第8章 化学趣史（6）

也正因为这样，恩格斯历史地、辩证地评价了燃素学说的作用：“在化学中，燃素说经过百年的实验工作提供了这样一些材料，借助于这些材料，拉瓦锡才能在普利斯特列制出的氧中发现了幻想的燃素的真实对立物，因而推翻了全部的燃素说。但是燃素说者的实验结果并不因此而完全被排除。相反地，这些实验结果仍然存在，只是它们的公式被倒过来了，从燃素说的语言翻译成了现今通用的化学的语言，因此它们还保持着自己的有效性。”[18]1789年，拉瓦锡出版了他的名著《化学概论》。在《化学概论》里，拉瓦锡讲述了自己的实验，清楚地、令人信服地说明了燃烧的本质，批判了燃素学说。

拉瓦锡把自己的燃烧理论，归纳成这样四点：

1、燃烧时放出光和热；

2、物质只在氧气中燃烧；[19]

3、氧气在燃烧时被消耗；燃烧物在燃烧后所增加的重量，等于所消耗的氧气的重量；

4、燃烧后，在燃烧物往往变成酸性氧化物，而金属则变成残渣。

在这本名著中，拉瓦锡大量的实验为根据，用更精确的科学语言，阐述了物质不灭定律。拉瓦锡写道：“物质虽然能够变化，但是不能消失或凭空产生。”拉瓦锡还用数学的形式，严格地表达了物质不灭定律，他说：

“如果我把硫酸和一种盐一起加热，而得到硝酸和硫酸钾，那么，我完全可以确信这所用的盐是硝石（即硝酸钾——引者注），因为根据物质不灭定律，我可以把这场化学反应写成下列的方程式：

设：x为生成那种盐的酸；

y为生成那种盐的硷。

那么（x＋y）＋硫酸＝硝酸＋硫酸钾

＝硝酸＋（硫酸＋钾的硷）

所以x＝硝酸y＝钾的硷

这样，那种盐就必定是硝石（硝酸钾）了。”

在化学上，拉瓦锡是第一个根据物质不灭定律，用化学方程式来表示化学反应的，成为化学方程式的首创者。

新生事物在一开始，常常遭到旧势力的非难。尽管在当时，拉瓦锡已经十分明白地揭示了燃烧的秘密，但是，仍然有一些化学家还不相信拉瓦锡的实验，死抱住燃素学说不放，连著名的普利斯特列在临死时还坚持燃素学说，罗维兹在1786年还企图用实验证明燃素的存在。但“一时强弱在于力，千秋胜负在于理”，真理不怕时间的考验。当时拉瓦锡的学说虽然未被普遍承认，燃素学说仍占上风，可是到了18世纪末，拉瓦锡的学说科于被化学界普遍承认，燃素学说终于被推翻了。

定组成定律

自从发现了物质不灭定律，并在化学实验室中提介使用天平以后，化学家们在研究工作中，都开始重视物质的重量，定量地进行研究。既然在化学反应中，参加反应的物质的总重量等于反应后生成物的总重量。那么，在反应物质和生成物之间，是不是顾在着一定的化合比例关系呢？这还是一个谜。

18世纪末，法国化学家普鲁斯特的老仆人，一大清早便开始在实验室里忙碌着：扫地，整理仪器、书籍和洗刷瓶子。

门铃响了，邮递员送来了一只木箱子。

老仆人过去一看，喃喃自语道：“又是水！……这已是第十四次收到装着水的木箱了。昨天刚刚收到来自日内瓦湖的水。”普鲁斯特为什么要从世界各个角落，收休各式各样的水呢？

难道他真开办一个水的“博物馆”？

这倒真是件怪事呐！

原来，普鲁斯特在探索着这样的一个秘密：“十分指头有短长，荷花出水有高低”，那么，世界上不同地方的水，它们的组成是不是一样？

实验结果非常有趣：不管是北方的海水，还是南方的海水；不管是欧洲的水，还是非洲的水；不管是河水、湖水、还是井水、泉水；也不管是热水，还是冷水；总之，不管水的来源怎样，除去这些水中所含的少量杂质后，所得的纯水的组成，一律都是含氧889%和含氢111%（指重量百分比）——没有一个例外。［20］

普鲁斯特面对着桌子上排成排的瓶子，翻阅着几个月来辛辛苦苦工作所得的分析结果，终于从大量的实验数据中，斩钉截铁般地得出了这样的结论：水，是具有固定的组成的。

自然，这里仅仅是水，那么，其他的种种化合物是不是也像水一样具有固定的组成呢？结论还必须还严谨的实验中去探求。

1799年，普鲁斯特又拿了一种绿色的铜化合物——硷式碳酸铜（分子式为CuCO3Cu（OH）2）进行化验。硷式碳酸铜这名字听来似乎很陌生，其实，铜锅上的铜绿里就含有它，漂亮翠绿的孔雀石的主要成分也是它。

普鲁斯特首先化验了各种天然的硷式碳酸铜。在他的实验记录本上，有着这样一排排同样的数据：

第一种化验结果：

含氧化铜69.4%，二氧化碳25%，水5.6%。（指重量百分比，下同。）

第二种化验结果：

含氧化铜69.4%，二氧化碳25%，水5.6%。

第三种化验结果：

含氧化铜69.4%，二氧化碳25%，水5.6%。

…………

天然的是如此，人造的怎么样呢？接着，普鲁斯特又把天然的孔雀石溶解在硝酸里，再加入碳酸钾，重新得到绿色的沉淀物——人造的硷式碳酸铜沉淀。

他化验了这人造的硷式碳酸铜，结果依然是：含氧化铜69.4%，二氧化碳25%，水56%。

又是完全吻合！

普鲁斯特对待科学研究工作，既严肃，又缜密。他虽然做了不少和硷式碳酸铜的分析式作，但是，他还觉得作得不多、不够。为了进一步获得更丰富的资料，他写了许多信，给各国的科学院和朋友们，请求他们从世界各地寄来各种矿石。

普鲁斯特接着分析了来自西班牙和日本的两种矿砂——硫化汞，测得的结果都是含86.2%的汞和13.8%的硫。他化验了来自秘鲁和俄国西伯利亚的两种氯化银，测得的结果也都是含75.3%的银和24.7%的氯。他又分析了来自世界各地的海盐、湖盐、岩盐，测得的结果都是含39.3的钠和60.7的氯。

普鲁斯特前后花了7年的功夫，认真地做了上千次的化学分析实验，他从大量的事实中，终于得出了这样的结论：任何纯净的化合物都具有固定的组成——不管这化合物是从什么地方得到的，也不管这化合物是用什么方式法制取的。在化学上，这就是著名的“定组成定律”，又叫“定比定律”。

科学的发展总是曲折的。真理，常常是在争议中才得到进一步的考验和证实。1799年，普鲁斯特发表了定组成定律后，马上受到上海国科学家贝索勒的激烈反对。

贝索勒是拉瓦锡的学生。1799年，贝索勒在埃及发表了自己的《化学亲和力定律》一文，这个定律，恰恰和普鲁斯特的定组成律相反。

贝索勒在《化学和力定律》这篇论文中写道：“一个化合物是没有固定的组成的。每一种物质可以按照随便什么比数同另一种物质化合。”

贝索勒和普鲁斯特一样，也是一个谨严的科学家。贝索勒并不是没有根据、凭空臆测地反对定组成定律，他也进行了许多实验，对铁的氧化物进行了定量分析，所测得的结果是：铁和氧可以按各种不同的比数化合。

这样，这两位科学家便各说各有理，在法国的《物理》杂志上，你一篇论文，我一篇论文地争论开了，从1799年，一直争论到1808年，前后达9年之久。

争论并不是坏事。有不同的意见，就应该争论，只要双方都抱着去伪存真，追求真理的态度，那么，通过争论，就一定能够求得真理，达到统一。普鲁斯特十分虚心地阅读了贝索勒的论文，反复考虑觉得也所讲的也很有道理。为了弄清事实，普鲁斯特就很仔细地开始进行铁的氧化物的分析工作。分析的结果表明：的确，在不同的铁矿中，铁和氧的比数常常不一样——贝索勒并没有错！然而，普鲁斯特不光是重复做了贝索勒做过的实验，他还进一步做了许多新的实验，最后终于发现：原来，铁和氧和化合物有好几种，而天然的铁矿，常常是这好几种铁的氧化物的混和物！普鲁斯特确定，铁和氧的化合物三四种，其中最常见的是三氧化二铁（即化铁Fe₂O₃），含氧30%，含铁70%；而另一种氧化铁（即氧化亚铁FeO），含氧22%，含铁78%。在天然的铁矿里，这两种铁的氧化物都有，而且是以不同的比数相混和的，显然，在这样的混和物里，铁和氧的比灵敏就会是多种多样的，就象九曲黄河里的水一样，水流急的地方泥沙就多，水流缓的地方泥沙就少，泥水是个混和物，其中水和泥的比数各不相同。但是，纯净的水和纯净的砂（二氧化硅），它们的成分各自都是固定不变的。也就是说，定组成定律只是针对纯净的化合物而言，而不适用于各种混和物。

“灯不拨不亮，真理不辩不明。”通过争论，普鲁斯特终于胜利了，他的定组成定律不仅没有被驳倒，反而在争论中得到了进一步的丰富，因为他从铁的氧化物的分析中，发现两种元素以不同的（然而是固定的）比数能生成两种或两种以上不相同的化合物。

在争论中，贝索勒虽然输了，但是，仍然非常高兴，他为找到了真理而高兴，而且承认普鲁斯特的定组成定律是完全正确的。

定组成定律，其实从拉瓦锡所做的实验中，早就可以看出来，因为水银在加热到第十二天以后，空气中的氧气差不多都和水银生成了氧化汞，这时，虽然水银还剩下很多，但是氧化汞的量却很少增加——这说明水银和氧是以一定的比数化合的，不然，氧化汞的量为什么就不再增加了叫？只不过拉瓦锡把注意力全集中到研究燃烧的本质上去了，而没有留意这一点。

因此，直到20多年后，方由普鲁斯特发现了这一定律。

定组成定律是物质不灭定律的一个新的发展，它说明了：在进行化学反应时，不仅反应后物质的总重量是等于反应前的总重量，而且在反应中各种物质是按一定的比数进行化合的，因此任何纯净的化合物都有固定的组成。

倍比定律

普鲁斯特和贝索勒的争论，说明了这样的一个事实：两种元素能够以不同的比数化合生成不同的化合物。然而，这也就随着产生了一个新的问题：这两种元素能不能以任意的比数生成许多种化合物呢？在各种不同的化合物之间，是不是又存在着一定的关系呢？

答案是：两种元素只能生成有限的几种不同的化合物，并不能以任意的比数生成许多处化合物。而且，在各种不同的化合物之间，存在着一定的比数关系。

这一规律，是英国化学家道尔顿在1803年发现的。

当时，道尔顿在埋头于气体成分的研究工作中，研究了许许多多气体相互化合所生成的化合物。在工作中，他发现两种元素可以生成两种或两种以上的不同的化合物。他仔细地把这些不同的化合物加以对比，看出了一条崭新的规律来：元素的化合的比数，常常可以约成简单的整数。

以氮气和氧气为例，它俩互相化合，可以长成5种不同的氮氧化合物。如果以氮的重量为1作标准，可以得到下面的结果：

名称N（氮）：O（氧）

一氧化二氮（N₂O） 1：0.571

一氧化氮（NO） 1：1.142

三氧化二氮（N₂O₂） 1：1.713

二氧化氮（NO₂） 1：2.284

五氧化二氮（N₂O₅） 1：2.855

如果你拿出一张纸来，把0.571、1.142、1.713、2.284、2.855都用0.571除一下的话，可以看出，这5种化合物中氧的含量恰巧是1：2：3：4：5。

再以铅和氧的化合物为例：如果用1克铅，在空气中加热到摄氏500度，那么，铅和氧会化合生成红色的四氧化三铅（俗名“红丹”，Pb₃O4）1.1029克；如果把1克铅，在空气中加热到摄氏750度，那么，铅会和氧化合生成黄色的一氧化铅（俗名叫“黄丹”），PbO，1.0772克。

在这里，所用的铅都是1克。而这两种化合物中所含的氧的重量是0.1029克和0.0772克。

这们之间的比数是0.1029：0.0772＝4：3（因为0.1029＝0.02573×4；0.0772＝0.02573×3）；恰好又成简单的整数比！

这样，道尔顿得出了一个规律，用现代的说法，那就是：如果甲乙两种元素能够化合成几种化合物，那么，在这几种化合物里，跟一定量甲元素相化合的乙元素的几个量，一定互成简单的整数比。这个定律，便是著名的“倍比定律”。

道尔顿是在1803年发现倍比定律，但是，当时他并没有把这一定律公开发表。1804年，道尔顿同英国化学家托马斯·汤姆生的一次会晤中，谈起了自己的发现，汤姆生听了，非常高兴。1808年，汤姆生在自己的《化学系统》这本书的第三版里，把道尔顿的发现写了进去。这样，倍比定律才第一次公布于世。

道尔顿是一个慎重、谨严的科学家，他在当时不愿意马上公开发表自己的定律，也是有原因的——他感到有关的实验自己做得不多。特别是在当时，普鲁斯特做了许多实验，这些实验的结果并不符合倍比定律。

那时候，普鲁斯特曾分析了氧和铜的两种不同的化合物——氧化铜和氧化亚铜，得到这样的结果：

氧化亚铜（红色，Cu₂O）铜：氧＝100：16（重量比，下同）

氧化铜（黑色，CuO）铜：氧＝100：25

这里，氧在两种化合物中的重量是16：25，看不出成简单的整数，好象倍比定律对于铜和氧的化合物并不适用。