学说内涵进行了系统的阐述：燃素是“火质和火素而非火本身”，在燃烧的物体中进行一种快速转动逸出，燃素包含在所有可燃烧物体中，也包含在（能燃烧成烧渣的）金属里面。

（2）燃素学说的主要观点

☆组成火的微粒称为燃素，它快速移动，能够穿透稠密的物体。其本身不燃烧、不发光、不可见。

☆大量游离的燃素聚集在一起就构成明显的火焰，它弥散在大气中，给人以热的感觉。

☆一切可燃性物质及金属中均含有燃素，一切与燃烧相关的化学变化都可归结为物体吸收和释放燃素的过程。

☆今天看来，施塔尔的上述观点明显是错误的。他对燃烧现象（实际上是氧化还原反应）的解释恰好和实际完全相反，凡是与氧结合的反应，他均认为是燃素被分离出来的反应，反之亦然。

☆在当时的情况下，燃素学说用统一的观点诠释表面看来完全不同的各种化学变化，这是化学发展史上前所未有的，不得不说是一个理论认识上的伟大飞跃。

☆正是这种思想将化学从炼金术的绝境中解救出来，即使是笃信燃素学说的化学家，他们积极从事化学实验所累积的丰富的化学素材对近代化学发展也是极具创建价值的，在某种程度上推进了化学的前进之路，同时还为建立科学的燃烧理论奠定了基础。

导 图

2.2.3 燃素学说时期几种重要气体的发现过程

简 史

（1）碳酸气（二氧化碳）的发现

☆布莱克（J.Black，1728—1799）在1755年的毕业论文中通过石灰石煅烧前后的重量改变，判断反应中释放出一种气体，称之为“固定空气”。

☆布莱克通过生石灰不吸收普通空气，却吸收这种“固定空气”的实验认为，它异于大气中的空气。

☆由于理论和实验条件的限制，布莱克一直未能制得纯净的碳酸气，更没有证明它的组成元素。

☆1766年，卡文迪许（H.Cavendish，1731—1810）用汞槽法成功收集了纯净的二氧化碳气体。1774年，拉瓦锡证实它是碳的氧化物。

（2）氢气的发现

☆1766年，卡文迪许发现，这种气体具有下列性质：易燃，和空气混合后点燃会发生爆炸。

☆卡文迪许还发现不管用哪种酸也不管酸的浓度大小，只要金属量一定，产生这种气体的量是一定的。

☆1781年，卡文迪许与普里斯特利（J.Priestley，1733—1804）分别独自在这种气体与空气混合爆炸实验中发现了产物—水。这一实验结果意味着水是氢与氧的化合物而并不是一种元素。

☆因为卡文迪许和普里斯特利都是燃素论的虔诚信徒，所以他们只能用燃素说的观点，把这种气体解释为燃素与水的化合物或是含有过多燃素的水，并继续顽固地坚持认为水是一种元素。

☆1787年，拉瓦锡（A.L.Lavoisier，1743—1794）将这种元素命名为“hydrogen”，意思是“成水元素”。

（3）氮气的发现

☆1774年，舍勒（C.W.Scheele，1742—1786）用“硫酐”溶液（硫的石灰水溶液）来吸收空气中的氧而取得氮气。经研究后他指出：“这种气体较空气轻，能灭火，性质颇似固定空气”。舍勒称之为“浊空气”。

☆大约在1779年，舍勒又发现空气通过电火花时体积会减少，生成的气体具有酸性，他误以为是碳酸气，后来被卡文迪许证实是硝酸气。

（4）氧气的发现

☆舍勒在1775年底写出《论火与空气》一书，但被出版商积压，直至1777年该书才和读者见面。

☆1774年，普里斯特利得到氧气，并证明氧气具有下列性质：不溶于水；助燃，使蜡烛发出耀眼的光。

☆舍勒与普里斯特利对氧的发现是他们发现真理的一次极好机会。在此基础上更进一步就可以揭示燃烧现象的真谛，从而推翻燃素学说，取得具有划时代意义的伟大成就。

☆因为二人都是燃素学说的忠实信徒，不肯对燃素学说有一丝一毫怀疑，所以“从歪曲的、片面的、错误的前提出发，循着错误的、弯曲的、不可靠的途径进行探索”，从而使“碰到鼻尖上”的真理“溜走”了，成为化学发展的道路上唯心主义造成的一个科学悲剧。

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人物小史与趣事

卡文迪许

卡文迪许（1731—1810）出生在英国一个贵族家庭。1766年，卡文迪许发表了他的第一篇论文《论人工空气的实验》。以后他又陆续发表了一些关于化学、物理学的富有成果的报告，逐渐引起英国甚至欧洲科学界的震惊。

他的生活一直非常有规律，很少生病，直至1810年才以79岁高龄与世永别。

☆对于金钱的概念淡薄

卡文迪许的父亲是德文郡公爵二世的第五个儿子，母亲是肯特郡公爵的第四个女儿。早年，卡文迪许从叔伯那里得到了大宗遗赠。1783年其父亲逝世，又给卡文迪许留下大批遗产，使他成为英国的巨富之一。虽然家资万贯，但他的生活却非常俭朴。他身上穿的永远是几套过时陈旧的绅士服，平日吃得也非常简单。

有一次，经朋友介绍，一位老翁前来帮助他整理书籍。老翁穷困可怜，朋友本希望卡文迪许给他较优厚的酬金。哪知工作完后，酬金一事卡文迪许只字未提。事后朋友告诉卡文迪许，这位老翁非常可怜，请他帮助。卡文迪许惊奇地问：“我能帮助他什么？”朋友说：“给他一点生活费用。”卡文迪连忙忙从口袋掏出支票，边写边问：“2万镑够吗？”朋友吃惊地叫起来：“太多，太多了！”可是支票已写好。由此可见，钱的概念在卡文迪许的头脑中是非常淡薄的。