【元素家族——連載55】推翻燃素理論——氧氣發現史（下）

拉瓦錫的發現在化學史上堪稱最重要的里程碑，沒有之一，整個化學領域發生了翻天覆地的變化。這之前的古希臘四大元素也好，吉伯硫汞元素也好，貝謝爾三要素理論也好，一下子都被丟到化學史的垃圾堆里了，從拉瓦錫開始，新一代化學家們才有可能來認真研究一下，原來圍繞著我們的全部世界究竟是由哪些元素組成的，這些元素都被定義成不能再分解成更簡單的物質，當時的化學家們對元素的理解和我們現在沒有任何不同。

那麼，哪些物質是最簡單的呢？

拉瓦錫之前，所有的化學家都說：「磷當然比干磷酸更複雜，金屬當然比銹粉更複雜，因為磷是由磷酸和燃素組成的，金屬也包括銹粉和燃素。」

然而現在必須承認磷是元素了，而干磷酸是磷和氧的化合物。同理，碳是元素，而碳酸氣（二氧化碳）是化合物。拉瓦錫又宣布所有的金屬都是元素，而銹粉是化合物。

之前人們都認為空氣是元素，現在很明朗了，空氣中有「火焰空氣」氧，還有一種「無用空氣」，我們現在都知道這是氮氣。

氫的篇章中提到了，經過百萬富翁卡文迪許和拉瓦錫的研究，水也被證明是化合物，裡面含有兩種元素：氫和氧。

【巴黎市，市政廳，拉瓦錫的塑像。】

這個時候，化學家們才發現，原來我們的世界如此精彩，竟然是由這麼多種元素組成的！

僅僅在拉瓦錫的手頭上，就列出了30多種元素：氫、碳、氮、氧、磷、硫、各種各樣的金屬……，拉瓦錫就認為世界上不計其數的複雜物質都是由這30多種元素組成的。

他更是很謙虛的提出：「有些物質我們現在看起來像元素，但可能是因為我們沒有找到合適的方法來分解他們。」他的這一觀點成為接下來100多年化學史的一個努力方向 ，可以說接下來100多年裡大多數關於化學的精彩故事都是圍繞著新元素的發現而來的。

【拉瓦錫的第一張元素表，現在看起來當然謬誤百出，但這卻是偉大的開始！】

拉瓦錫還關注到普利斯特里關於血液在氧氣保持紅色而在二氧化碳中變黑的描述，認為動物的呼吸作用可能也是一種氧化過程。他和拉普拉斯共同進行研究，他們使用幾內亞鼠進行實驗，通過測量冰盒中冰塊的融化得出呼吸放出的熱量，同時測量幾內亞鼠呼出的二氧化碳。另一方面他們燃燒可以生成同樣二氧化碳的木炭，測量其放出的熱量。發現兩者有一定對應關係，從而初步得出了動物的呼吸作用實質上是緩慢的氧化過程的結論。

【靜脈血和動脈血的顏色不同，說明了其中氧氣、二氧化碳含量的不同，拉瓦錫的這一發現可以說是生物化學的起始。】

拉瓦錫毫無疑問可以被稱為化學史上的大英雄，他的感情生活也讓大部分同行們羨慕。話說28歲的拉瓦錫娶了他同事13歲的女兒——瑪麗，這放在現在肯定要被扣上「蘿莉控」的帽子。可是這個小蘿莉真不簡單，她看自己的丈夫每天撲在事業上，自己也產生了濃厚的興趣，她一邊幫拉瓦錫做實驗記錄，一邊還幫拉瓦錫翻譯外語資料，有人發現，瑪麗曾經幫拉瓦錫翻譯過普利斯特里和舍勒的著作。原來，拉瓦錫有這麼大的成就，瑪麗的幫助是不可或缺的。除此之外，小瑪麗的藝術功底也很了得，她的美術老師就是大名鼎鼎的路易*大衛——名畫《馬拉之死》的作者，當拉瓦錫出版著作的時候，瑪麗還幫他繪製插圖。

【這副圖在很多地方都可以看到，就是路易*大衛的名作。】

這對小兩口的好景不長，拉瓦錫很不幸的生在了亂世，1768年拉瓦錫加入法國由國王直接管轄的稅務機關（Fermi）掙點錢養家糊口，這樣他才有財力去支持自己從事科學研究。1780年馬拉（法國大革命中雅各賓派領導人之一）發表了一篇證明火是元素的論文，希望藉此可以入選法蘭西科學院，但沒有政治頭腦的拉瓦錫對此論文的評價很低，兩人由此結下了梁子。

1789年，法國大革命爆發，整個法國陷入混亂和恐怖。1791年，馬拉寫了一本小冊子抨擊稅務官，其中指責拉瓦錫為了防止走私所修築的城牆污染巴黎空氣，向煙草上洒水增加重量，盤剝百姓。而實際上拉瓦錫是為了防止煙草乾燥才要求洒水，並且在洒水之前要稱重，所有交易以乾重為標準。這部小冊子的攻擊使得民眾對稅務官的仇恨達到了頂峰，1794年拉瓦錫被捕。他以前的研究夥伴雖然有的已經在政府里謀職，卻人人自危，不敢發一言。5月8日拉瓦錫被定罪，當天與其他27個稅務官一起上了斷頭台。

【拉瓦錫和好朋友貝托萊在實驗室。】

有一種說法是，他的朋友希望法官看在拉瓦錫的科學貢獻上饒他一命，法官回答「共和國不需要科學家，司法程序不容延誤」，號稱自由平等博愛的「德先生」就這樣斬下了「賽先生」代表的頭顱。

拉瓦錫死後，拉格朗日惋惜道：「僅僅一瞬間，我們就砍下了他的頭，但是再過一個世紀也未必再有如此的頭腦出現。」所幸拿破崙當政後非常注重科學的研究，尊重科學家，建立了巴黎綜合理工學院，拉普拉斯、拉格朗日、貝托萊等人都得到了很好的研究條件，法國的科學研究才並未停滯。

【傳說拉瓦錫上了斷頭台還做了最後一個實驗，他對劊子手說：「從來沒有人知道人被砍頭了以後還有多久會有感覺，我被你砍下頭顱以後，每一秒鐘眨一次眼睛，你數我眨了多少次眼睛，然後告訴世人。」最後他死後還眨了15次眼睛，這也算是一個用生命換來的實驗記錄了。每次讀到這一段歷史，我都熱淚盈眶。】

關於氧氣的發現史似乎可以告一段落了，可是一個小插曲又盪起了一些波瀾，由於這朵浪花跟咱中國人很相關，所以這裡多說兩句。

1807年，德意志帝國東方學家朱利斯·克拉普羅特發表了一篇學術論文，其中提到一部中國唐代堪輿學著作《平龍認》，證實了中國人在公元八世紀的唐朝就發現了氧氣！

【克拉普羅特的父親是一位著名的化學家，他本人又是一個懂得中文、日文、西藏文、蒙古文的東方語言學家，因此沙俄政府聘請他到彼得堡科學院擔任亞洲語文研究教授。】

在論文中克拉普羅特聲稱，他是1802年在一個法國朋友處見到《平龍認》抄本的，抄本共68頁，原著作者署名「馬和」，中國人，寫作年代是唐朝至德元年（公元７５６年）三月。這本抄本《平龍認》中有幾段話譯成中文是：「……有許多地方可以分開空氣的成份，並可取出其中陰的一部分，我們最先可用陽的變化物提取之……」；「……陰氣是永不純凈的，但以火燒之，我們可以從青石、火硝、黑炭石中提取出來，水中亦有陰氣，它和陽氣緊密地混合在一起，很難分解……」

這是多麼接近現代科學的論述啊！我們古代的先人就擁有了這些觀點：一、空氣中有陰氣，也就是「氧氣」。二、陰氣（氧氣）可與硫磺等易燃物起作用而燃燒。三、由火硝（硝石）等物加熱可制出「氧氣」，四、水中也有陰氣（氧氣），水是由氫氣（陽氣）和氧氣組成的。

《平龍認》在西方科學界被廣泛承認，法國化學家莫瓦桑在《無機化學大全》中引用了平龍認的內容，並認為是人類最早的對氧氣性質的觀察和記載。德國化學家李普曼在他的著作《煉丹術的起源與發展》一書里，也摘錄了克拉普羅特的論文原著。

相反，我國的漢學界卻對此書提出全面的質疑，首先，馬和這個人在任何信史上都沒有出現過，第二，至德元年就是唐肅宗元年，也就是唐玄宗的最後一年：天寶十五年，這一年的夏天，安祿山史思明攻入長安，唐玄宗被迫帶上楊貴妃逃亡四川，史稱「安史之亂」。所以至德元年是沒有三月的，如果說這一年的三月，應該是天寶十五年三月。

【楊貴妃上馬圖。「安史之亂」所有的過錯讓一個女人來承擔，全「盛唐」的男人們需要汗顏。】

我在硝石的篇章中提到過，唐朝的時候，開始大量開採硝石，甚至開始用硝石進行「土法製冰」。所以，完全有可能有鍊金術師從加熱硝石的現象中認識到氧氣。關於馬和的身份，現在也有一種說法，說「馬和」就是鄭和。這位偉大的航海家不僅將中華文明的恩澤帶往西方，同時也帶了一些中華文明的著作，《平龍認》就是其中之一，也許後來在傳抄中署上了鄭和的名字，因為鄭和本來就姓「馬」嘛。至於年份的問題，也許是西方人在傳抄中出錯了，畢竟這部著作被翻譯成法語、波蘭語、俄語，這一系列的翻譯中詞不達意是很正常的事情。況且，這個信息中最重要的是氧氣的發現，糾纏細枝末節實在沒有必要。

不管怎樣，在目前《平龍認》得到了廣泛的承認，也許這是一部和《天工開物》同等偉大的科學著作。令人遺憾的是原本還未找到，也許是在戰火中玉石俱焚，也許是滿韃的「文字獄」和選擇性「修書」作孽，我們期待我們的歷史學家、考古學家早日找到這本古代化學著作，解開這些謎團。

【《天工開物》是世界上第一部關於農業和手工業生產的綜合性著作，是中國古代一部綜合性的科學技術著作，有人也稱它是一部百科全書式的著作，作者是明朝科學家宋應星。外國學者稱這部書為「中國17世紀的工藝百科全書」，稱宋應星為「中國的狄德羅」。這部巨著在清代修訂《四庫全書》的時候「選擇性被消失」，近代在日本被發現。《平龍認》這部書中，氧氣的描述會不會只是窺豹一斑？這部書會不會是另一部《天工開物》？其中還會有更多驚人的發現？】

似乎一切都結束了，但是我要告訴你，人類對於火焰的秘密還遠遠沒有入門呢？易燃物質在氧化時為什麼會放出奪目的火焰，一直到了100多年以後才被真正解決。原來，這早已脫離了化學研究的範圍，要深入到原子的內部，才能得到這個問題的答案。

發生氧化反應的時候，有一些原子得到了能量，原子中的電子進入激發態，在電子從激發態回到基態的時候，多出來的能量以光子的形式發射出來，這就是我們看到的火光。這已經是量子力學的範疇，我們就不多說了。

【小小的蠟燭，竟然包括這麼多科學原理。】

大家仔細觀察火焰，會發現小小的火焰也存在著結構，內焰比較暗，外焰很亮，這是因為從焰心到外存在一個氧氣濃度梯度，內焰燃燒還不完全，而外焰燃燒完全，反應最完全，因此溫度最高，也最亮。火焰之所以向上呈一個淚珠狀，是因為易燃物受熱而氣化，熱氣上升的原因。

我曾不止一次看到有人用打火機的內焰去點火，其實學過中學化學的人都不應該犯這樣的錯誤。

也曾有人表演這樣的「魔術」，用手快速的伸進蠟燭火焰，夾一下焰心，而手竟然完好無損，也是這個道理。

【地球上的火焰（左）和太空中的火焰（右），在太空中，沒有引力的存在，熱氣不是往上升，而是平均向四面八方擴散。】

最後的最後，關於舍勒發現氧氣的實驗我們在家裡也能做，用於向孩子們解釋空氣裡面有什麼。當然我們不要用會自燃的黃磷或者易於爆鳴的氫氣，那太危險了，一根小蠟燭就可以了。

點燃一根蠟燭，放在水盆底，用一個玻璃杯扣上，看到火焰緩緩熄滅，玻璃杯內的水緩緩上升，直至五分之一處。這個時候我們可以告訴孩子們，空氣裡面有氧氣和氮氣，氧氣可以助燃，氮氣不能助燃，隨著蠟燭的燃燒，氧氣被消耗殆盡，空氣里總共有五分之一是氧氣，剩下的就是氮氣和蠟燭燃燒後生成的水蒸氣和二氧化碳。這還可以說明蠟燭是碳和氫組成的，碳燃燒變成二氧化碳，氫燃燒變成水，杯壁上的小液滴就是證明。

【筆者在家裡陪孩子做的實驗，大家可以根據自己家裡的道具來進行。需要注意，蠟燭高度適中，太矮會被二氧化碳熄滅，導致水漲的不夠高。】

小測試：

1， 下面哪些是元素

A） 石英

B） 水

C） 空氣

D）鐵

2， 拉瓦錫死於

A） 二戰

B） 法國大革命

C） 普法戰爭

D）英法百年戰爭

3， 根據量子力學，火光的實質是：

A） 電子躍遷

B） 核聚變

C） 熱對流

D）火神下凡

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