《人類科學(xué)技術(shù)史-250》燃素假說(shuō)

燃素假說(shuō)
1.在原子學(xué)說(shuō)的啟迪下

波義耳揭開了近代化學(xué)的序幕，是以對(duì)火的研究，即以對(duì)燃燒和焙燒的研究為基礎(chǔ)的，波義耳做過(guò)大量的物體燃燒實(shí)驗(yàn)與金屬焙燒實(shí)驗(yàn)，通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)，他初步認(rèn)識(shí)到了燃燒與空氣的關(guān)系，認(rèn)識(shí)到空氣是燃燒的必要條件，可是，他無(wú)法從理論上解釋燃燒現(xiàn)象，尤其使他不能理解的是，像木炭這樣一類物質(zhì)在燃燒之后，其灰燼變輕了；而像錫、鉛、銅、鐵等金屬經(jīng)過(guò)焙燒之后，其灰燼反而變重了。

17世紀(jì)初，法國(guó)哲學(xué)家伽桑狄(1592-1655年）對(duì)古希臘哲學(xué)的原子學(xué)說(shuō)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和廣泛的宣傳，特別是對(duì)亞歷山大時(shí)期的古希臘哲學(xué)家伊壁鳩魯(約公元前341-前270年）的原子學(xué)說(shuō)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和廣泛的宣傳。1649年，伽桑狄發(fā)表了《伊壁鳩魯?shù)恼軐W(xué)體系》這一重要論著，這就使古希臘哲學(xué)中從德謨克利特到伊壁鳩魯?shù)脑訉W(xué)說(shuō)得以迅速?gòu)?fù)興。從德謨克利特到伊壁鳩魯?shù)脑訉W(xué)說(shuō)的理論核心，認(rèn)為物質(zhì)世界是由原子這種不可再分的最小的物質(zhì)微粒組成的。由于原子學(xué)說(shuō)的復(fù)興，原子學(xué)說(shuō)中所包含的微粒思想和其他思想，在當(dāng)時(shí)以及后來(lái)的整個(gè)近代科學(xué)發(fā)展時(shí)期，便成為孕育出近代各種科學(xué)理論的思想土壤。

正是在伽桑狄復(fù)興的古希臘哲學(xué)中的原子學(xué)說(shuō)的啟迪之下，波義耳試圖把原子學(xué)說(shuō)的微粒觀念與笛卡爾學(xué)說(shuō)的空間要素結(jié)合起來(lái)，建立起一種以機(jī)械論自然觀為基礎(chǔ)的燃燒學(xué)說(shuō)。

在原子學(xué)說(shuō)的啟迪下，波義耳提出了一個(gè)試圖解釋燃燒和焙燒現(xiàn)象的"火粒說(shuō)"，他認(rèn)為，火是一種極精細(xì)的微粒構(gòu)成的，火本身是一種"微粒的物質(zhì)元素"，所以有些物質(zhì)在燃燒時(shí)釋放出了這種物質(zhì)微粒，而有些物質(zhì)在燃燒時(shí)吸收了這種物質(zhì)微粒。他先解釋汞經(jīng)過(guò)焙燒后變成紅色氧化汞時(shí)，就曾認(rèn)為，這可能"是一些穿透性的火的粒子"作用的結(jié)果。

可是，為什么同是因?yàn)榛鸬淖饔茫械奈镔|(zhì)在燃燒后釋放出火的微粒，而有的物質(zhì)在燃燒后卻吸進(jìn)了火的微粒。對(duì)此，波義耳雖然力圖以他的"火粒說(shuō)"進(jìn)行理論解釋，但在進(jìn)行這種理論解釋時(shí)始終表現(xiàn)出困惑不解，波義耳看到空氣是燃燒的必要條件，這是他的貢獻(xiàn)。可是，他只看到了火對(duì)物質(zhì)的化學(xué)作用，而沒有看到空氣對(duì)物質(zhì)的化學(xué)作用，這即是他的局限所在。他的那種建立在"火粒說(shuō)"基礎(chǔ)上的燃燒理論，也就無(wú)法真正揭示燃燒與焙燒的化學(xué)奧秘。

波義耳并未建立起真正的燃燒理論，繼波義耳之后，繼續(xù)探索燃燒與焙燒奧秘的是波義耳的助手胡克。胡克在協(xié)助波義耳進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)時(shí)，就曾注意到：當(dāng)木炭在密封的容器中被加以強(qiáng)熱時(shí)，它并不變成灰燼，而只是變黑；但是，如果放進(jìn)空氣，木炭就立即燒掉，最后變成白色的灰燼。在有無(wú)空氣這兩種不同的條件下，木炭燃燒的結(jié)果是不同的。而這也正好說(shuō)明，空氣在燃燒中起著必要條件的作用。胡克在與波義耳一起進(jìn)行的燃燒和焙燒實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出過(guò)一個(gè)最初的燃燒學(xué)說(shuō)，這個(gè)最初的燃燒學(xué)說(shuō)載于他在1665年發(fā)表的《顯微術(shù)——用放大鏡觀察的微小物體的生理描述。附有關(guān)的觀察和研究》一書中，論及了他最初提及的燃燒學(xué)說(shuō)。

后來(lái)，胡克進(jìn)一步提出了一個(gè)當(dāng)時(shí)沒有發(fā)表的包括十二個(gè)命題在內(nèi)的燃燒學(xué)說(shuō)，其中兩個(gè)最基本的命題是："①空氣是所有硫素物體的萬(wàn)有溶劑；②進(jìn)行溶解作用時(shí)產(chǎn)生大量的熱，我們稱之為火。"這樣，胡克就把燃燒過(guò)程看作燃燒物體被空氣溶解的過(guò)程；而燃燒物體所以能被空氣溶解，是因?yàn)槿紵矬w中含有能被空氣溶解的"硫素"。于是，胡克就在波義耳的"火粒說(shuō)"的基礎(chǔ)上，提出了他的"硫素說(shuō)"。"硫素說(shuō)"的基本特點(diǎn)，在于充分肯定空氣在燃燒中的作用，而其學(xué)說(shuō)的理論核心，在于認(rèn)為燃燒物體中含有可燃物質(zhì)"硫素"，當(dāng)"硫素"物體一旦接觸空氣，就立即發(fā)生他所說(shuō)的溶解作用，而這種溶解放熱過(guò)程也就是燃燒過(guò)程。可見，胡克的燃燒學(xué)說(shuō)也是在當(dāng)時(shí)原子學(xué)說(shuō)的影響下所產(chǎn)生的一種理論假說(shuō)。

此后，胡克的燃燒學(xué)說(shuō)為英國(guó)當(dāng)時(shí)的另一個(gè)化學(xué)家約翰.梅尤(1641-1679年）所發(fā)展，1673年，梅尤在他自己進(jìn)行的燃燒實(shí)驗(yàn)與呼吸實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，寫成了他的主要著作《醫(yī)學(xué)哲學(xué)五論》，1674年，梅尤在牛津出版了這一著作。在此書中，他提出了燃燒學(xué)說(shuō)，這是胡克燃燒學(xué)說(shuō)的繼承和發(fā)展，他認(rèn)為，可燃物體本身含有"硫素粒子"，而空氣中則含有"硝氣粒子"，燃燒就是可燃物體中的"硫素粒子"與空氣中的"硝氣粒子"相互碰撞的結(jié)果，這就是梅尤在胡克"燃素說(shuō)"的基礎(chǔ)上提出的兩種粒子的。"碰撞說(shuō)"。為了證實(shí)他的燃燒理論，他曾在1673年進(jìn)行過(guò)這樣的實(shí)驗(yàn)：將一個(gè)其中點(diǎn)著蠟燭的玻璃鐘罩置入水中，鐘罩內(nèi)的蠟燭燃燒一會(huì)后即熄滅，隨蠟燭的熄滅，水亦隨之在鐘罩內(nèi)上升，但總是只能上升到一定的高度。他認(rèn)為，這是由于存在于鐘罩內(nèi)的空氣中的"硝氣粒子"被燃掉了，由于"硝氣粒子"在空氣中所占據(jù)的空間是一定的，在蠟燭燃燒后所造成的真空也是一定的，所以水在鐘罩內(nèi)上升的高度也是一定的。梅尤的這個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)際上是對(duì)氧氣的最初發(fā)現(xiàn)，只不過(guò)是他本人當(dāng)時(shí)并未認(rèn)識(shí)到這是氧氣。所以他對(duì)這一實(shí)驗(yàn)的解釋只比波義耳和胡克前進(jìn)了一步：即認(rèn)識(shí)到并不是所有的空氣都參加燃燒，而只是一部分空氣參加燃燒。這部分參加燃燒的空氣就是空氣本身所含有的"硝氣粒子"。

其實(shí)，在波義耳、胡克、梅尤等人之前，法國(guó)冶金學(xué)家雷伊(1583-1630年）就曾提出過(guò)類似的理論。1630年，他發(fā)表了一篇題為《關(guān)于焙燒錫和鉛重量增加原因的研究》的論文，在文中，他敘述了他的焙燒錫和鉛的實(shí)驗(yàn)，他認(rèn)為，錫和鉛經(jīng)過(guò)焙燒之所以增加了重量，是因?yàn)?濃密的空氣""混進(jìn)燒渣中"的緣故。他認(rèn)為，空氣中的某種濃密成分混進(jìn)金屬燒渣并不是兩種物質(zhì)之間的化合，而是兩種物質(zhì)微粒的一種機(jī)械混合，這種混合就同水的微粒與沙的微粒的混合一樣。水粒混入沙粒后使沙粒變重，空氣混進(jìn)金屬燒渣后也使金屬燒渣變重。

以上事實(shí)說(shuō)明，在燃燒說(shuō)尚未正式登上近代化學(xué)的歷史舞臺(tái)之前，在17世紀(jì)初期逐漸復(fù)興的原子學(xué)說(shuō)的影響下，近代化學(xué)的早期理論中已逐漸形成了一種機(jī)械自然觀，它在當(dāng)時(shí)的最典型的理論特征，一是把一切物質(zhì)實(shí)體的最小單位看作是類似于原子的物質(zhì)微粒；二是把一切物質(zhì)實(shí)體的相互作用看作是微粒之間的力學(xué)作用。從雷伊、波義耳、胡克到梅尤，他們所提出的關(guān)于燃燒的種種理論，差不多都是這種機(jī)械自然觀在燃燒理論上的反映。

2.燃素假說(shuō)的興起

梅尤之后，英國(guó)化學(xué)出現(xiàn)了停滯不前的局面，而在帶有濃厚的煉丹術(shù)與煉金術(shù)色彩的德國(guó)醫(yī)學(xué)化學(xué)卻振興起來(lái)，正是在這種背景下，以貝歇爾和斯塔爾為代表的醫(yī)藥化學(xué)家提出了解釋燃燒和焙燒現(xiàn)象的燃素假說(shuō)。而早期的近代化學(xué)也因此進(jìn)入了以燃素假說(shuō)為基本標(biāo)志的發(fā)展時(shí)期，即一般化學(xué)史家通稱的"燃素時(shí)期"。

最先提出燃素假說(shuō)的是德國(guó)美因茨大學(xué)的醫(yī)學(xué)教授貝歇爾(1635-1682年），1669年，他發(fā)表了他的主要著作《地下的自然哲學(xué)》，提出了最初的燃素假說(shuō)。他從煉金術(shù)關(guān)于物質(zhì)構(gòu)成的硫、汞、鹽三要素的觀念出發(fā)，認(rèn)為一般固體物質(zhì)的構(gòu)成元素是三種土質(zhì)：油土、汞土和石土。其中油土是存在于一切可燃性物體中的油質(zhì)性的土，相當(dāng)于煉金術(shù)士所說(shuō)的硫元素；汞土是一種可變化的流質(zhì)性的土，相當(dāng)于煉金術(shù)士所說(shuō)的汞元素；石土則是一切物體中一種固定的硬質(zhì)性的土，相當(dāng)于煉金術(shù)士所說(shuō)的鹽元素。在提出三種土質(zhì)理論的基礎(chǔ)上，貝歇爾對(duì)燃燒進(jìn)行了解釋，他認(rèn)為，在一切可燃物體中都含有油土，油土作為一種油性的和硫質(zhì)的元素，在可燃物體燃燒時(shí)，便從可燃物體中釋放出來(lái)。所謂燃燒，實(shí)質(zhì)上是可燃物體釋放油土的過(guò)程。這是貝歇爾提出的最初的燃素說(shuō)。

后來(lái)，德國(guó)的另一個(gè)醫(yī)藥化學(xué)家斯塔爾(1660-1734年）在貝歇爾的油土說(shuō)的基礎(chǔ)上，以燃素概念代替了貝歇爾的油土概念，并對(duì)貝歇爾的油土論作了一些發(fā)揮，這樣就正式形成了解釋燃燒現(xiàn)象的燃素假說(shuō)。

1697年，斯塔爾進(jìn)行了一些硫磺與硫酸的實(shí)驗(yàn)，他推測(cè)，硫磺燃燒時(shí)，即生成硫酸；反過(guò)來(lái)，如果把硫磺燃燒時(shí)隨火焰一道逸去的東西重新加入硫酸，那么這兩者重新加在一起就會(huì)生成硫磺。因此，他認(rèn)為，在硫磺燃燒時(shí)隨火焰逸出的那部分物質(zhì)，實(shí)質(zhì)上就是硫磺中所含有的可燃性的物質(zhì)。他把這種可燃性的物素稱為"燃素"，意即火的原素。

在進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)研究的同時(shí)，斯塔爾研究了《地下的自然哲學(xué)》等醫(yī)學(xué)化學(xué)著作，1703年，他重印了《地下的自然哲學(xué)》一書，并在貝歇爾闡述的油土論的地方加上了一個(gè)很長(zhǎng)的評(píng)注，他指出，貝歇爾所說(shuō)的油土，實(shí)際上就是存在于一切可燃物體中的燃素。后來(lái)，他在《化學(xué)基礎(chǔ)》一書中進(jìn)一步闡述了他的燃素說(shuō)。并在他的教學(xué)中長(zhǎng)期講授他的燃素說(shuō)，這樣，燃素假說(shuō)這樣一個(gè)關(guān)于燃燒學(xué)說(shuō)的新理論便廣泛傳播開來(lái)。

斯塔爾的燃素說(shuō)認(rèn)為，燃素是一種火質(zhì)和火素，但并非火的本身，而是一種呈細(xì)微粒子狀的火的原質(zhì)或元素；燃素廣泛地存在于一切可燃物體之中，也存在于金屬之中；燃素有時(shí)是油質(zhì)的，有時(shí)是火質(zhì)的，有時(shí)是土質(zhì)的，但無(wú)論分別存在于植物體、動(dòng)物體和礦物體的燃素的性狀怎樣不同，它們?cè)诒举|(zhì)上都是一樣的。他們的本質(zhì)屬性是它們的可燃性；物體的燃燒過(guò)程實(shí)質(zhì)上是燃素的逸出過(guò)程，燃素本身具有從一種物體轉(zhuǎn)入另一種物體的特性。斯塔爾還認(rèn)為，如果把金屬燒渣與含有燃素的物質(zhì)一道加熱，就可以使金屬還原。

燃素說(shuō)大體上能解釋一些燃燒現(xiàn)象，如油、脂、土、炭等在燃燒之后留下來(lái)的殘?jiān)c灰燼確實(shí)比原來(lái)的物體要輕得多，而這些現(xiàn)象很有些燃素說(shuō)所解釋的那樣，這是因?yàn)檫@些物體在燃燒時(shí)，燃素隨著火焰一道釋放出來(lái)了。這樣，其殘?jiān)c灰燼自然要比燃燒前輕得多。

由于燃素說(shuō)表面上能解釋一些燃燒現(xiàn)象，所以他給當(dāng)時(shí)的化學(xué)家們以一種理論上的幻覺：似乎燃素說(shuō)確實(shí)是能夠正確解釋燃燒現(xiàn)象的燃燒學(xué)說(shuō)。正因?yàn)槿绱耍?dāng)時(shí)的不少化學(xué)家都成了燃素說(shuō)的忠實(shí)信徒，而近代化學(xué)也因此進(jìn)入了一個(gè)以燃素說(shuō)為標(biāo)志的新的歷史時(shí)期——燃素時(shí)期。