“20天實驗”為何能成為化學史上的經典

耿雁冰

著名的“20天實驗”是法國化學家拉瓦錫與妻子共同完成的一項經典實驗，在眾多的化學啟蒙讀物以及九年級化學教材中均有介紹。美國期刊Chemical&EngineeringNews曾邀請化學家與歷史學家共同票選出最美麗的十大化學實驗，此實驗高票當選。

化學史上的經典實驗何其多，為什么“20天實驗”能被選入教材？它的經典，到底體現在什么地方呢？

“20天實驗”做了啥

1774年11月的一天，拉瓦錫夫婦在一個曲頸甑內裝了水銀，瓶頸通過一個水銀槽與外面的一個鐘形玻璃罩相通，玻璃罩內是空氣。拉瓦錫夫婦日夜不停地給曲頸瓶加熱，水銀表面上很快就出現了紅色的粉末，隨著加熱，紅色粉末越來越多。到了第12天，紅色粉末不再增多了，但他們繼續加熱，一直到第20天，紅色粉末仍不增多，才結束了實驗。

由于實驗進行了20天，這個馬拉松式的漫長實驗就成為化學史上著名的“20天實驗”。利用這一實驗，拉瓦錫解開了空氣組成之謎，也解釋了燃燒的本質。

為何會被選入教材

這個實驗之所以被選入教材，不僅因為空氣是化學啟蒙階段必不可少的重要化學物質體系，也不僅因為空氣的組成已經成為人們普遍具有的基本常識，更因為這個實驗充分體現了化學學科的特點，在化學研究的思想與方法上具有豐富的內涵。

第一，反應物的選擇。為什么選擇汞（水銀）來做這個實驗？因為空氣是一個由多種氣體組成的混合物，要測定其中氧氣的體積分數，最佳選擇應當是挑選出一種只和氧氣起反應的化學物質，并且反應產物容易分離。可以和氧氣直接作用的物質有很多，那時候的化學家已經知道能與氧氣（當時不叫氧氣）反應的有磷、硫等多種物質，現在中學化學涉及的也有很多，如大多數金屬、氫氣、磷和硫等非金屬以及許多有機物。但是，只和氧氣反應而且產物不溶或部分溶解的可選對象并不多。拉瓦錫所選用的汞，應是上上之選。首先，汞在常溫下呈液態，所以除了用作反應物，還可以通過連通器直接用于測量反應器（曲頸甑）內空間體積的變化；其次，汞的沸點為356.72℃，在持續加熱下，汞源源不斷地汽化，大量的汞原子和空氣中的氧分子得以充分反應，可以將容器內的氧氣完全反應掉；最后，反應生成的氧化汞在這個溫度下呈固態，且不溶于汞。氧化汞的密度為11.14g/cm3，汞的密度為13.59g/cm3，氧化汞的密度低于液態汞，所以浮在汞的液面上，很容易分離。氧化汞在500℃左右可以分解，同一曲頸甑即可完成它的分解，使分解后得到的氣體產物回到留有剩余氣體的空間后，可以發現原來減少的氣體是否和汞結合在氧化汞中了。

第二，方法的選擇。我們可以把整個實驗過程簡化為化合、分解、“還原”，即汞和空氣中的氧氣化合，氧化汞又分解產生了氧氣，將分解產生的氧氣與化合后剩下的氮氣混合“還原”為“原來”的空氣。拉瓦錫證明了“還原”后的氣體，其性質和原來放置在曲頸甑中的空氣完全相同。從中可以看出這個實驗設計的完美，空氣試樣的“還原”是對汞的氧化源于它和空氣中氧氣間的反應的結論，幾乎無懈可擊。這一方法對后來研究水的組成不無啟示：10年之后，卡文迪許用氫氣與氧氣化合生成水；再后來，尼克爾森電解水，得到氫氣與氧氣。這些化學實驗讓科學家認識到水不是一種元素。

入選教材后又為何做了改動

考慮到反應時間、環保等實際問題（汞有毒），實驗入選教材后，又做了部分改動。這個改動蘊含了一個很重要的化學研究方法——轉化法。

如左圖所示，左側集氣瓶中的氧氣與點燃的紅磷會發生反應，但是肉眼無法看出空氣體積的減少。此時，就需要將不明顯的反應現象轉化為其他明顯的現象來觀察。在此實驗中，集氣瓶中由于氧氣減少而造成瓶內壓強減小，右側燒杯中的水就會進入集氣瓶中，約占集氣瓶體積的1/5，同學們可以通過進入瓶中的水的體積知道減少的氣體的體積。

轉化法是化學實驗中常用的方法，在很多實驗中都可以應用。例如，酸堿溶液中和反應現象不明顯，我們可以通過指示劑的變色來判斷反應是否發生。

實驗給我們帶來哪些啟示

1773年，瑞典化學家舍勒在加熱氧化汞和其他含氧酸鹽的時候，意外發現了一種能夠支持燃燒的氣體，他把這種氣體命名為“火氣”，并給拉瓦錫寫信（據說拉瓦錫夫人像漏斗一樣把消息濾掉了）。之后，舍勒寫出《論空氣和火的化學》一書。但由于出版商的延誤，此書在1777年才出版。1774年，英國化學家普利斯特里用一個大凸透鏡將太陽光聚焦后加熱氧化汞，制得純氧，發現它能助燃和幫助呼吸，于是稱之為“脫燃素空氣”，并寫入《論各種不同的氣體》一書發表。在訪問歐洲大陸時，普利斯特里在宴會上把這一發現告訴了拉瓦錫。隨后，拉瓦錫經過多次實驗，確認氧是一種元素。他提出了燃燒的氧化學說，發表《燃燒概論》，推翻了燃素說，發起了化學史上一次著名的革命。

由此看出，科學的進步并不是僅僅依靠個別人就可以完全實現的，偉大的科學家牛頓說：“如果說我比別人看得更遠些，那是因為我站在了巨人的肩上?！边@句話很好地詮釋了科學的偉大發現首先在于一代又一代科學家的努力與傳承，在此基礎上才可能實現發展與超越。

關于三人中誰最先發現了氧氣，歷來眾說紛紜，莫衷一是。如果僅從制備氧氣這一角度而言，舍勒無疑是第一名，盡管著作發表得比較晚，但這一事實是公認的。然而，發現僅僅是開創的第一步，“見微”固然重要，更重要的還是“知著”。

在生物學上，拉馬克很早就提出了生物進化學說，作出“有機界是自然規律作用下緩慢演變的結果”的精辟論斷，然而他被“活力論”局限住了，停留在“用進廢退”的觀點上；達爾文則因提出自然選擇的正確解釋，成為進化論的奠基人。無獨有偶，物理學家洛倫茲根據邁克爾遜-莫雷實驗得出的光速不變結果，建立了超越伽利略變換的洛倫茲變換，這距離發現狹義相對論已經近在咫尺，但他依然沒有膽量質疑牛頓，而與相對論失之交臂；愛因斯坦則提出相對性原理，開創了物理學的新紀元?？梢?，“見微”僅僅是注意到了表象，“知著”則是對本質的正確把握。

拉馬克的進化論具有主觀唯心色彩，洛倫茲拘囿于經典力學不敢突破，舍勒和普利斯特里則是將他們的發現置于燃素說的框架內，“當真理碰到鼻尖上的時候，還是沒有得到真理”。因此，恩格斯說“拉瓦錫是真正發現氧氣的人”是有道理的。恩格斯在《資本論》第二卷的《序言》中，很中肯地評價了這一段化學史：“當時在巴黎的普利斯特里……把他的發現告訴了拉瓦錫，拉瓦錫就根據這個新事實研究了整個燃素說化學，方才發現：這種新氣體是一種新的化學元素；在燃燒的時候，并不是神秘的燃素從燃燒物體中分離出來，而是這種新元素與燃燒物體化合。這樣，他才使過去在燃素說形式上倒立著的全部化學正立過來了。即使不是像拉瓦錫后來硬說的那樣，他與其他兩人（普利斯特里和舍勒）同時和不依賴他們而析出了氧氣，然而真正發現氧氣的還是他，而不是那兩個人，因為他們只是析出了氧氣，但甚至不知道自己所析出的是什么?！?/p>

由此可見，對于一名科學家來說，敢于質疑、勇于創新是多么重要的科學精神！