科學(xué)技術(shù)史-5.2化學(xué)的重要進(jìn)展

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2.1醫(yī)化學(xué)與工藝化學(xué)

化學(xué)燃素說從煉金術(shù)中的解放經(jīng)受了約300多年，其中主要經(jīng)過醫(yī)化學(xué)與工藝化學(xué)時(shí)期、燃素說時(shí)期和氧化說時(shí)期。

醫(yī)化學(xué)即醫(yī)藥化學(xué)。盡管它與煉金術(shù)有千絲萬縷的聯(lián)系，但其實(shí)際工作為化學(xué)進(jìn)展開拓了新的方向。主要代表人物是帕拉塞爾蘇斯和范．海爾蒙脫(LU．vailHelmont，1577～1644)。

前面提到的帕拉塞爾蘇斯不僅是醫(yī)學(xué)史上的改革家，而且對化學(xué)進(jìn)展也做出了貢獻(xiàn)。盡管他沒有從實(shí)踐上完全擺脫煉金術(shù)，但他認(rèn)為煉金術(shù)的目的是荒誕的。他給煉金術(shù)下了一個(gè)新定義—一把自然?原料轉(zhuǎn)化為對人類有用的產(chǎn)品的科學(xué)。他在煉金術(shù)的兩元素(“硫”、“汞”)說基

礎(chǔ)上增加了“鹽”而提出三元素說，以此作為他的理論觀念來解釋自然界的物質(zhì)變化。他認(rèn)為“硫”是可燃元素，“汞”是揮發(fā)性或可溶性液體兀素，“鹽”則是不揮發(fā)和不行燃元素。這三元素在物質(zhì)中所占的不同比例，打算了物質(zhì)所具有的不同性質(zhì)。他做過制藥、提純等大量化學(xué)試驗(yàn)，區(qū)分了白礬和藍(lán)礬，討論了二氧化硫的漂白作用，發(fā)覺了醚類物質(zhì)及其麻醉作用，并強(qiáng)調(diào)化學(xué)操作中定量的意義。

帕拉塞爾蘇斯的醫(yī)化學(xué)學(xué)派在17世紀(jì)產(chǎn)生了很大影響。比利時(shí)的范海爾蒙脫就是這個(gè)學(xué)派的最終一位有影響的代表人物。他不同意帕拉塞爾蘇斯的三元素說，認(rèn)為水和氣才配稱為元素，由于它們是再不能被還原為更基本的東西，且兩者不能互變?yōu)閷Ψ健Ｋㄟ^聞名的柳樹試驗(yàn)論證樹的全部新物質(zhì)幾乎都是由水轉(zhuǎn)化來的。盡管試驗(yàn)構(gòu)思和結(jié)論是錯(cuò)誤的，但他的定量討論方法為現(xiàn)代化學(xué)奠定了方法論基礎(chǔ)，同時(shí)他的無不生有的信念蘊(yùn)涵著樸實(shí)的物質(zhì)不滅思想。海爾蒙脫還注意氣體化學(xué)的討論，他最早區(qū)分了空氣、水蒸氣和其他氣體．還區(qū)分了呼吸用的空氣和使人中毒的一氧化碳以及可以滅火的二氧化碳等氣體。他還討論了酸、堿等物質(zhì)。他提倡化學(xué)教學(xué)應(yīng)當(dāng)用火的操作來證明，并自稱為“火術(shù)哲學(xué)家”。海爾蒙脫對波義耳元素定義的形成有很大影響。他還提出過人體消化過程中的“酸素”理論，這已經(jīng)孕育了近代生理學(xué)中的酶學(xué)說。

16、17世紀(jì)除醫(yī)化學(xué)外，工藝化學(xué)也是從煉金術(shù)向近代化學(xué)過渡的重要方向之一。這方面的代表人物主要有德國醫(yī)生阿格利柯拉(G，Agricola，1494—1555)、意大利工匠畢林古修(V。Biringuccio，1480—1539)等。阿格利柯拉寫過許多的冶金和礦物學(xué)著作，最聞名的是1556年初版的《論金屬》。它擺脫了煉金術(shù)的束縛，成為其后200年中采礦、冶金方面的指南。盡管此書側(cè)重于應(yīng)用方面，但已有部分金屬化學(xué)以及地質(zhì)現(xiàn)象的內(nèi)容。畢林古修在其名著《火術(shù)》(1540)中，敘述了鑄鐘和鑄炮等各種運(yùn)用火的生產(chǎn)技術(shù)，并從礦物形成、采礦、提取、冶煉、化合物及其性質(zhì)，始終講到火藥和其他可燃的和可爆的物品。他針對煉金術(shù)，直接提出了“金屬不能轉(zhuǎn)化”的思想。此書和《論金屬》一書均體現(xiàn)了在化學(xué)方面學(xué)者傳統(tǒng)和工匠傳統(tǒng)的結(jié)合，是從煉金術(shù)通過工藝化學(xué)向近代化學(xué)進(jìn)展的里程碑。

2.2微素理論

17世紀(jì)化學(xué)史上的重要人物之一——波義耳是一位神職人員，兼科學(xué)家。他由于與馬略特分別地發(fā)覺了氣體定律而成為聞名物理學(xué)家。但他再科學(xué)史上更主要的貢獻(xiàn)是在化學(xué)方面。他在其代表作《懷疑派化學(xué)家》(1661)中系統(tǒng)地批判了煉金術(shù)化學(xué)認(rèn)為“性質(zhì)打算一切”、“性質(zhì)組合而成為物質(zhì)”的錯(cuò)誤原則，并在古代原子論以及醫(yī)化學(xué)家范海爾蒙脫的影響下，提出他的微素理論。

微素理論認(rèn)為構(gòu)成自然界的材料是一些細(xì)小致密、用物理方法不行分割的微粒，正是物質(zhì)的這些機(jī)械微粒打算著物質(zhì)的性質(zhì)及其變化，其中包括：它們的大小、位置、機(jī)械運(yùn)動(dòng)，以及當(dāng)時(shí)人們所了解的一切物理、化學(xué)性質(zhì)。物質(zhì)的機(jī)械微粒結(jié)合成更大的粒子團(tuán)，而這些大大小小的粒子團(tuán)作為基本單位參與各種化學(xué)反應(yīng)。也就是說，所謂化學(xué)變化就是這些粒子團(tuán)的運(yùn)動(dòng)、組合、排列從而形成新物質(zhì)的過程。

波義耳還批判煉金術(shù)中的“憐憫”、“憎惡”、“親和”等不科學(xué)的、帶感情顏色的概念。他認(rèn)為化合反應(yīng)中的吸引力或“親和力”，可以解釋為運(yùn)動(dòng)粒子相互匹配集聚的結(jié)果，而根本不是什么“相親相愛”的結(jié)果。他用微粒本身的特點(diǎn)來解釋化學(xué)反應(yīng)，是很有意義的。他的微粒說是燃素說的理論前身。比如，從他對燃燒現(xiàn)象的解釋，就可以看出這點(diǎn)。他認(rèn)為金屬燃燒后，由于火的微粒(火素)穿過玻璃容器與金屬化合，從而產(chǎn)生金屬灰。這是燃燒后重量增加的緣由。盡管波義耳的“火素”不是后來斯塔爾(1660—1734)的“燃素”，但波義耳的微素學(xué)說對燃燒現(xiàn)象的解釋卻是建立燃素說的基礎(chǔ)。兩者作為機(jī)械的微粒哲學(xué)，反映了那個(gè)時(shí)代人類熟悉自然的機(jī)械論特征。

波義耳不僅否定古代的元素說，也否定煉金術(shù)和霍亨海姆的元素說。他認(rèn)為既然不能通過試驗(yàn)把元素從物體中提取出來，它們就不配作為構(gòu)成物體的元素。他給元素下了一個(gè)較清晰的定義：元素是“指某種原始的、簡潔的、一點(diǎn)沒有摻雜的物體，元素不能用任何其他物體造成，

也不能彼此相互造成。元素是直接合成所謂完全?昆合物的成分，也是完全混合物最終分解成的要素。”他認(rèn)為化學(xué)的一個(gè)重要任務(wù)就是把簡單的物質(zhì)分解為它的組成元素，并由此熟悉物質(zhì)的本性。應(yīng)當(dāng)指出，波義耳的“元素”在多數(shù)狀況下相當(dāng)于現(xiàn)代化學(xué)中的“單質(zhì)”概念，后來拉瓦錫正式使用“單質(zhì)”概念，以區(qū)分于“元素”概念。

作為弗培根的信徒，波義耳認(rèn)為化學(xué)要建立在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)上，要對化學(xué)進(jìn)行定量討論。他第一次使用“分析”一詞，元素概念的提出就是由“分析”而來。他說，現(xiàn)在不僅要指出自然是由簡單元素組成的，而且要指出究竟由多少種元素組成。他一生中記錄了許多定性分析的試驗(yàn)。

由于波義耳確立了化學(xué)的單獨(dú)性，給出了比較清晰的化學(xué)元素的定義，并進(jìn)行了大量的化學(xué)試驗(yàn)，從而成為近代化學(xué)的奠基人。在西方文化史上，波義耳對于揚(yáng)棄古代自然哲學(xué)的整體論思維，并過渡到近代科學(xué)的分析思維，無疑是做出了巨大貢獻(xiàn)的。

2.3燃素說

完成化學(xué)學(xué)科統(tǒng)一的并不是波義耳的元素定義，而是在他的“火素”概念基礎(chǔ)上形成的燃素說。法國化學(xué)家貝歇爾(J．Becher，1635～1682)不同意波義耳把燃燒現(xiàn)象解釋為化合過程，而提出燃燒是一種分解過程即釋放“燃燒性油土”的過程。所謂“油土”不過是煉金術(shù)中的“燃燒性硫”。后來，他的同學(xué)、德國御醫(yī)斯塔爾(G．E．Stahl，1660～1734)于1703年重新編輯出版了貝歇爾著作，并增加大量解釋。他用“燃素”代替波義耳的“火素”和貝歇爾的“油土”，提出了系統(tǒng)的燃素說。

燃素說的基本觀點(diǎn)是：

(1)燃素是構(gòu)成火的元素，當(dāng)它們聚集在一起時(shí)就形成火焰，當(dāng)它們彌散時(shí)只能給人以熱的感覺。

(2)燃素充塞于天地之間，大氣中由于有它才會(huì)有閃電，生物體因含有它才富于生命活力，無生命物質(zhì)因含有它才會(huì)燃燒。物體失去它就成為死的灰燼，而灰燼獲得它就會(huì)得到復(fù)活。

(3)燃素不會(huì)自動(dòng)從物體中分別出來，只有在借助空氣而發(fā)生燃燒時(shí)，燃素才能釋放出來。火焰是自由的燃素，燃素是被禁錮的火。

(4)全部燃燒現(xiàn)象都可歸結(jié)為燃素的轉(zhuǎn)移一—汲取或釋放。比如，金屬燃燒時(shí)逸出(釋放)燃素而成鍛灰，而煅灰與木炭一起燃燒時(shí)又從木炭中汲取燃素，重新變?yōu)榻饘佟?/p>

由于燃素說使包括燃燒現(xiàn)象在內(nèi)的大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)在系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)上得到了說明，從而使化學(xué)擺脫了煉金術(shù)，結(jié)束了化學(xué)在18世紀(jì)中葉以前學(xué)問零散、解釋混亂的局面，完成了化學(xué)學(xué)科的統(tǒng)一。燃素說傳播日廣，到18世紀(jì)中葉時(shí)，幾乎被舉世公認(rèn)，許多聞名化學(xué)家都成了它的信徒。

2.4拉瓦錫的氧化學(xué)說

燃素說是一種有嚴(yán)峻錯(cuò)誤和重大困難的理論。其主要錯(cuò)誤是把煅灰說成是單質(zhì)，卻又把金屬說成化合物，并把金屬的燃燒過程說成是分解反應(yīng)。而它最大的困難是，假如確有“燃素”這種物質(zhì)存在，它就應(yīng)具有重量，然而，金屬經(jīng)煅燒釋放燃素后重量非但沒有削減，反而增加。為了自圓其說，有人設(shè)想燃素具有負(fù)重量(“輕量”)，這實(shí)際—上是向亞里士多德元素說的倒退；還有人設(shè)想燃素逸出后，有另一種較重的物質(zhì)被汲取。此外，燃素與空氣之間的依靠關(guān)系，以及找不到單獨(dú)存在的燃素，也是燃素說的理論困難，它們使燃素論者之間產(chǎn)生看法分歧。一批批新發(fā)覺的事實(shí)不斷要求對這些理論進(jìn)行修改。正如化學(xué)史家萊斯特所說：“一旦有某種更加合理的學(xué)說可供利用，燃素說就不行避開地要一敗涂地。”拉瓦錫(A．1Lavc~isier，1743—1794)的氧化學(xué)說正是在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生的新學(xué)說。

在氧化學(xué)說誕生之前，試驗(yàn)化學(xué)在氣體分別和發(fā)覺方面取得了重大進(jìn)步。1755年英國布萊克發(fā)覺了被他稱為“固定空氣”的二氧化碳：1766年卡文迪什(H．Cavendish，"31—1810)發(fā)覺了他誤認(rèn)作“燃素”的“可燃空氣”——一氫氣；1772年丹尼爾盧瑟福(DanierRutherford，1749—1819)發(fā)覺了他稱為“濁氣”的氮?dú)?，不久卡文迪什和瑞典的舍?K．W．Scheele，1742～1786)也制得了這種氣體；特殊重要的是1773年舍勒制得了被他稱為“火焰空氣”和“活空氣”的氧氣，他認(rèn)為燃燒是“活空氣”與燃素結(jié)合的過程。1774年英國的普利斯特列在試驗(yàn)中也單獨(dú)地發(fā)覺了這種物質(zhì)，他稱之為“脫燃素氣體”。他用試驗(yàn)表明小鼠在布滿這種氣體的環(huán)境里存活時(shí)間最長，而人吸了它之后也很舒適。但他仍堅(jiān)持燃素說直至去世為止。舍勒和普利斯特列所發(fā)覺的這種氣體并沒有使他們成為批判燃素說的革命家，這一事實(shí)說明：燃素說一方面促成了試驗(yàn)化學(xué)的新發(fā)覺，另一方面又阻礙著理論化學(xué)的進(jìn)展。

借助別人制造的武器最終摧毀燃素說的是法國化學(xué)家拉瓦錫。拉瓦錫于1772—1775年從事氣體化學(xué)和燃燒理論討論時(shí)就對燃燒增重問題產(chǎn)生疑問，他不同意負(fù)重量的說法，也不同意波義耳的“火素”，而認(rèn)為增重的緣由是金屬燃燒時(shí)從空氣中汲取—廠某種物質(zhì)。1774年他重復(fù)了波義耳的煅燒金屬(錫)試驗(yàn)。但與波義耳不同的是拉瓦錫加蓋了瓶塞，結(jié)果發(fā)覺反應(yīng)前后總重量不變，從而駁斥了增重是火素穿過瓶底進(jìn)入錫的錯(cuò)誤會(huì)釋，提出了灰燼是金屬與空氣中某種成分化合的新解釋。而舍勒與普利斯特列的新發(fā)覺為這種解釋供應(yīng)了強(qiáng)有力的支持。拉瓦錫在嚴(yán)格定量的基礎(chǔ)上重復(fù)了舍勒的燃燒磷試驗(yàn)和普利斯特列加熱氧化汞試驗(yàn)，使他的燃燒學(xué)說即氧化理論得以確立。在1777年9月；日完成、1780年出版的《燃燒通論》中，他提出了如下的學(xué)說：

（1）燃燒時(shí)均有光和熱放出；

(2)物體只有在純粹空氣(氧氣)存在時(shí)才能燃燒；

(3)空氣由可助燃的和不行助燃的兩種成分組成，物質(zhì)燃燒時(shí)由于汲取了空氣中的純粹空氣而增重，增加的重量恰好等于汲取的純粹空氣的重量；

(4)—般可燃物(非金屬)燃燒后都變成酸，氧是酸的本質(zhì)；金屬燃燒后所變成的灰燼是金屬的氧化物。

這就是化學(xué)史上聞名的氧化理論。

到1785年以后，他的氧化理論除普利斯特列等少數(shù)科學(xué)家外已被化學(xué)界普遍接受。1789年在他的《化學(xué)大綱》中正式把“純粹空氣”命名為氧氣(gazoxygene)。

這部標(biāo)志著化學(xué)進(jìn)展重要里程碑的劃時(shí)代著作給化學(xué)帶來了前所未有的條理性和系統(tǒng)性，它對化學(xué)的貢獻(xiàn)完全可以與牛頓的《原理》對物理學(xué)的貢獻(xiàn)相媲美。它闡明白“