氣體化學（上）
1.燃素說的理論危機

從貝歇爾最初提出的燃素說的1669年起，燃素說在歐洲化學界前后風行了一個多世紀。

根據(jù)燃素說的解釋，燃素是一種基質(zhì)，但這種基質(zhì)卻具有變幻莫測的性質(zhì)：它有時是火質(zhì)，有時是土質(zhì)，有時是油質(zhì)，有時是光質(zhì)，有時是熱質(zhì)。它充塞于天地萬物之間，流動于雷電風云之中。但無論是在動物體或植物體中，還是在礦物體或其他物體中，它在本質(zhì)上是一樣的。一方面，它是組織這些物質(zhì)的一種基質(zhì)；另一方面，它又是這些物質(zhì)的物理性質(zhì)與化學性質(zhì)的質(zhì)動因。物質(zhì)失去它就變成灰燼，而灰燼得到它就會新生。總之，在當時一些化學家的心目中，燃素是無所不在、無所不能的超級基質(zhì)。

根據(jù)燃燒說對燃燒現(xiàn)象所作的理論解釋，一切與燃燒有關的化學變化都可歸結(jié)為物體吸收燃素與釋放燃素的過程，但在解釋一種與燃素有關的化學現(xiàn)象時，燃素說始終無法自圓其說。這種與燃素有關的重要化學現(xiàn)象就是金屬的煅燒現(xiàn)象。

燃燒說認為，物體燃燒的過程是物體釋放燃素的過程，物體燃燒，燃素釋放出去了，燃燒物體變成了灰燼。因為燃素被釋放出去了，所以物體的灰燼也就比物體本身輕得多。對于諸如木炭之類的植物體的燃燒，燃素說是乎能得到一種似是而非的解釋。可是，同樣是物體的燃燒，為什么金屬被燃燒后，它的灰燼不但不比原來的金屬物體輕，反而比原來的金屬物體重呢？

對于金屬燃素(煅燒）后增加重量的事實，當時一些持燃素論立場的化學家頗感困惑，為了使燃素論能自圓其說，法國化學家文耐爾(1723-1775年）竟別出心裁地解釋：燃素有時具有為地心引力所吸引的向下的重量，他把這種向下的重量稱為"正重量"，有時具有與地心引力相反的"向上的重量"，他把這種"向上的重量"稱為"負重量"。由于金屬燃素具有"負重量"的性質(zhì)，所以當金屬燃燒而釋放出燃素時，它的重量就不但沒有減輕，反而增加了。一種基質(zhì)，既具有向下的正重量，又具有向上的負重量，這很令人費解，于是，有些人費盡心思找到了這樣一個比喻：金屬失去燃素，好比人死時失去靈魂。失去靈魂的死人不是比含有靈魂的人重嗎？由此可見，燃燒后的死金屬要比活金屬重。這樣，就使燃素不僅成為一種無所不在的基質(zhì)，而且成了一種神秘莫測的幽靈。由于燃素說在解釋金屬煅燒時所遇到的無法克服的理論困難，它所編織出來的理論幻景正在消逝，理論化學已處于一場新的危機之中。

把燃素說進一步推向理論危機的動因，是18世紀初氣體化學的初步發(fā)展。

2.布萊克

到18世紀初，氣體化學有了初步發(fā)展，特別是對于碳酸氣的發(fā)現(xiàn)與研究，可以說是18世紀氣體化學發(fā)展的先導。第一個重新發(fā)現(xiàn)并深入研究碳酸氣的是英國化學家布萊克(1728-1799年）。

1746年，18歲的布萊克考入格拉斯哥大學學習醫(yī)學，在學習醫(yī)學之際，他同時致力于化學研究，1750年，在他移居愛丁堡的同年，由于醫(yī)學研究的需要，布萊克即開始進行酸類與堿類物質(zhì)的研究。1754年，他寫出了他的博士論文《論胃中食物產(chǎn)生的酸，兼論白氧鎂》，第二年，他把這篇論文擴充為專著，并在愛丁堡學會上宣讀了這一著作，1756年，該書以《關于鎂石、石灰石和其他堿類物質(zhì)的實驗》的書名出版，在這一著作中，他記述了發(fā)現(xiàn)碳酸氣的過程，并對這種氣體的性質(zhì)進行了初步的分析。

在一次實驗中，他發(fā)現(xiàn)，把石灰石加熱，除了制得石灰之外，還可以制取一種氣體，他把這種氣體叫作"固定空氣"，并用定量分析的方法對這種氣體的性質(zhì)進行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，石灰石經(jīng)過煅燒后減少重量44％，他認為，這正是"固定空氣"被從中釋放出來的緣故。與此同時，他也用鎂石(碳酸鎂）作過類似的實驗，發(fā)現(xiàn)鎂石也含有"固定空氣"。他還發(fā)現(xiàn)，碳酸鎂(鎂石）與氧化鎂(鎂土）的區(qū)別，僅僅在于"固定空氣"的得失，碳酸鎂失去"固定空氣"即為氧化鎂；而氧化鎂得到"固定空氣"即為碳酸鎂。

布萊克還用其他許多方法制取過"固定空氣"，并認識到在呼吸、發(fā)酵、木炭燃燒中也能產(chǎn)生這種氣體，而空氣本身就含有少量的"固體空氣"。在制取"固體空氣"的基礎上，布萊克對這種氣體的性質(zhì)進行了多方面的研究。他發(fā)現(xiàn)，這種氣體能為苛性堿所吸收；能使燃燒的蠟燭熄滅；能使動物窒息以至死亡。在當時，"窒素"曾是一個與"燃素"對立的概念，布萊克的發(fā)現(xiàn)從根本上揭開了"窒素"的秘密，原來"窒素"并不是一種與"燃素"對立的基質(zhì)，而是一種特殊的氣體。

通過對"固定空氣"的深入研究，布萊克進一步指出，石灰石在煅燒后失重并轉(zhuǎn)變?yōu)榭列允遥怯捎谑ニ嵝缘?固定空氣"，而這種"固定空氣"本身并不是"燃素"，而恰好是"窒素"。他的這些實驗與理論，一方面使燃素說進一步陷入了嚴重的理論危機中；另一方面，也為后來推翻燃素說提供了重要的實驗根據(jù)與理論啟示。

3.卡文迪許

繼布萊克之后為證實燃素說而進行氣體化學研究的，是英國化學家卡文迪許(1731-1810年），他是一個公爵的后代。富裕的條件使得他終生都得以進行專注的研究。

他在氣體化學方面的第一個重要貢獻，是創(chuàng)用汞槽法制取純凈的二氧化碳，并測定了二氧化碳的比重和溶解度，證明了用實踐方法制取的二氧化碳，與動物呼出二氧化碳和木炭燃燒時產(chǎn)生的二氧化碳完全相同，同時，他還發(fā)現(xiàn)，當空氣中含有九分之一的二氧化碳時，就會使蠟燭熄滅。

他在氣體化學方面的另一貢獻，是制取了氫氣，并對氫氣的性質(zhì)進行了初步的研究。1766年，他把題為《人造空氣的實驗》的論文提交英國皇家學會。文中除了具體論述二氧化碳的制取及其性質(zhì)外，就是論述氫氣的制法及其性質(zhì)。

他在文中指出，用鹽酸或稀硫酸與鐵或鋅等作用，就可以用水槽法收集到反應過程中產(chǎn)生的氫氣。他還指出，用定量的某種金屬與多種酸作用，所產(chǎn)生的氫的量總是固定的，而與酸的種類無關。他認為氫氣與空氣混合后，一點燃即發(fā)生爆發(fā)。由于他崇信燃素說，所以他斷言這種氣體來自金屬，而不是來自酸，因此他把這種氣體稱為"從金屬中來的可燃空氣"，他錯誤地認為，這種"可燃空氣"就是從金屬中分離出來的"燃素"，后來，他又認為氫氣是"燃素"與水的混和物。

卡文迪許制取氫氣后，人們曾把它充入氣球，發(fā)現(xiàn)它能使氣球很快飄浮上升，這樣，一些燃素論的信奉者認為，氣球飄浮上升正是"燃素"具有負重量的證據(jù)。可是不久發(fā)現(xiàn)氫氣本身也是有重量的。

氫氣的發(fā)現(xiàn)，一方面直接導致了后來的氧氣的發(fā)現(xiàn)，另一方面也又一次動搖了燃素說。