氧化學說的建立

【摘要】：拉瓦錫以嚴謹的治學精神和超前的科學思想，推翻了燃素學說，提出了燃燒的氧化學說，完成18世紀的化學革命。

【關鍵詞】：燃素學說;拉瓦錫;氧化學說

究竟是誰發現了氧氣？至今仍是一個有爭議的歷史問題。有人說中國古代就發現了氧氣，雖然中國的氧氣發現者與歐洲氧氣發現人瑞典化學家舍勒（K.W.Sheele，1742-1786），給氧氣取的名稱一模一樣，但是中國人制得氧氣了嗎？氧氣的化學性質如何，他們當時知道嗎？經過大量的調查研究，大多數人認為法國著名化學家拉瓦錫（A.L.Lavoisier，1743-1794）發現了氧氣。

1.探索燃燒之謎

火是人類最早認識到的一種化學現象，人們對火及燃燒現象的實踐活動至今已有50萬年的歷史。多少年來對燃燒現象的認識吸引了許多學者，企圖認識其本質，掌握其規律。

古希臘學者亞里斯多德（Aristotle，公元前384-322），對事物構成的本源，提出了“四元素說”。一切物質都是由土、水、空氣和水組成的，它們是干、濕、冷、暖的結合體。

隨著歐洲醫藥化學的興起，瑞士醫生帕拉塞斯（Paracelsus，1493 -1541），提出了“三元素說”，認為萬物由鹽、硫、汞三種元素以不同的比列構成的，物質中某一種元素成分的多少，決定了該物質的性質。

德國化學家貝歇爾（Becher ，1635-1682），在1669年寫的《土質物理》一書中論述了燃燒作用，繼承了帕拉塞斯的“三元素說”，提出：水和油狀土質、汞狀土質、玻璃狀土質，物質之所以千差萬別，是由于構成他們的土各不相同。

1703年德國學者施塔爾（Stahl，1659-1734），發展和總結了他的導師貝歇爾及當時各家的觀點，創立了“燃素學說”。“燃素學說”認為一切與燃燒有關的化學變化都可以歸結為物體釋放燃素與吸收燃素的過程。按照“燃素說”的觀點看：金屬-燃素=金屬煅渣。

2.氧化學說的建立

1772年舍勒，進行了一系列實驗，用加熱某些硝酸鹽、氧化物和碳酸鹽放出氧氣和黑錳礦與濃H2SO4或濃H3AsO4混合蒸餾這兩種方法[1]首先制得了純凈的氧氣，命名為“火空氣”，并進行了初步的研究。

舍勒證明這種氣體也存在于空氣中，當某種物體在這種氣體或普通空氣中燃燒后，這種氣體就消失了。但由于舍勒是信奉“燃素學說”的，他仍然認為燃燒是空氣中這種火空氣與燃燒物放出的燃素結合的過程。火就是火空氣與燃素生成的化合物，因而未能對燃燒現象作出正確的解釋。

1774年英國化學家普利斯特列（J.Pristley，1733-1804）通過用聚光鏡使汞鍛灰分解的實驗，也制得了純凈的氧氣。他用一個大凸透鏡加熱汞鍛灰，發現很快就放出了氣體。他把這種氣體收集起來，并進行了研究。但由于他堅信燃素學說，他認為空氣只有一種成分。從汞鍛灰分解出來的是新鮮的、一點燃素都沒有的空氣，所以吸收燃素能力特別強，因此他把這種氣體叫做“脫燃素空氣”。他認為普通的大氣，由于經過動物呼吸，植物的腐爛，已經包含有不少燃素，所以助燃性就比較差了。一旦空氣被燃素所飽和，已不再助燃，最后變成“燃素化空氣”。

1772年法國化學家拉瓦錫讀到一篇報告，談到高溫下灼燒金剛石時，金剛石消失得無影無蹤，連一點灰都沒有留下。他想如果按照“燃素說”的觀點解釋，金剛石就是燃素了，這豈不是笑話？

于是他集中精力研究燃燒的問題。他認為一定與周圍的空氣有關。假如在沒有空氣的條件下，灼燒金剛石會有什么結果，于是他將金剛石外裹了一層石墨外衣，經過幾小時加熱灼燒冷卻后，剝去外層石墨，金剛石完好無損。說明在隔絕空氣的條件下，灼燒金剛石不會發生變化。他做了在玻璃鐘罩內燃燒白磷后使蓋在鐘罩內水的液面上升的實驗。重復實驗的結果證明液面上升的高度總是一定的，大約為鐘罩內空氣的1/5，這說明大約只有1/5的空氣與白磷化合了。難道空氣是混合氣體？為了證明這個想法，他又用硫、木炭等做同樣的實驗，結果一樣，證明了空氣不是單一的氣體。

1774年拉瓦錫做了著名的煅燒金屬的實驗：首先把錫和鉛分別放在曲頸瓶中，封閉后準確稱量金屬與瓶的質量，然后加熱使錫、鉛變為灰燼，再稱量，發現加熱前后總質量不變。然后把瓶蓋打開，發現瓶外的空氣沖了進去，再稱量，總質量增加了。證明金屬煅燒后增加的質量正是原來瓶中的部分空氣，也就是后來沖入瓶中空氣的質量。說明金屬煅灰是金屬和部分空氣的化合物。為了進一步證明這一點，他又用金屬煅灰做了多次實驗，他認為最有說服力的是直接加熱金屬煅灰，使其分解出空氣（氧氣）來。然而他用鐵煅灰加熱，沒有分解出氧氣。此時，普利斯特列訪問巴黎，在宴會上介紹發現“脫燃素空氣”的實驗過程，此外，舍勒也曾來信告訴拉瓦錫制取“火空氣”的實驗方法。他馬上重復了普利斯特列和舍勒的實驗，而且做了多次有關的實驗，制取出了氧氣，拉瓦錫對所制取的氣體又進行了進一步研究。由于這種氣體助呼吸、助燃燒，拉瓦錫稱為“上等純空氣”。又由于這種占空氣約1/5的氣體在燃燒磷、硫后其產物溶于水，溶液呈酸性，所以1777年拉瓦錫正式命名為“Oxygen”（氧）即“成酸元素”的意思。從1772年到1777年，拉瓦錫做了許多燃燒的實驗來說明可燃物燃燒不是分解反應，并不是像燃素說堅持的金屬-燃素=金屬煅灰。而燃燒是化合反應是：金屬+氧氣=煅灰（氧化物）。他將各種實驗結果進行歸納、綜合分析，于1777年向巴黎科學院提出一篇《燃燒概論》的報告，闡述了燃燒的氧學學說的觀點：[1]

（1）燃燒時放出光和熱。

（2）物體只有在氧存在時才能燃燒。

（3）空氣是由兩種成分組成的。物質在空氣中燃燒時，吸收了其中的氧，因而加重，所增加的質量恰為其所吸收的氧氣之重。

（4）一般可燃物（非金屬）燃燒后通常變為酸，氧是酸的本源，一切酸中都含有氧元素;而金屬煅燒后即變為煅灰，他們是金屬的氧化物。

拉瓦錫的氧化學說提出后，并沒有得到學術界的認可，因為當時的許多燃燒現象都可以用燃素學說解釋清楚，而氧化學說還不能完全解釋一部分燃燒現象，直到普利斯特列在槍筒中加熱石灰石，得到煤氣（一氧化碳）之后，氧化學說才被迅速傳播開來。拉瓦錫提出的氧化學說在現在開來是再簡單不過的理論，可是在200多年前的科學界，卻引起了非同尋常的轟動。新的氧化理論的建立，揭穿了困擾人們千百年的有關燃燒的奧秘。

四、氧化學說在中學化學教材中的滲透與建議

（一）教材中的滲透

關于氧氣的發現，人教版初中化學教科書在第二單元“課題1空氣”的正文中介紹：“二百多年前，法國化學家拉瓦錫用定量的方法研究了空氣的成分.....拉瓦錫得出了空氣由氧氣和氮氣組成，其中氧氣約占空氣總體積1/5的結論。”教材中如此敘述讓學生感覺，氧氣的發現是由拉瓦錫獨立完成的，實際上，氧氣的發現權仍是一個有爭議的歷史問題。[2]

（二）教材中的建議

教師若是以教科書作為課程資源而不做深入研究，必然會影響教學質量，所以教師在備課的時候，多閱讀些有關的化學史內容。在《氧氣的發現》教學中，通過向學生展示氧氣的3名發現者.舍勒和普利斯特列曾先后用不同的方法制得了氧氣，拉瓦錫在前人的基礎上，通過實驗得出空氣是由氧氣和氮氣組成的結論。學生不僅認識到誰是發現氧氣的第一人，還能認識到氧氣的發現所涉及到范式的轉換，新范式的出現。

首先要對原有范式（燃燒學說）進行修正，才能看到拉瓦錫所看到的東西，而普利斯特列、舍勒是原范式的忠實信徒，他們不會也不同意對原范式進行修正，所以他們一生也沒有看到拉瓦錫所看到的氧氣，[3]這樣學生就會意識到：當異常現象出現時，只有勇于拋棄原有范式，才能促進科學的發展。

參考文獻：

[1]古仁欽.氧氣的發現及科學燃燒學說的建立[J].中學化學教學參考，1998，（11）：60-61.

[2]袁振東.范慧婷. 人教版化學教科書中化學史內容的不足與對策[J].中學化學教學參考，2010，（8）：47-49.

[3]殷俊.化學史在中學化學教學中的作用[J].化學教學，1999，（18）：94-95.