臺灣化學教育

拉瓦節的化學革命

洪文東

美和科技大學護理系
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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。

 

圖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

在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。

 

圖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）

圖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：

表1：拉瓦節的元素分類表

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。