拉瓦節的化學革命 / 洪文東

星期五 , 9, 九月 2016 Leave a comment

拉瓦節的化學革命

洪文東

美和科技大學護理系
hung3893@yahoo.com.tw

n  前言

今天任何人都已認識物質是會在空氣中燃燒,有化學知識的人都理解燃燒就是物質與氧化合的現象。可是從瀰漫燃素論(Phlogiston Theory)的當時,一直到18世紀末法國天才化學家拉瓦節Autoine Laurent Lavoisier, 1743-1794)的燃燒實驗,發現了氧,建構了新的燃燒理論,產生化學革命,的確要經歷一段相當漫長的時日。圖1為拉瓦節及拉瓦節伉儷。

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1:近代化學之父拉瓦節(左),拉瓦節伉儷,由大衛所繪(右)
(圖片來源:https://zh.wikipedia.org/wiki/安托万洛朗·德·拉瓦锡

n  化學革命:氧的發現與新的燃燒理論

1773年,瑞典的謝勒(Karl Wilhem Schelle, 1742-1786)與在英國的普利斯特利(Joseph Priestley, 1733-1804)個別在實驗室中獨自發現了氧。兩人都一致認為「氧是支持燃燒的,而且與呼吸也有密切關係的氣體」。由於受到當時「燃素論」的影響,也都以為燃燒是氧與燃素的結合,而產生的物質才變成光與熱,或與物質逃離出的燃素相結合是氧。當時由於太相信燃素論,氧的發現對化學的進步也無多大的影響。

由於氧的發現,1774年拉瓦節進行了有關「錫」燃燒的實驗,如果以今日的化學語詞來表達,那就是富於定量的實驗,與謝勒和普利斯特利重質的定性實驗大不同。他先將一小片錫放在容器中封閉後加熱,結果錫變成「灰」,而容器內的空氣則被錫吸收;可是含有錫與空氣的容器重量並沒有任何改變。一打開容器的蓋子,發現空氣以強烈的趨勢被吸進去了,再蓋好之後稱其重量,結果發現,重量就增加了!其增加的重量剛好等於錫變成「灰」所增加的重量。

拉瓦節再以「水銀」進行同樣的燃燒實驗,也是發現相同的結果。他測量出實驗之前有50立方吋的空氣,已改變成為42~43立方吋的空氣,也就是大約有1/6的空氣被「水銀」所吸收。剩下在容器內的空氣則會使「燭火」熄滅,也會使老鼠窒息而死。他稱呼這種空氣為「Azote」(指氮氣而言)。其次,他把水銀燃燒後的紅色物質收集在長頸燒瓶中,加熱後,結果發現有7~8立方吋的氣體產生。這種氣體則能使「燭火」燒得更劇烈;恰與普利斯特利所發現「會燃燒的空氣」是一樣的氣體。後來由於此種氣體可以和「氮」、「磷」、「硫」等的氣體化合形成硝酸、磷酸、硫酸,因此他將此種可燃燒的氣體命名為「酸素」。

1777年拉瓦節根據錫與水銀的燃燒實驗,提出新的燃燒理論,認為空氣是由氮與氧形成的,金屬在空氣中燃燒會與氧結合成灰,燃燒就是與氧化合的反應。此種燃燒理論使化學家放棄「燃素」這種虛構架空的物質,而對化學進行革命性之改觀,奠定近代化學發展的基礎。圖2為拉瓦節的實驗室,收藏於法國工藝博物館。圖3為拉瓦節正在進行實驗的情形。

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2:拉瓦節的實驗室,收藏於法國工藝博物館
(圖片來源:https://zh.wikipedia.org/wiki/安托万洛朗·德·拉瓦锡

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3:拉瓦節正在進行實驗
(圖片來源:https://zh.wikipedia.org/wiki/安托万洛朗·德·拉瓦锡

n  質量不滅定律

拉瓦節的燃燒理論最有力的依據就是反應前後質量的「定量性」,透過整個實驗,就各種各樣的反應,始終都使用天平非常徹底的觀察測量反應前後的質量關係,歸納實驗結果,建立了「質量不滅定律」。此一定律顯示:在化學反應前後,參與反應的物質,即使形態改變了,仍然在質量上不會發生變化。在拉瓦節的燃燒理論中,當金屬燃燒成為「灰」時,其質量所增加部份,非常正確的和所化合的「氧」的質量是相等的。此一定律確為化學反應最基本定律,化學家據此進行化學反應合成與分析,將所研發的產品供應各行各業的需要,普遍應用於日常生活中之日用品,提升生活品質。

n  化學命名法與元素分類表

1784年至1789年間拉瓦節和多位志同道合科學家共同發起化學命名改革工作,將化合物依其組成成分命名,取代以前依特性的命名方式。例如:「汞灰」叫做「氧化汞」,「金屬灰」叫做「金屬氧化物」。1787年出版「化學命名法」,現今所用的化學名詞,大多依此命名法而來。1789年出版「化學基本論述」,書中清楚陳述「質量守恆」的原理,並發展了英國科學家波義耳(Robert Boyle, 1627-1691)所提出的元素概念,指出元素是「用任何化學分析手段都不能再分解的物質」。他可說是第一位從許多物質當中,很具體的找出「元素」並進行明確分類的化學家。

根據拉瓦節「化學基本論述」觀點,「空氣」是「氧」與「氮」所形成,所以是混合物,而「氧」與「氮」都無法再分解成其他物質,所以是「元素」。又例如「氧化汞」加熱可分解成「氧」和「汞」,但不能再產生其他物質,所以「氧」與「汞」都是「元素」;而由「氧」和「汞」所反應形成的「氧化汞」就是「化合物」。根據此概念,在其論述中列出了包含33種元素分類表,如表1所示:

1:拉瓦節的元素分類表

擷取

上表中元素名稱有小刮號()者,並非是現在的元素,例如土狀元素之五種元素目前皆知是氧化物,只是由於在當時的化學技術無法分解出來的緣故。拉瓦節在表的後面有附註說明:「就我們目前所獲得的知識是無法再分解下來。」換言之,他已預期此表再不久的將來會再修正的。他建立元素分類表旨在將化學「體系化」,他認為學問的體系化,必需考慮構成科學的事實,以及能使之聯想到事實之表象,並能有表達此表象之適當語言。

n  結語

拉瓦節說:「沒有理論,科學是不會進步的。欺騙我們的不是自然,也不是自然所提示的事實,而是我們自己的觀察。」拉瓦節的燃燒實驗,發現了氧,推翻「然素論」,建構了新的燃燒理論,產生化學革命。

他進一步根據實驗驗證建立了「質量不滅定律」,並先後出版了「化學命名法」、「化學基本論述」確立了「元素」概念,奠定了近代化學發展之基礎,今日我們特尊稱拉瓦節為「近代化學之父」。

n  參考資料

1.        洪文東、李文德、黃嘉崑、謝榮藏(2006)。 師院普通化學,臺北:五南圖書出版公司。

2.        科學名人堂20~拉瓦節,www.bud.org.tw/museum/s_star20.htm

3.          安東萬洛朗·德·拉瓦節,維基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/安托万洛朗·德·拉瓦锡

 

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