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《元素家族》
推翻燃素理论——氧气发现史(下)
鲁超   
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拉瓦锡的发现在化学史上堪称最重要的里程碑,没有之一,整个化学领域发生了翻天覆地的变化。这之前的古希腊四大元素也好,吉伯硫汞元素也好,贝谢尔三要素理论也好,一下子都被丢到化学史的垃圾堆里了,从拉瓦锡开始,新一代化学家们才有可能来认真研究一下,原来围绕着我们的全部世界究竟是由哪些元素组成的,这些元素都被定义成不能再分解成更简单的物质,当时的化学家们对元素的理解和我们现在没有任何不同。

那么,哪些物质是最简单的呢?

拉瓦锡之前,所有的化学家都说:“磷当然比干磷酸更复杂,金属当然比锈粉更复杂,因为磷是由磷酸和燃素组成的,金属也包括锈粉和燃素。”

然而现在必须承认磷是元素了,而干磷酸是磷和氧的化合物。同理,碳是元素,而碳酸气(二氧化碳)是化合物。拉瓦锡又宣布所有的金属都是元素,而锈粉是化合物。

之前人们都认为空气是元素,现在很明朗了,空气中有“火焰空气”氧,还有一种“无用空气”,我们现在都知道这是氮气。

氢的篇章中提到了,经过百万富翁卡文迪许和拉瓦锡的研究,水也被证明是化合物,里面含有两种元素:氢和氧。

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【巴黎市,市政厅,拉瓦锡的塑像。】

这个时候,化学家们才发现,原来我们的世界如此精彩,竟然是由这么多种元素组成的!

仅仅在拉瓦锡的手头上,就列出了30多种元素:氢、碳、氮、氧、磷、硫、各种各样的金属……,拉瓦锡就认为世界上不计其数的复杂物质都是由这30多种元素组成的。

他更是很谦虚的提出:“有些物质我们现在看起来像元素,但可能是因为我们没有找到合适的方法来分解他们。”他的这一观点成为接下来100多年化学史的一个努力方向 ,可以说接下来100多年里大多数关于化学的精彩故事都是围绕着新元素的发现而来的。

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【拉瓦锡的第一张元素表,现在看起来当然谬误百出,但这却是伟大的开始!】

拉瓦锡还关注到普利斯特里关于血液在氧气保持红色而在二氧化碳中变黑的描述,认为动物的呼吸作用可能也是一种氧化过程。他和拉普拉斯共同进行研究,他们使用几内亚鼠进行实验,通过测量冰盒中冰块的融化得出呼吸放出的热量,同时测量几内亚鼠呼出的二氧化碳。另一方面他们燃烧可以生成同样二氧化碳的木炭,测量其放出的热量。发现两者有一定对应关系,从而初步得出了动物的呼吸作用实质上是缓慢的氧化过程的结论。

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【静脉血和动脉血的颜色不同,说明了其中氧气、二氧化碳含量的不同,拉瓦锡的这一发现可以说是生物化学的起始。】

拉瓦锡毫无疑问可以被称为化学史上的大英雄,他的感情生活也让大部分同行们羡慕。话说28岁的拉瓦锡娶了他同事13岁的女儿——玛丽,这放在现在肯定要被扣上“萝莉控”的帽子。可是这个小萝莉真不简单,她看自己的丈夫每天扑在事业上,自己也产生了浓厚的兴趣,她一边帮拉瓦锡做实验记录,一边还帮拉瓦锡翻译外语资料,有人发现,玛丽曾经帮拉瓦锡翻译过普利斯特里和舍勒的著作。原来,拉瓦锡有这么大的成就,玛丽的帮助是不可或缺的。除此之外,小玛丽的艺术功底也很了得,她的美术老师就是大名鼎鼎的路易·大卫——名画《马拉之死》的作者,当拉瓦锡出版著作的时候,玛丽还帮他绘制插图。

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【这副图在很多地方都可以看到,就是路易·大卫的名作。】

这对小两口的好景不长,拉瓦锡很不幸的生在了乱世,1768年拉瓦锡加入法国由国王直接管辖的税务机关(Fermi)挣点钱养家糊口,这样他才有财力去支持自己从事科学研究。1780年马拉(法国大革命中雅各宾派领导人之一)发表了一篇证明火是元素的论文,希望借此可以入选法兰西科学院,但没有政治头脑的拉瓦锡对此论文的评价很低,两人由此结下了梁子。

1789年,法国大革命爆发,整个法国陷入混乱和恐怖。1791年,马拉写了一本小册子抨击税务官,其中指责拉瓦锡为了防止走私所修筑的城墙污染巴黎空气,向烟草上洒水增加重量,盘剥百姓。而实际上拉瓦锡是为了防止烟草干燥才要求洒水,并且在洒水之前要称重,所有交易以干重为标准。这部小册子的攻击使得民众对税务官的仇恨达到了顶峰,1794年拉瓦锡被捕。他以前的研究伙伴虽然有的已经在政府里谋职,却人人自危,不敢发一言。5月8日拉瓦锡被定罪,当天与其他27个税务官一起上了断头台。

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【拉瓦锡和好朋友贝托莱在实验室。】

有一种说法是,他的朋友希望法官看在拉瓦锡的科学贡献上饶他一命,法官回答“共和国不需要科学家,司法程序不容延误”,号称自由平等博爱的“德先生”就这样斩下了“赛先生”代表的头颅。

拉瓦锡死后,拉格朗日惋惜道:“仅仅一瞬间,我们就砍下了他的头,但是再过一个世纪也未必再有如此的头脑出现。”所幸拿破仑当政后非常注重科学的研究,尊重科学家,建立了巴黎综合理工学院,拉普拉斯、拉格朗日、贝托莱等人都得到了很好的研究条件,法国的科学研究才并未停滞。

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【传说拉瓦锡上了断头台还做了最后一个实验,他对刽子手说:“从来没有人知道人被砍头了以后还有多久会有感觉,我被你砍下头颅以后,每一秒钟眨一次眼睛,你数我眨了多少次眼睛,然后告诉世人。”最后他死后还眨了15次眼睛,这也算是一个用生命换来的实验记录了。每次读到这一段历史,我都热泪盈眶。】

关于氧气的发现史似乎可以告一段落了,可是一个小插曲又荡起了一些波澜,由于这朵浪花跟咱中国人很相关,所以这里多说两句。

1807年,德意志帝国东方学家朱利斯·克拉普罗特发表了一篇学术论文,其中提到一部中国唐代堪舆学著作《平龙认》,证实了中国人在公元八世纪的唐朝就发现了氧气!

【克拉普罗特的父亲是一位著名的化学家,他本人又是一个懂得中文、日文、西藏文、蒙古文的东方语言学家,因此沙俄政府聘请他到彼得堡科学院担任亚洲语文研究教授。】

在论文中克拉普罗特声称,他是1802年在一个法国朋友处见到《平龙认》抄本的,抄本共68页,原著作者署名“马和”,中国人,写作年代是唐朝至德元年(公元756年)三月。这本抄本《平龙认》中有几段话译成中文是:“……有许多地方可以分开空气的成份,并可取出其中阴的一部分,我们最先可用阳的变化物提取之……”;“……阴气是永不纯净的,但以火烧之,我们可以从青石、火硝、黑炭石中提取出来,水中亦有阴气,它和阳气紧密地混合在一起,很难分解……”

这是多么接近现代科学的论述啊!我们古代的先人就拥有了这些观点:一、空气中有阴气,也就是“氧气”。二、阴气(氧气)可与硫磺等易燃物起作用而燃烧。三、由火硝(硝石)等物加热可制出“氧气”,四、水中也有阴气(氧气),水是由氢气(阳气)和氧气组成的。

《平龙认》在西方科学界被广泛承认,法国化学家莫瓦桑在《无机化学大全》中引用了平龙认的内容,并认为是人类最早的对氧气性质的观察和记载。德国化学家李普曼在他的著作《炼丹术的起源与发展》一书里,也摘录了克拉普罗特的论文原著。

相反,我国的汉学界却对此书提出全面的质疑,首先,马和这个人在任何信史上都没有出现过,第二,至德元年就是唐肃宗元年,也就是唐玄宗的最后一年:天宝十五年,这一年的夏天,安禄山史思明攻入长安,唐玄宗被迫带上杨贵妃逃亡四川,史称“安史之乱”。所以至德元年是没有三月的,如果说这一年的三月,应该是天宝十五年三月。

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【杨贵妃上马图。“安史之乱”所有的过错让一个女人来承担,全“盛唐”的男人们需要汗颜。】

我在硝石的篇章中提到过,唐朝的时候,开始大量开采硝石,甚至开始用硝石进行“土法制冰”。所以,完全有可能有炼金术师从加热硝石的现象中认识到氧气。关于马和的身份,现在也有一种说法,说“马和”就是郑和。这位伟大的航海家不仅将中华文明的恩泽带往西方,同时也带了一些中华文明的著作,《平龙认》就是其中之一,也许后来在传抄中署上了郑和的名字,因为郑和本来就姓“马”嘛。至于年份的问题,也许是西方人在传抄中出错了,毕竟这部著作被翻译成法语、波兰语、俄语,这一系列的翻译中词不达意是很正常的事情。况且,这个信息中最重要的是氧气的发现,纠缠细枝末节实在没有必要。

不管怎样,在目前《平龙认》得到了广泛的承认,也许这是一部和《天工开物》同等伟大的科学著作。令人遗憾的是原本还未找到,也许是在战火中玉石俱焚,也许是满鞑的“文字狱”和选择性“修书”作孽,我们期待我们的历史学家、考古学家早日找到这本古代化学著作,解开这些谜团。

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【《天工开物》是世界上第一部关于农业和手工业生产的综合性著作,是中国古代一部综合性的科学技术著作,有人也称它是一部百科全书式的著作,作者是明朝科学家宋应星。外国学者称这部书为“中国17世纪的工艺百科全书”,称宋应星为“中国的狄德罗”。这部巨著在清代修订《四库全书》的时候“选择性被消失”,近代在日本被发现。《平龙认》这部书中,氧气的描述会不会只是窥豹一斑?这部书会不会是另一部《天工开物》?其中还会有更多惊人的发现?】

似乎一切都结束了,但是我要告诉你,人类对于火焰的秘密还远远没有入门呢?易燃物质在氧化时为什么会放出夺目的火焰,一直到了100多年以后才被真正解决。原来,这早已脱离了化学研究的范围,要深入到原子的内部,才能得到这个问题的答案。

发生氧化反应的时候,有一些原子得到了能量,原子中的电子进入激发态,在电子从激发态回到基态的时候,多出来的能量以光子的形式发射出来,这就是我们看到的火光。这已经是量子力学的范畴,我们就不多说了。

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【小小的蜡烛,竟然包括这么多科学原理。】

大家仔细观察火焰,会发现小小的火焰也存在着结构,内焰比较暗,外焰很亮,这是因为从焰心到外存在一个氧气浓度梯度,内焰燃烧还不完全,而外焰燃烧完全,反应最完全,因此温度最高,也最亮。火焰之所以向上呈一个泪珠状,是因为易燃物受热而气化,热气上升的原因。

我曾不止一次看到有人用打火机的内焰去点火,其实学过中学化学的人都不应该犯这样的错误。

也曾有人表演这样的“魔术”,用手快速的伸进蜡烛火焰,夹一下焰心,而手竟然完好无损,也是这个道理。

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【地球上的火焰(左)和太空中的火焰(右),在太空中,没有引力的存在,热气不是往上升,而是平均向四面八方扩散。】

最后的最后,关于舍勒发现氧气的实验我们在家里也能做,用于向孩子们解释空气里面有什么。当然我们不要用会自燃的黄磷或者易于爆鸣的氢气,那太危险了,一根小蜡烛就可以了。
点燃一根蜡烛,放在水盆底,用一个玻璃杯扣上,看到火焰缓缓熄灭,玻璃杯内的水缓缓上升,直至五分之一处。这个时候我们可以告诉孩子们,空气里面有氧气和氮气,氧气可以助燃,氮气不能助燃,随着蜡烛的燃烧,氧气被消耗殆尽,空气里总共有五分之一是氧气,剩下的就是氮气和蜡烛燃烧后生成的水蒸气和二氧化碳。这还可以说明蜡烛是碳和氢组成的,碳燃烧变成二氧化碳,氢燃烧变成水,杯壁上的小液滴就是证明。

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【笔者在家里陪孩子做的实验,大家可以根据自己家里的道具来进行。需要注意,蜡烛高度适中,太矮会被二氧化碳熄灭,导致水涨的不够高。】

小测试:
1,下面哪些是元素
A)石英
B)水
C)空气
D)铁
2,拉瓦锡死于
A)二战
B)法国大革命
C)普法战争
D)英法百年战争
3,根据量子力学,火光的实质是:
A)电子跃迁
B)核聚变
C)热对流
D)火神下凡

-完-
我要评论
小分子团水 2018-01-24 11:34
作为一个化学系本科生,所学的知识都是非常专业性的,科普性不足。元素家族以幽默风趣的讲述方式,以化学元素为基本来讲述化学对人类、对社会方方面面的影响,十分不错!
笑笑 2017-12-28 20:32
个人一点心得愚见,算几点体会:文章节奏特别稳当,彰显了作者深厚的文字功底和隐藏的相关知识的广博,文中俏皮地使用了一些幽默的句子,还选定了化学元素这一主题,非常契合学生业余生活的需要,引导大家深入记忆这些元素。另外跟本人正相反,使用了大量图片,这些图片本人仔细研究了一下,不是从网上复制的,而且图片整体效果规整,高人耶~
科普作品
元素家族
| 目录  (共17章)
评委点评 评语汇总

虽然,化学元素的科普,是一个很老的题材。但作者显然将最新的科研进展,融合到化学元素的科普中,时效性、时代性都很强。 写作风格幽默风趣,配图恰当,适合手机、网络等新媒体传播。

2018-01-08 20:01 郑永春 ——

全作以较为通俗的语言讲述了,十种元素从发现,到部分生活中的实际应用等方面的内容,从文字角度应该是不错的作品,老少皆宜。但在选取图片上,感觉部分图片选取的质量不高,需要改进。

2018-01-10 13:37 匿名 ——

一篇内容非常丰富的科普文章,相信如果不限制字数的他作者完全可以把现在所有已知元素全部写一遍。而且文中的科普内容不光是这些元素的化学性质,还有他们奇妙的特性以及科学家们发现他们的故事。可以勾起读者继续把他读完的欲望。而且据我所知作者鲁超自己也在运营一个科普相关的公众账号,这种不计回报的科普精神值得学习。

2018-01-24 15:39 匿名 ——

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