《化學原來如此！》：「化學革命」之父拉瓦節的最大錯誤是假設了「卡路里」

文：喬爾・利維（Joel Levy）

【拉瓦節與化學革命】

安東萬－洛朗・拉瓦節（Antoine-Laurent Lavoisier）被尊為「化學革命」之父，是他那個時代——或許也是有史以來——最偉大的化學家。他雖然沒有發現任何新元素，但主要卻是靠他，化學才終於轉變成一門科學。在法國大革命終結他的生命前，他釐清了出氧的角色、定義了「元素」一詞，並導入科學命名法。

謀生的工具

安東萬－洛朗・拉瓦節（1743-1794年）是一位富裕律師的兒子，接受過昂貴的教育和法律訓練，之後才展開科學工作，剛開始是一位地質學家。他因此開始接觸化學，並為了進入名聲響亮的科學院而成立實驗室，最後也達成了目標。為了確保有自己的收入來資助研究，拉瓦節加入了民間的徵稅公司Ferme Générale，專門為國王收稅。當時科學變得愈來愈專 ，因此花費也愈來愈高，特別是拉瓦節需要的精密儀器。

他在1772年把注意力轉向氣動化學，進行磷和硫的燃燒實驗，發現在空氣中燃燒時，磷和硫的重量會增加。他還發現用木炭（碳）加熱密陀僧（一氧化鉛，一種鉛礦石）時，會還原出鉛、釋出氣體並減輕重量。

這項發現和燃素學說相互矛盾。燃素學說認為，把礦石還原成鉛，需要添加燃素而不是去除某種成分。拉瓦節於是步上了破除燃素神話的路。

燃燒的祕密

兩年後，拉瓦節得知普里斯利發現「去燃素的空氣」。他親自試驗這種新的氣體，結果很快就了解到這是和燃燒、還 原、呼吸、發酵和酸化過程都有關的元素。他重複普里斯利的研究，證明了這種新的氣體是維持生命的大氣成分之一，剛開始把它取名為「極適呼吸的氣體」，並證明燃燒和呼吸作用會把這種氣體轉化為約瑟夫・布拉克所定義的「固定的氣體」（二氧化碳）。1777年，拉瓦節已經準備好用新的「燃燒通用學說」來取代燃素，並為新的燃燒要素取了新的名字：氧。他對酸的研究已經顯示有氧牽涉其中，因此他把這種「極適呼吸的氣體」叫做「酸素」或「氧素」。（氧的英文「oxygen」源自希臘文的「產酸者」。）

有了氧的新概念，拉瓦節就能證明燃素學說弄錯了。燃燒、呼吸和生鏽是添加氧，還原則是損失氧。混合木炭和氧，就會得到固定的氣體。當拉瓦節學會在氧氣中燃燒氫氣來製造水時，最後一片拼圖也補上了。他得以證明水是一種化合物，結合了氫（hydrogen，拉瓦節用希臘文中的「製水者」來命名）和氧。

「我們可以把它當成毋庸置疑的定律：在所有工藝與自然的操作中，沒有任何東西是憑空創造出來的； 實驗前和實驗後必定存在等量的物質；元素的質和量完全相同；除了改變這些元素的組合外，不會發 生任何事。化學實驗的整個技術都是以這個原則為基礎。我們 一定要假設，受驗物體的元素和其分析產物的元素，是完全相同的。」

——安東萬－洛朗・拉瓦節

科學定義

拉瓦節化學生涯的高潮是在1789年他發表《化學基本論述》（Traité Élémentaire de Chimie）之時。他以清晰、有邏輯的方式闡述他的發現和推理，支持了他現代化、科學化的化學認知：「我們只能相信事實：這些都是大自然呈現給我們的，不會騙人。在任何情況下，我們都應該把自己的推理交給實驗去檢測，只能透過實驗和觀察的自然之路尋求真理。」

拉瓦節在化學方面的重要創新之一，是對元素有了決定性的新定義：「分析所能達到的最後一步」——換句話說，就是無法再分解的物質。他承認隨著技術的進步，過去無法分解的某些物質後來可能被證明是化合物。也確實，他所列舉的33種元素，有幾種被證實是氧化物。他還預測有幾種鹼土（無法再分解的鹼性固體）會被證實是金屬氧化物，後來韓福瑞・戴維（Humphry Davy） 也真的用新的電解技術從熔化的鹽類中分離出鹼土金屬。

拉瓦節的「平衡表」方法，是化學這門科學上的另一個巨大貢獻。透過他昂貴、高度敏感的儀器，他完善了測量反應物和產物的技術，無論是固體、氣體或液體皆然，並強調準確量化反應物和產物的重要性。這也促使他定義出物質守恆定律（見右欄）。

拉瓦節最大的錯誤

拉瓦節也不是不會犯錯。他這套新系統的一個核心層面就是一種假設的熱元素，叫做卡路里（caloric）。雖然卡路里是一種沒有質量、無法檢測的物質，但行為應該像液體或氣體，而拉瓦節說氧氣其實是氧和卡路里的混合物，由卡路里來決定它的相。這和燃素學說一樣是個死胡同，而且從許多方面來說，只是把古典的火元素換了個名稱而已。

怪咖的復仇

拉瓦節擁有非常多的成就。除了化學研究以外，他也是個勤奮的稅務官，參與了許多公民和政府事務，包括協助制定公制單位系統、協助巴黎當局在城市周圍建造一道不受歡迎的反走私牆。不幸的是，面對一個復仇心極強的科學外行人，他的任何成就都救不了他。

在成為法國大革命激進的領導人之前，尚－保羅・馬拉（Jean-Paul Marat，1743-1793年）原本是一位有抱負的業餘科學家，想加入科學院，但被拉瓦節擋下。後來，取得大權的馬拉指控這位化學家，說他企圖用牆來「監禁」巴黎。審判時，拉瓦節請求開恩，好讓他能繼續從事研究，但被法官駁回。而他雖然也支持革命，卻因為從事令人憎恨的收稅工作而落得毫無轉寰餘地。他在1794年5月8日被送上斷頭台處決。

書籍介紹

本文摘錄自《化學原來如此！：最好懂的化學史、化學原理與元素週期表全攻略》，大石國際文化出版

作者：喬爾・利維（Joel Levy）
譯者：張必輝

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