近代化學之父 : 安東萬-洛朗·德·拉瓦節

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安東萬-洛朗·德·拉瓦節(法語:Antoine-Laurent de Lavoisier,1743年8月26日-1794年5月8日),法國貴族,著名化學家生物學家,被後世尊稱為「近代化學之父」。

 

 

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他使化學從定性轉為定量,給出了的命名,並且預測了的存在。

 

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他幫助建立了公制。拉瓦節提出了「元素」的定義,按照這定義,於1789年發表第一個現代化學元素列表,列出39種元素,其中包括和一些當時被認為是元素的化合物。拉瓦節的貢獻促使18世紀的化學更加物理數學化。他提出規範的化學命名法,撰寫了第一部真正現代化學教科書《化學基本論述》(Traité Élémentaire de Chimie)。他倡導並改進定量分析方法並用其驗證了質量守恆定律。他創立氧化說以解釋燃燒等實驗現象,指出動物的呼吸實質上是緩慢氧化。這些劃時代貢獻使得他成為歷史上最偉大的化學家之一。

拉瓦節曾任稅務官,因此他有充足的資金進行科學研究。不幸在法國大革命中被送上斷頭台而死。

 

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安東萬·拉瓦節出生在法國巴黎一個律師家庭,並在5歲時因母親過世而繼承了一大筆財產。他在1759年到1768年間於馬薩林學院學習。家人想要他成為一名律師,但是他本人卻對自然科學更感興趣。1767年他進入巴黎大學法學院學習,獲得律師資格。課餘時間他繼續學習自然科學,從魯艾爾那裡接受了系統的化學教育和對燃素說的懷疑。1776年至1783年他作為地理學蓋塔的助手,進行採集法國礦產、繪製第一份法國地圖的工作。在考察礦產過程中,他研究了生石膏熟石膏之間的轉變,同年參加法國科學院關於城市照明問題的徵文活動獲獎。1767年他和蓋塔共同組織了對阿爾薩斯-洛林地區的礦產考察。1768年,年僅25歲的拉瓦節成為法蘭西科學院院士。

 

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1770年有一派學者堅持波以耳已經否定的四元素說,認為長時間加熱會生成土類物質。為了搞清這個問題,拉瓦節將蒸餾水密封加熱了543天,發現的確有微量固體出現。他使用天平進行測量,發現容器質量的減少正等於產生固體物的質量,而水質量沒有變化,從而駁斥了這一觀點。1789年拉瓦節與同事的女兒,24歲瑪麗-安娜·皮艾爾萊特結婚。皮艾爾萊特通曉多種語言,多才多藝,她替拉瓦節翻譯英文文獻,並為他的書籍繪製插圖並保存拉瓦節實驗記錄,協助丈夫進行科學研究。

 

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氧化學說


面對如此的局面,1782年秋天開始拉瓦節對在空氣中燃燒的現象進行研究。為了確定空氣是否參加反應,他設計了著名的鐘罩實驗。通過這一實驗,可以測量反應前後氣體體積的變化,得到參與反應的氣體體積。他還將鉛在真空密封容器中加熱,發現質量不變,加熱後打開容器,發現質量迅速增加。儘管實驗現象與燃素說支持者相同,但是拉瓦節提出了另一種解釋,即認為物質的燃燒是可燃物與空氣中某種物質結合的結果,這樣可以同時解釋燃燒需要空氣和金屬燃燒後質量變重的問題。但是此時他仍然無法確定是那一種組分與可燃物結合。1774年10月普利斯特里訪問巴黎,和拉瓦節進行討論。這次討論和拉瓦節後來的成果的關係至今仍有爭論,普利斯特里在後來文章中說並將自己加熱汞灰(氧化汞)生成氣體(氧氣)這一結果告訴拉瓦節。而有些人則認為並非如此。為了解釋「燃燒」這一常見的化學現象,德國醫生貝歇爾提出燃素說,認為物質在空氣中燃燒是物質失去燃素,空氣得到燃素的過程。燃素說可以解釋一些現象,因此很多化學家包括普利斯特里舍勒等人都擁護這一說法。普利斯特里更是將自己發現的氧氣稱為「脫燃素空氣」,用來解釋物質在氧氣中燃燒比空氣中劇烈。但是燃素說始終難以解釋金屬燃燒之後變重這個問題。一派人索性認為這是因為測量的殘留誤差導致,另一派比較極端的燃素說維護者甚至認為在金屬燃燒反應中燃素帶有負質量。

1775年路易十六宣布將火藥工業國有化,拉瓦節被派往巴黎軍火庫進行國有化工作,同時設計新的硝石製備方法來提高黑火藥的性能。在他的努力下,法國的槍械的火力迅速提高。工作之餘他建立了自己的實驗室,繼續進行燃燒研究。他直接加熱氧化汞,發現一種性質類似於平常的空氣的氣體產生。這種氣體可以支持燃燒與呼吸,並且與一氧化氮混合後體積減小。最開始他將這種氣體和空氣混為一談。普利斯特里讀到拉瓦節文章之後指出,拉瓦節所提到的這種氣體就是他所發現的「脫燃素空氣」,並且指明這種氣體的反應效果比空氣強很多。拉瓦節接受了普利斯特里的批評,同時確認了這就是他一直尋找的那種在空氣中的支持燃燒的氣體。在1777年的《燃燒概論》(Sur la combustion en général)和1778年的《酸性概論》(Considérations générales sur la nature des acides)中,他正式闡釋了自己的氧化說。認為燃燒是物質和空氣中約占五分之一的氧氣反應的結果。同時基於很多燃燒產物的水溶液具有酸性,他得出任何酸中都含有氧的錯誤結論,所以1779年他將空氣中支持燃燒的一部分命名為氧氣(oxygen、希臘語:形成酸的),另一部分命名為氮氣(azote、希臘語:無生命的)。

拉瓦節的實驗室,收藏於法國工藝博物館

隨後,拉瓦節開始關注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,他們使用豚鼠進行實驗,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。發現兩者有一定類似關係,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。

1783年亨利·卡文迪什發現了「可燃氣體」即氫氣,發現它可以與氧氣生成水,但是卡文迪許仍然將這一反應視為燃素轉移所導致的結果。此時卡文迪許的助手訪問巴黎,將這一成果告訴拉瓦節。拉瓦節馬上意識到這一反應正是氧化說的有力佐證,並且自己進行實驗將水蒸氣通過熱槍筒,發現水被分解了。他發表文章提出水實質上是一種化合物,並用自己的學說對其生成和分解進行了簡潔而圓滿的解釋,但是拉瓦節很少在論文中寫明藉助了他人的工作,這是他的一個缺陷。拉瓦節從氫氣燃燒生成水這一實驗事實感覺到以前的實驗忽略了對呼出氣體中的水的測定。於是他請了一個助手來進行人體實驗,希望可以搞清人類呼吸的實質。但是這一實驗被法國大革命所中斷,後來他的助手完成了實驗,初步證明了人的呼吸中有碳和氫的氧化過程。

新理論的傳播與統一度量衡

拉瓦節正在進行實驗

1787年之後拉瓦節社會職務漸重,用於科學研究時間較少。主要進行化學命名法改革,自己研究成果的總結和新理論的傳播工作。他先與貝托萊等人合作,設計了一套簡潔的化學命名法。1787年他在《化學命名法》(Méthode de nomenclature chimique)中正式提出這一命名系統,目的是使不同語言背景的化學家可以彼此交流,其中的很多原則加上後來柏濟力阿斯的符號系統,形成了至今沿用的化學命名體系。接下來,他總結了自己的大量的定量試驗,證實了質量守恆定律。這個定律的想法並非他獨創,在拉瓦節之前很多自然哲學家與化學家都有過類似觀點,但是由於對實驗前後質量測試的不準確,有些人開始懷疑這一觀點。1748年,俄羅斯化學家米哈伊爾·瓦西里耶維奇·羅蒙諾索夫曾精確的進行了測定,並且提出了這一定律的描述,但是由於莫斯科大學處於歐洲科學研究的中心之外,所以他的觀點沒有被人注意到。

基於氧化說和質量守恆定律,1789年拉瓦節發表了《化學基礎論》(Traité Élémentaire de Chimie)這部集他的觀點之大成的教科書,在這部書里拉瓦節定義了元素的概念,並對當時常見的化學物質進行了分類,總結出三十三種元素(儘管一些實際上是化合物)和常見化合物,使得當時零碎的化學知識逐漸清晰化。在該書中的實驗部分中拉瓦節強調了定量分析的重要性。最重要的是拉瓦節在這部書中成功的將很多實驗結果通過他自己的氧化說和質量守恆定律的理論系統進行了圓滿的解釋。這種簡潔、自然而又可以解釋很多實驗現象的理論系統完全有別於燃素說的繁複解釋和各種充滿鍊金術術語的化學著作,很快產生了轟動效應。堅持燃素說的化學家如普利斯特里對其堅決抵制,但是年輕的化學家非常歡迎,這部書也因此與波以耳的《懷疑派的化學家》一樣,被列入化學史上劃時代的作品。到1795年左右,歐洲大陸已經基本全部接受拉瓦節的理論。

法蘭西科學院常會由政府資助,給予科學家薪水同時要求完成某些任務。由於拉瓦節的很強的工作能力,他參與了很多這種任務並負責起草報告。其中影響很大是統一法國的度量衡。1790年法蘭西科學院組織委員會負責制定新度量衡系統,人員有拉瓦節、孔多塞拉格朗日蒙日等。1791年拉瓦節起草了報告,主張採取地球極點到赤道的距離的一千萬分之一為標準(約等於1米)建立米制系統。接著科學院指定拉瓦節負責質量標準的制定。經過測定,拉瓦節提出質量標準採用千克,定密度最大時的一立方分米水的質量為一千克。這種系統儘管當時受到了很大阻力,但是今天已經被世界通用。

社會活動及處死

拉瓦節的雕像,位於巴黎市政廳

1768年拉瓦節加入法國由國王直接管轄的稅務機關(Fermi)。當時的法律規定,如果稅務官收的稅除去交給國王的還有剩餘,那麼就由他自己支配,因此很多稅務官不用工作也有大筆的收入。這使得很多納稅人特別是農民對稅務官印象極差。拉瓦節本人也收入頗豐,他將大部分收入用於購買和製造儀器。他倡議鹽稅改革,修築城牆以打擊走私。甚至在自己的農場進行農業化學實驗,希望可以通過提高產量來抵消高稅收的影響。但是他最終受累於稅務官這一身份。

1780年青年科學家馬拉法蘭西科學院提交了一篇關於新燃燒理論的論文,希望可以加入學院,拉瓦節作為學院裡最有影響力的人物之一,對這篇論文評價很低。法國大革命爆發後,雅各賓派掌權,已經成為雅各賓派領導人的馬拉寫小冊子抨擊原來的稅務官,其中指責拉瓦節為了防止走私所修築的城牆污染巴黎空氣,向菸草上灑水增加重量,盤剝百姓。而實際上拉瓦節是為了防止菸草乾燥才要求灑水,並且在灑水之前要稱重,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年拉瓦節被捕,5月8日被定罪,而且在當天與其他27個稅務官一起遭到斷頭台處死。法國大革命結束後他被重新認定為無罪。

拉瓦節死後,拉格朗日惋惜道:「他們只一瞬間就砍下了這顆頭,但再過一百年也找不到像他那樣傑出的腦袋了。」(Il ne leur a fallu qu'un moment pour faire tomber cette tête, et cent années, peut-être, ne suffiront pas pour en reproduire une semblable.)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克勞德·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。

著作

 

 

 

 

 

 

 

(網路來源:維基百科)

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