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梦幻星空宇宙:[图文]拉瓦锡

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拉瓦锡

梦幻星空宇宙网站宇宙时空频道,关于科学家及工作者的介绍主题的文章《拉瓦锡》,主要内容讲述科学名人,科学人物,拉瓦锡,科普知识
拉瓦锡(A.L.Lavoisier,1743-1794),法国人。1743年8月26日出生于巴黎一个富裕的律师家庭。11岁进入当时巴黎著名的马沙兰学校,后入政法大学学习,21岁取得律师资格。然而在大学期间他已对自然科学产生了浓厚兴趣,拉瓦锡拜名师学习数学、天文和化学。1765年他设计的既经济又明亮的路灯方案荣获国王颁发的金质奖章,他因此受到极大的鼓舞,从此走上了科学研究的道路。1768年当选为法国科学院院士。他通过实验推翻了亚里士多德的“四元素说”中的水土互变的谬论。他不迷信当时占统治地位的燃素说观念,通过严密的实验,指出可燃物燃烧的重量变化是由氧造成的而与燃素无关,揭示了物质燃烧过程的本质,推翻了百年来约束人们思想的燃素说,创立了崭新的氧化燃烧学说。他还澄清了元素概念的混乱,奠立了化学元素的科学概念,确立了化学基本定律--质量守恒定律(该定律最先由俄国化学家罗蒙诺索夫概括提出,后于1774年拉瓦锡用更精确的实验加以证明确立),1789年出版了《化学纲要》,清楚地阐明了质量守恒思想,引起一场化学革命,推动着化学走上了科学发展的道路。同年他还积极创办《化学年鉴》杂志,该杂志出版至今,刊登了化学史上许多重要的文献,她促进了化学学术思想的交流和化学成果的传播。
   1794年5月8日,拉瓦锡因担任了法国旧政权的包税官而被法国革命法庭处以死刑,这位伟大的化学家、近代化学的奠基人就这样含冤死去,终年51岁。

 

拉 瓦 锡
 
 (ANTOINE LAURENT LAVOISIER,1743~1794)

法国伟大的化学家拉瓦锡是化学发展史上一位举足轻重的人物。1743年,他在巴黎出生之时,化学远远落后于物理学、数学和天文学。当时化学家们已经发现了大量独立的化学现象,但没有一个适当的理论框架来综合这些相互隔离的零碎的信息。那时人们错误地认为空气和水是两种基本元素。更糟糕的是人们完全错误地理解了火的性质。人们认为所有可燃物质中都包含一种被称为“燃素”的假想物质,在燃烧时,可燃物质就将它的燃素释放到空气中。

在1754年到1774年这段时间里,许多天才的化学家如布莱克、普里斯特利、卡文迪什和其他一些人已经发现了像氢气、氧气、氮气和二氧化碳气等重要的气体。但是由于接受了燃素理论,他们无法理解他们已经发现的这些化学物质的性质和意义。以氧气为例,氧气被认为是不含燃素的气体。(但那时人们就知道,一根木条在氧气中燃烧得要比在普通空气中旺盛;人们认为这或许是因为无燃素的气体可以更容易地从燃烧着的木头中吸收燃素。)显然,在基本原理没有被正确理解之前,化学的进步不可能实现。

正是拉瓦锡设法将这些令人困惑的难点正确地综合到一起,并使化学理论步入正轨。首先,拉瓦锡说,燃素理论是完全错误的,根本就不存在像燃素这样的物质。燃烧过程是由正在燃烧的物质同氧气间的化学结合构成的。第二,水根本不是基本元素而是氢和氧的化合物。空气也不是基本元素,而是主要由两种气体即氧气和氮气组成。在今天看来,所有这些阐述都是显而易见的。但是对于拉瓦锡以前和同时代的人而言,这是完全不清楚的事。甚至是在拉瓦锡建立了他的理论并给出了证明的证据之后,许多著名的化学家还拒绝接受他的思想。但是拉瓦锡在他优秀的教科书论学元素论》中非常清楚地表述了他的假说,并令人信服地列举了支持其假说的证据,以致于年轻一代的化学家们很快

信服了他的理论。

说明了空气和水不是基本化学元素之后,拉瓦锡在他的书中给出了一张表,列出了他确信是基本元素的物质。尽管他的表中有少量错误,但现在的化学元素表基本上就是拉瓦锡元素表扩大了的版本。

拉瓦锡还和贝托莱等人一同设计了第一个组织完备的化学术语命名体系。在拉瓦锡的体系中(它构成了我们现在所使用的这一体系的基础),化学物质的性质由它们的名字来描述。这是第一次采用一个统一的术语体系,它使全世界的化学家们能够清楚地相互交流他们的发现。

拉瓦锡是第一个明确阐述化学反应中质量不灭定律的人。化学反应可以把原有物质中的元素重新排列,但是不会因此破坏任何元素,而且最终生成物的重量同原来反应物的重量是相等的。拉瓦锡坚持仔细称量进行化学反应的化学品重量的重要性。这种做法使化学成为了一门精密的科学,并为后来化学的大多数进步铺平了道路。

拉瓦锡还在研究地质学方面作出了一些不太重要的贡献,并在生理学方面作出了一项重要贡献。通过细心的实验(同拉普拉斯合作),他指出呼吸的生理过程相当于一种缓慢的燃烧。就是说,人类和动物利用他们吸入的氧气,从一种缓慢的体内有机物的燃烧中获得能量。这项发现的重要性或许可与哈维发现人体血液循环的重要性相比。仅这一项发现就足以使拉瓦锡有资格位列此榜。但是拉瓦锡之所以重要,主要是因为他的化学理论使化学真正在一条正确的道路上起步。人们普遍认为他是“现代化学之父”,这一头衔对他是名副其实。同这个排行榜上的许多人一样,拉瓦锡年轻时学习过法律。尽管他取得了法律学位并被法国法律界所认可,但他从来没有进行过法律实践。虽然如此,他却从事了大量行政工作和公益工作。他是法国皇家科学院的活跃分子。他还是一个与征税有关组织的成员。结果,在1789年法国大革命之后,革命政府十分怀疑他。最后,他同这一组织的其他27名成员一起被捕。革命的审判并不是很准确的,但它确实是很迅速的。仅仅在1794年5月8日这一天时间里,所有这28名成员均被审判、定罪,并被送上断头台。拉瓦锡的工作由他的妻子继承下来。她是一位出色的女性,曾经协助拉瓦锡的研究工作。在审讯过程中,有人弓!证他对他的国家和科学作出了众多贡献,因此呼吁赦免他。法官粗鲁地拒绝了这一呼吁:“共和国不需要天才。”多少更接近事实的是他同事们的评论,伟大的数学家拉格朗日说:“砍掉他的头仅需片刻,但100年中也不会再产生一个像他那样的人。”
 

拉瓦锡和他的天平

    燃素说的推翻者,法国化学家拉瓦锡原来是学法律的。1763年,他20岁的时候就取得了法律学士学位,并且获得律师开业证书。他的父亲是一位律师,家里很富有。所以拉瓦锡不急于当律师,而是对植物学发生了兴趣。经常上山采集标本使他对气象学也产生了兴趣。后来,拉瓦锡在他的老师,地质学家葛太德的建议下,师从巴黎有名的鲁伊勒教授学习化学。

    拉瓦锡的第一篇化学论文是关于石膏成分的研究。他用硫酸和石灰合成了石膏。当他加热石膏时放出了水蒸气。拉瓦锡用天平仔细测定了不同温度下石膏失去水蒸气的质量。从此,他的老师鲁伊勒就开始使用“结晶水”这个名词了。这次成功使拉瓦锡开始经常使用天平,并总结出了质量守恒定律。质量守恒定律成为他的信念,成为他进行定量实验、思维和计算的基础。例如他曾经应用这一思想,把糖转变为酒精的发酵过程表示为下面的等式:

葡萄糖 == 碳酸(CO2)+ 酒精

    这正是现代化学方程式的雏形。用等号而不用箭头表示变化过程,表明了他守恒的思想。拉瓦锡为了进一步阐明这种表达方式的深刻含义,又具体地写到:

“我可以设想,把参加发酵的物质和发酵后的生成物列成一个代数式。再逐个假定方程式中的某一项是未知数,然后分别通过实验,逐个算出它们的值。这样以来,就可以用计算来检验我们的实验,再用实验来验证我们的计算。我经常卓有成效地用这种方法修正实验的初步结果,使我能通过正确的途径重新进行实验,直到获得成功。”

    早在拉瓦锡出生之时,多才多艺的俄罗斯科学家罗蒙诺索夫就提出了质量守恒定律,他当时称之为“物质不灭定律”,其中含有更多的哲学意蕴。但由于“物质不灭定律”缺乏丰富的实验根据,特别是当时俄罗斯的科学还很落后,西欧对沙俄的科学成果不重视,“物质不灭定律”没有得到广泛的传播。

    1772年秋天,拉瓦锡照习惯称量了一定质量的白磷使之燃烧,冷却后又称量了燃烧产物P2O5的质量,发现质量增加了!他又燃烧硫磺,同样发现燃烧产物的质量大于硫磺的质量。他想这一定是什么气体被白磷和硫磺吸收了。他于是又做了更细致的实验:将白磷放在水银面上,扣上一个钟罩,钟罩里留有一部分空气。加热水银到40℃时白磷就迅速燃烧,之后水银面上升。拉瓦锡描述道:“这表明部分空气被消耗,剩下的空气不能使白磷燃烧,并可使燃烧着的蜡烛熄灭;1盎司的白磷大约可得到2.7盎司的白色粉末(P2O5,应该是2.3盎司)。增加的重量和所消耗的1/5容积的空气重量接近相同。”

    燃素说认为燃烧是分解过程,燃烧产物应该比可燃物质量轻。而拉瓦锡实验的结果却是截然相反。他把实验结果写成论文交给法国科学院。从此他做了很多实验来证明燃素说的错误。在1773年2月,他在实验记录本上写到:“我所做的实验使物理和化学发生了根本的变化。”他将“新化学”命名为“反燃素化学”。

    1774年,拉瓦锡做了焙烧锡和铅的实验。他将称量后的金属分别放入大小不等的曲颈瓶中,密封后再称量金属和瓶的质量,然后充分加热。冷却后再次称量金属和瓶的质量,发现没有变化。打开瓶口,有空气进入,这一次质量增加了,显然增加量是进入的空气的质量(设为A)。他再次打开瓶口取出金属锻灰(在容积小的瓶中还有剩余的金属)称量,发现增加的质量正和进入瓶中的空气的质量相同(即也为A)。这表明锻灰是金属与空气的化合物。

    拉瓦锡进一步想,如果设法从金属锻灰中直接分离出空气来,就更能说明问题。他曾经试图分解铁锻灰(即铁锈),但实验没有成功。

拉瓦锡制得氧气之后

    到了这年的10月,普里斯特里访问巴黎。在欢迎宴会上他谈到“从红色沉淀(HgO)和铅丹(Pb3O4)可得到‘脱燃素气’”。对于正在无奈中的拉瓦锡来说,这条信息是很直接的启发。11月,拉瓦锡加热红色的汞灰制得了氧气。在舍勒的启发下,拉瓦锡甚至制造了火车头大小的加热装置,其中心是聚光镜。平台下面是六个大轮子,以便跟着太阳随时转动。

1775年,拉瓦锡的实验中心已从分解金属锻灰转移到了对氧气的研究。他发现燃烧时增加的质量恰好是氧气减少的质量。以前认为可燃物燃烧时吸收了一部分空气,其实是吸收了氧气,与氧气化合,即氧化。这就是推翻了燃素说的燃烧的氧化理论。

与此同时,拉瓦锡还用动物实验,研究了呼吸作用,认为“是氧气在动物体内与碳化合,生成二氧化碳的同时放出热来。这和在实验室中燃烧有机物的情况完全一样。”这就解答了体温的来源问题。

空气中既然含有1/4的氧气(数据来自原文),就应该含有其余的气体,拉瓦锡将它称为“碳气”。研究了空气的组成后,拉瓦锡总结道:“大气中不是全部空气都是可以呼吸的;金属焙烧时,与金属化合的那部分空气是合乎卫生的,最适宜呼吸的;剩下的部分是一种‘碳气’,不能维持动物的呼吸,也不能助燃。”他把燃烧与呼吸统一了起来,也结束了空气是一种纯净物质的错误见解。

1777年,拉瓦锡明确地讥讽和批判了燃素说:“化学家从燃素说只能得出模糊的要素,它十分不确定,因此可以用来任意地解释各种事物。有时这一要素是有重量的,有时又没有重量;有时它是自由之火,有时又说它与土素相化合成火;有时说它能通过容器壁的微孔,有时又说它不能透过;它能同时用来解释碱性和非碱性、透明性和非透明性、有颜色和无色。它真是只变色虫,每时每刻都在改变它的面貌。”                 

这年的9月5日,拉瓦锡向法国科学院提交了划时代的《燃烧概论》,系统地阐述了燃烧的氧化学说,将燃素说倒立的化学正立过来。这本书后来被翻译成多国语言,逐渐扫清了燃素说的影响。化学自此切断了与古代炼丹术的联系,揭掉了神秘和臆测的面纱,代之以科学的实验和定量的研究。化学进入了定量化学(即近代化学)时期。所以我们说拉瓦锡是近代化学的奠基者。

舍勒和普里斯特里先于拉瓦锡发现氧气,但由于他们思维不够广阔,更多地只是关心具体物质的性质,没有能冲破燃素说的束缚。与真理擦肩而过是很遗憾的。

拉瓦锡对化学的另一大贡献是否定了古希腊哲学家的四元素说和三要素说,辨证地阐述了建立在科学实验基础上的化学元素的概念:“如果元素表示构成物质的最简单组分,那么目前我们可能难以判断什么是元素;如果相反,我们把元素与目前化学分析最后达到的极限概念联系起来,那么,我们现在用任何方法都不能再加以分解的一切物质,对我们来说,就算是元素了。”

在1789年出版的历时四年写就的《化学概要》里,拉瓦锡列出了第一张元素一览表,元素被分为四大类:

简单物质,普遍存在于动物、植物、矿物界,可以看作是物质元素:光、热、氧、氮、氢。

简单的非金属物质,其氧化物为酸:硫、磷、碳、盐酸素、氟酸素、硼酸素。

简单的金属物质,被氧化后生成可以中和酸的盐基:锑、银、铋、钴、铜、锡、铁、锰、汞、钼、镍、金、铂、铅、钨、锌。

简单物质,能成盐的土质:石灰、镁土、钡土、铝土、硅土。

拉瓦锡对燃素说和其它陈腐观点的讥讽和批判是无情和激烈的。这使他在创建科学勋绩的同时得罪了一大批同时代和老一辈的科学家。在《影响世界历史的一百位人物》中,在许多有关历史、科学史、化学史的书籍中,作者都对拉瓦锡总是突出自己的人格特点进行低调的描述和评价,指责他在《化学概要》里没有提起舍勒和普里斯特里对他的启示和帮助。但我们得看到,拉瓦锡确实具有非凡的科学洞察力和勇往直前的无畏精神。虽然不是他最先发现氧气的制法,但他通过制取氧气分析了空气的组成,建立了燃烧的氧化学说。氧气因此不同于其它气体,被赋予非凡的科学意义。

拉瓦锡十分勤奋,每天六点起床,从六点到八点进行实验研究,八点到下午七点从事火药局长或法国科学院院士的工作,七点到晚上十点,又专心从事他的科学研究。星期天不休息,专门进行一整天的实验工作。

拉瓦锡28岁结婚时,他的妻子只有14岁。他们一生没有孩子,但生活非常愉快。她帮助拉瓦锡实验,经常陪伴在他身边。在拉瓦锡的著作里,有很多插图都是他的妻子画的            

1789年法国大革命爆发,三年后拉瓦锡被解除了火药局长的职务。1793年11月,国民议会下令逮捕旧王朝的包税官。拉瓦锡由于曾经担任过包税官而自首入狱。极左派马拉曾与拉瓦锡有过激烈的科学争论,心存嫉恨,便诬陷拉瓦锡与法国的敌人有来往,犯有叛国罪,于1794年5月8日把他送上了断头台。对此,当时科学界的很多人感到非常惋惜。著名的法籍意大利数学家拉格朗日痛心地说:“他们可以一瞬间把他的头割下,而他那样的头脑一百年也许长不出一个来。”

这时,拉瓦锡正当壮年,是51岁。
 

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