这本书何以成为现代化学的开山之作？ | 化学有故事新番02

汪诘金佳赵倩2022年12月14日约 14 分钟

上篇我们说到，在拉瓦锡的时代，人们普遍把不可再分的物质都当做一种独立的物质加燃素来对待。例如空气和金属加热后生成的物质等，都被当做一种独立的物质来看待。而拉瓦锡则是第一个打破这个传统观念的人，他通过自己亲手设计的一个个精密实验，提出了两个在化学史上具有里程碑意义的重要理念：

第一个理念：物质在转化过程中，质量永远是守恒的。这被后人称为质量守恒定律或者物质不灭定律。

第二个理念：那些看上去好像不可再分的物质，其实也是由更为基本的物质构成的，比如空气就是由不同的气体物质混合而成。

这两个新理念，就像是现代化学理论的两块指路标，从此，化学走上了正确的方向，开始进入到快速发展的阶段。

基于以上两个新理念，拉瓦锡重新解释了水银加热变成红色粉末，又再从红色粉末变回水银的实验。在这个解释中，燃素是多余的东西，拉瓦锡彻底扔掉了燃素。

水也是化合物吗？

拉瓦锡是这样认为的：

水银在第一次加热的时候，吸收了空气中的某种气体，变成了红色粉末，而这种红色粉末是一种水银和这种气体的化合物。当再次加热红色粉末时，这种气体又被释放出来，红色粉末重新还原成了水银和那种气体。在这个过程中，系统的总质量并没有发生一丝一毫的变化，物质可以在两种形态之间互相转化。

水银与水银加热后变成的红色粉末

拉瓦锡把那种空气中的气体命名为Oxygen，这就是今天我们人人皆知的氧气。尽管普利斯特里先于拉瓦锡发现了氧气，但普利斯特里并没有意识到氧气是空气中本来就存在的一种物质，而是错误地认为它是一种“脱燃素气体”。

当拉瓦锡认识到空气并不是一种单一的物质时，就好像打开了藏宝屋的大门。既然被四元素理论认为是组成万物的最基本物质之一的空气是一种化合物（今天我们知道空气其实是一种混合物，但是在当时，化学家们还很难把化合物和混合物的概念清晰地区分出来），那么，另一种基本物质——水——会不会也是一种化合物呢？

这种想法本身已经具备了革命性，而新科学的大门就是在这样的一次次理念革新中被推开的。不过，如果只是停留在想法上，拉瓦锡绝不可能成为现代化学之父，真正可贵的是，拉瓦锡要设计实验来证实这个大胆的想法。

我在平常的各种讲座活动中，被问到最多的一类问题往往是这样的句式——“汪老师，你觉得xxxx有没有可能？”比如，“你觉得有没有可能我们做梦就是接收到了另外一个平行世界中的自己的信息呢？”总之，各种各样的“有没有可能”是我被问到频率极高的问题类型，面对这样的问题，我的回答往往是这样“你能想到这种可能性很好，说明你的思路很开阔，具备创新的潜质。不过，想到某种可能性其实并不是太难，你的真正挑战是能不能设计出一个实验来证实或者证伪你假设的可能性呢？这才是一种更高级的思考方法。”

让我们来看看拉瓦锡为了证实自己大胆的假设，他设计的巧妙实验是怎样的。

有金钱，有事业，还有一个好老婆

首先，他把一个装有水的球形玻璃皿放在一个炉子上加热，这样就可以生成纯净的水蒸气。水蒸气被引入一根铁管中，这根长长的铁管横穿过一张炉台，在炉台上又铺满了烧红的碳。铁管被这些碳烧成了红色，水蒸气通过这根处于红热状态的铁管后，被引入到一根弯曲成弹簧状的铁管中，而这根弹簧状的铁管则浸泡在冰冷的水中。这样一来，铁管中的水蒸气会被再次冷却。铁管的末端被接到一个用来收集冷凝水的瓶子中，瓶子的上方再通过一根管子连接到一个用来收集剩余气体的瓶子。整个系统是一个密封得很好的封闭系统。

拉瓦锡设计的实验装置

这个实验装置描述起来比较复杂，为了便于大家理解，我把拉瓦锡的设想和原理再说一遍，这次大家可以忽略具体的实验装置，只专注在实验原理上。拉瓦锡的设想是这样的：

如果水是一种化合物，那么当水蒸气通过红热的铁管时，水蒸气中的某种物质或许就会和铁管发生反应，被铁管吸收，那么另一头冷凝出来的水的质量就会损失一部分，而损失掉的这部分水的质量又应该刚好等于铁管增加的重量加上最后一个集气瓶增加的重量。如果最终的实验结果与预期相符的话，那就说明，水可以分解成两种不同的物质。

不知道大家发现没，拉瓦锡的这个实验想要做成功，对实验设备的精密度以及测量的精度都要求极高，好在拉瓦锡有两大法宝，助力他完成如此高难度的实验。第一个法宝是钱。他很有钱，能请能工巧匠帮他打造他想要的任何实验装备，据说，光是各种各样的烧杯，他就有 13000 多只，还有 250 多个不同形状和功能的仪器摆满了他的实验室，全世界精度最高的天平秤他就有三台，设备之豪华丰富，恐怕全世界也找不出第二个能与之媲美的人。

令人称羡的实验设备

第二个法宝则是他的妻子玛丽（Marie-Anne Paulze Lavoisier）。几乎所有介绍拉瓦锡生平的书都会提到这位比拉瓦锡小 15 岁的夫人。不仅是因为 13 岁的玛丽嫁给了 28 岁的拉瓦锡，郎才女貌，传为科学史佳话。更是因为玛丽的智慧似乎不亚于拉瓦锡，不管是做实验还是组织社交活动，还是帮拉瓦锡打理财产，玛丽都能得心应手。更重要的是，玛丽的绘画技巧非常高超，拉瓦锡著作中的所有实验图都是由玛丽亲手绘制。另外，玛丽精通法文和英文，而拉瓦锡不懂英文，玛丽经常把一些英文文献翻译成法文供拉瓦锡参考。在拉瓦锡去世后，玛丽精心整理了拉瓦锡的所有手稿和遗作，对拉瓦锡的学术成果的传播起到了至关重要的作用。因此，也有些学者把玛丽尊称为现代化学之母。

拉瓦锡与他的妻子玛丽

如果不是拉瓦锡的结局是被送上了断头台，我想，他的人生会完美到令任何人都难免心生羡慕。金钱、兴趣、事业、成就、家庭，一切都完美到无以复加。不扯远了，回到主题。

拉瓦锡的这次实验做成功了，不仅再次证实了质量守恒定律的正确性，他还有更重要的发现。

第一个认识到水的真相的人

拉瓦锡从集气瓶中收集到的气体显然是一种新的物质，它比空气轻，蜡烛在这种气体中无法燃烧。当这种新的气体与氧气混合后，遇到电火花，就会发生爆燃现象。这种新的气体被拉瓦锡命名为 Hydrogen，本意是能促成水的气体，这就是我们今天人人都知道的氢气。最神奇的是，氧气与氢气发生爆燃之后，居然又能重新生成水。

通过这个实验，拉瓦锡是第一个认识到水的真相的人。水可以分解为氢气和氧气这两种气体，两种气体也可以重新结合成水。氧气不仅仅存在于水中，在空气中也大量存在。这么看来，氧气就是比水和空气更基本的一种物质。

水由氢、氧两种元素组成

综合所有这些认识，拉瓦锡创立了氧化学说来取代流传了 200 多年的燃素学说。氧化学说，有些文章也把它称为“氧理论”，它的核心思想就是围绕着氧这种基本元素展开的。燃烧就是一种元素被另一种元素氧化的过程，拉瓦锡发现木材燃烧和食物在我们的肚子中被消化，本质上是一样的，它们都是一种氧化过程。

木材燃烧和食物消化在本质上是一样的

正是拉瓦锡创造了“氧化”和“还原”这两个化学用词，直到今天，我们依然还在频繁地使用这两个概念，但拉瓦锡做梦也想不到，现代的保健品营销大师们把“抗氧化”滥用到了何等程度。在这里，我忍不住想说一句：所有打着抗氧化旗号的保健品都是骗局，没有例外。如果你们想详细了解所谓抗氧化后面的真相，欢迎订阅收听我的付费专辑《吃货科学指南》，里面有详细的解释。

拉瓦锡的氧化学说对于当时的化学界来说，是一场摧枯拉朽式的革命，恩格斯用“头足倒立”来比喻这场化学革命的彻底性，它就像是哥白尼的“日心说”取代托勒密的“地心说”，当然，氧化学说也不是一夜之间就确立江湖地位的，那是一个百家争鸣的时代。

给物质施以“酷刑”的化学家

18 世纪下半叶，是化学这门新科学的黎明时期，在欧洲大陆上，冒出了许许多多痴迷于在瓶瓶罐罐中寻找新物质的人，他们把在这个世界上能找到的一切物质都收集起来，然后把各种不同的物质用排列组合的方式混合，再给它们施以“酷刑”，什么碾压、火烤、冰冻、蒸馏、结晶、甚至是刚刚发明没多久的通电等等，他们用尽一切手段“折磨”这些物质，目的都是为了把一种物质分解成更为基本的另一种物质。在那个时代，你很难从行为上分辨出一个化学家和一个巫师或者药剂师，比如我小时候特别爱看的一部动画片《蓝精灵》，里面那个格格巫，整天游走在一大堆试管间，把各种各样、千奇百怪、五颜六色的液体倒来倒去，小时候觉得这是巫师的典型形象，实际上，这也是当时欧洲的那些化学家们的典型形象。

《蓝精灵》中的格格巫就像18世纪的化学家

尽管各国的化学家对物质的组成有着迥然不同的看法，但有一个共识逐渐形成。这个共识就是，世界上所有的物质，可以分成两类，一类是通过一切手段，都无法再分解的简单物质，比如像各种金属就是典型的这类物质，还有像氢气、氧气这样的气体物质，今天我们把这些物质叫单质。第二类物质就是由不同元素组成的化合物。

但拉瓦锡对化合物的认识又比其他人更深一步，根据他的氧化学说，化合物又可以分成三类，第一类是氧与非金属元素组成的化合物，这类化合物被拉瓦锡统称为“酸”；第二类是氧与金属元素组成的化合物，这类化合物被拉瓦锡统称为“碱”，比如我们前面一再提到的那种红色粉末氧化汞，就是拉瓦锡称为的“碱”类物质；第三类是酸和碱再反应后生成的新物质，被称为“盐”。当然，拉瓦锡对酸、碱、盐的定义和我们今天有所不同，但在那个化学的黎明时代，这种分类思想就像是照亮前路的晨光，意义非常重大。那个时代的探索者们逐渐认识到，这个世界上化合物的数量要远远多于基本物质的数量，寻找基本物质就好像大航海时代发现新大陆一般令人着迷。

氧化汞是拉瓦锡称为的“碱”类物质

但即便有无数人痴迷于寻找世界上不能被分解的基本物质，可真正得到公认的基本物质其实并不是很多，在拉瓦锡 40 多岁时，大约也就找到了 30多种基本物质，拉瓦锡把这些用尽一切手段都不能再被分解的物质叫做基本元素。但是这些物质的名称却极其混乱，每个人在发现它们时，基本上都会给起个新名称，就比如说“氧气”，当时就有促生命气体、最适宜呼吸气体、脱燃素气体、促燃烧气体等等各种名称，这使得化学家们交流起来十分困难，谁也搞不清楚其他人说的那种物质是不是就是自己知道的某种物质。

现代化学的开篇巨著

拉瓦锡和另一位法国化学家德莫维奥（Lous-Bernard Guyton de Morveau）一拍即合，决心终结这种混乱的局面，他们开始收集、整理各地化学家们找到的物质，通过重复实验来合并同类项，归类整理，统一命名。做这件事情，拉瓦锡还有一个强烈的动机，就是希望通过统一化学物质的名称，来达到传播氧化学说的目的。

法国化学家德莫维奥

在这个过程中，拉瓦锡郁闷地发现，尽管自己拥有全世界最豪华的实验室，居然没有一种基本物质是自己首先发现的，自己所知道的所有的基本物质都被别人提前发现过。1787 年，化学史上第一本专门给物质命名的书，《化学命名法》出版，包括拉瓦锡在内，一共有四个作者。

四位作者合著的《化学命名法》

这套命名方法的核心思想是这么几条：一、一种物质对应一个名字，这条听着好像是句废话，但如果放到当时那个名称混乱不堪的环境中，这条思想很重要；二、所有的基本物质只用一个单词表示，不要弄得老长；三、化合物的名称中要包含所有基本物质的名称，这样一来，只要看到名称就能知道这种物质可以用哪几种基本物质制造出来。这套命名体系一直沿用至今。就是用这套方法，拉瓦锡和他的合作者们，给当时世界上已知的 700 多种物质都确定了名称。从此，化学界混乱的命名方法得以改观，化学家们总算有了一本可以把自己发现的物质对号入座的手册。

但也有对此很不满的化学家，因为很多物质的旧名称都是以发现者或者发现地命名的，而新的名称中，把这些都给统统抹去了，他们拒绝使用新名词。不过，老家伙们终究会死去，而新生的年轻一代化学家显然更喜欢简洁明了的新名字。

两年后，1789 年，现代化学终于有了一部开山之作，这就是拉瓦锡独立完成的现代化学史上一部里程碑意义的巨著《化学基础论》。写到这里，我特意去买了本电子书，既然开讲化学史的节目，怎么着也得打开这本史诗级著作的原著看看，否则真不好意思跟人打招呼。

拉瓦锡的巨著——《化学基础论》

拉瓦锡为他这本书的副标题是这么写的：“以一种新的秩序容纳了一切现代发现的化学基础论”。不得不承认，拉瓦锡写下这行霸气外露的文字，的确出自他的自信，而不是自恋。

今天的化学界都承认，这本书在化学界的地位，就如同牛顿的那本《自然哲学的数学原理》在物理学界的地位一样，拉瓦锡为化学这门学科打下了第一根基桩，整个现代化学大厦都是在这根基桩上逐步建立起来的。

在拉瓦锡原著的“序”里，我开篇就读到了这样一段让我非常感动的话：

我一直强使自己除了从已知到未知之外，绝不任意前进。并将此作为一条定律：除了由观察和实验必然引出的直接结果之外，绝不形成任何结论，并且始终整理事实以及由这些事实引出的结论，以这样一种秩序最易于使它们为开始从事化学研究的人们所完全理解。

我相信，我的老读者都能从这段话中读出纯正的科学精神。千万别忘了拉瓦锡是 1743 年出生的人，200 多年前的人能具备这样的精神，可以说凤毛麟角的。我曾经说过，科学的解释和文化、宗教的解释，最大的不同在于：科学的解释努力让人理解，而文化和宗教的解释则努力让人相信。

现代化学的基本原理200多年未改变

拉瓦锡是人类历史上，第一个洞见到了化学反应真相的人，他的核心思想可以被称为“元素不灭”。一切看似眼花缭乱的化学反应，都不过是元素之间的转化和组合，元素既不会被消灭，也不可能凭空产生。这条 200 多年前的深刻洞见，一直到今天，依然是现代化学的基本原理。可能你会反驳说，我们今天不是发现，元素是会衰变的吗？一种元素也会变成另外一种元素。是的，放射性元素确实会发生衰变，但我们一般认为那个不算是化学过程，而是一种物理过程，这是后话，这里暂且不表。

在 18 世纪末，发生了两场革命，一场革命是拉瓦锡掀起的化学革命，他以一人之力革掉了燃素学说的命；另一场革命是法国大革命，但很不幸的是，这场革命革掉了拉瓦锡的命。

法兰西第一共和国成立后，国王路易十六被推上了他自己亲自设立的断头台。旧政府的 28 个包税官全部被判处死刑。所谓的包税官就是帮助国王收税的官员，当时的政策是承包制的，包税官每年向政府承诺一个税收总额，超额征收部分可以合法地装自己的口袋，这种政策当然遭到了民众的憎恨，他们视所有包税官为旧政府的帮凶，要求全部砍头。

拉瓦锡被推上了断头台

就这样，50 岁的拉瓦锡和他的岳父都被推上了断头台，一颗 100 年也长不出的脑袋在不到 1 秒钟的时间就被切了下来。仅仅不到三个月之后，雅各宾专政恐怖统治时期的最高领导人罗伯斯庇尔（Maximilien de Robespierre）在同样的地点以同样的方式命丧黄泉，恐怖统治很快结束了。法国大革命结束后，拿破仑掌控了法国，他是一个非常尊重科学的领导人，法国人民也从狂热的革命热情中冷静下来，重新开始审理被前政权判处死刑的人，拉瓦锡毫无悬念地被平反，改判无罪。

100 多年后，一座拉瓦锡的雕像竖立在了巴黎，受到了人们的敬仰。后来有人指出这座雕像跟拉瓦锡一点儿也不像。追问之下，雕塑家承认他用的是数学家、哲学家孔多赛（Marquis de Condorcet）的头像资料。这座拉瓦锡暨孔多赛的雕像在原地被保留了半个世纪，直到二战爆发被毁。