《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」

《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」
拉瓦節伉儷|Photo Credit: Jacques-Louis David Public Domain

我們想讓你知道的是

為了避免被龐大的化學領域淹沒,本書焦點放在無機化學──探討除了碳以外的所有元素和它們的化合物。化學史大多和無機化學有關,這些故事經常交織在一起,構成一部精采的故事。

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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Photo Credit: 大石國際文化出版

責任編輯:翁世航
核稿編輯:丁肇九