金属煅烧实验的三种历史解释

袁振东 刘立新 杜卫民

摘要： 分析19世纪以前的化学史可知，关于金属煅烧实验的解释先后出现了三种范式： 波义耳的微粒学说、斯塔尔的燃素学说和拉瓦锡的氧化学说。这三种范式之间更替的历史是化学元素的发现史，也是化学思想的革命史。

关键词： 金属煅烧实验; 波义耳的微粒学说; 斯塔尔的燃素学说; 拉瓦锡的氧化学说

文章编号： 10056629（2019）1009305      中图分类号： G633.8      文献标识码： B

一些金属的天然存在以及早期冶金技术的发展，使人们很早就认识了金、银、铜、铁、汞等金属。与冶金技术及生活相关的“火”是人类较早认识的燃烧现象。自古以来人们就一直探索燃烧的本质。金属的煅烧实验自然成为早期化学家重要的研究活动。英国化学史家柏廷顿（James Riddick Partington， 1886～1965）认为“燃烧与金属的焙烧这两类化学变化，因为它们被平行地研究，且具有相同的起因，为了方便，可以放在一起描述”[1]。从科学方法角度看，金属的煅烧、焙烧、灼烧、加热等是有所不同的过程，但在史料中大都没有清楚的界定，且这里主要关注实验中金属与氧气发生化学反应的历史解读，因此文中將之统称为煅烧。

面对相同的金属煅烧现象，不同时代的化学家有不同的解释或说明，于是形成了不同的假说。当这些模型化的假说成为“科学共同体共同接受的实际科学研究范例”时，按照美国科学哲学家和科学史学家托马斯·库恩（Thomas S. Kuhn， 1922～1996）的观点，科学研究的“范式”（paradigms）就形成了，这些范例包括定律、理论、应用及仪器的设计、制作、操作等要素[2]。

关于金属煅烧现象的解释，在已有化学史论著中均有不同程度的涉及，但迄今未见专题研究。本文拟按照时间顺序对化学史上关于金属煅烧实验的解释进行深入考证，以期梳理史料，分析相关的化学思想变化及科学方法的发展，并为广大化学教师提供课程资源。

1 波义耳的微粒说解释

英国科学家罗伯特·波义耳（Robert Boyle， 1627～1691）出身于爱尔兰贵族，父亲是伯爵，自幼受到良好的教育。年轻时受到宗教的感化，他争取利用科学来揭示神的启示。虽然家里经济富裕，但他并不追求享乐，而是把精力和钱财贡献于科学。

波义耳对金属煅烧现象的解释基于他关于物质构成的微粒学说和严密的实验方法。

在波义耳生活的17世纪，关于构成物质的本原，广为传播的元素论有古希腊哲学家亚里士多德（Aristotle，前384～322）的四元素论（水、火、气、土）和瑞士炼金术士、医师帕拉塞尔苏斯（Paracelsus， 1493～1541）的三元素论（硫、汞、盐）。

1645年，波义耳在其父亲逝世一周年纪念会上，与来访的法国学者勒内·笛卡尔（Rene Descartes， 1569～1650）讨论了关于物质世界的学说。波义耳坚持德谟克里特（Demokritu from Abdera，约公元前460～公元前370）的原子论。笛卡尔辩驳说：“您总该承认目前亚里士多德的学说占着优势。他的四元素和炼金术士的三元素，是大家公认的。”然而，波义耳对上述两种观点持怀疑态度： 一切物体都仅有四种元素组成吗？炼金术士为什么不能找到点金石并用它把所有的金属都点成金子？作为皇家学会的创始人之一，他谨记印在会徽上的箴言——“勿信空言”，认为“空谈无济于事，实验决定一切”[3]。

古代元素论与原子论在本体论意义上的重要区别在于： 元素论是宇宙充满论，不承认虚空;而原子论承认虚空存在[4]。

波义耳相信原子学说。他还认为化合作用是在基本粒子之间发生的。他认为： 存在这样的粒子团，其中粒子并不是非常紧密地附着在一起，但这些粒子可以在另一种粒子中相遇，同其中一些微粒结合，比这些粒子彼此之间的结合更为紧密[5]。

波义耳用以批判当时的元素论的武器，就是他从实验中观察和推论出来的微粒学说。他注意到气体具有弹性，可以被压缩;液体蒸发和固体升华后，蒸气可弥漫整个空间;大块的盐溶解在水中以后可以透过滤布上的微细小孔。波义耳受到了这些自然现象的启发，提出了物质的微粒学说[6]。基本内容如下：

（1） 物体的基本组分只有一种，即“同质粒子”（particle），这与炼金术“万物同根生”思想相合;这些粒子由上帝制造，它们有大小、形状，并且上帝已经将它们置于运动之中（运动与活性只能来自上帝）。

（2） 最小的同质粒子逐级凝结成各级微粒（corpuscle， cluster）直至最大的微粒，最大的微粒组成物体。

（3） 最大的微粒的组成决定着物体的化学性质，它们在化学过程中保持稳定。

（4） 真正的炼金操作可以摧毁一切微粒的结构，还原出原始粒子，再播入各种物体“种子”，让原始粒子重新凝结，可实现任何嬗变。

在波义耳微粒哲学中，炼金术思想与机械论思想是合二为一的。这样一种构想具有鲜明的炼金术目的，但其解释过程却基本合乎机械论的要求[7]。

波义耳认为火是由火微粒构成的，并据此对燃烧和金属的煅烧进行实验研究和理论分析。在实验研究中，把天平应用到实验室的实验中，尽管不太精确（精度1～0.5哩，也就是60～30毫克）。他研究了称量的方法[8]。

1661年，波义耳在《怀疑的化学家》中指出： 火的微粒可以穿透玻璃器皿壁与瓶中的金属相结合而生成新物质。

1673年，波义耳用密闭的曲颈甑对金属煅烧的增重问题进行了定量的实验研究。他把铜、铁、锡、银等金属放在骨灰坩埚中，以烈火煅烧，发现： 480格令（grain， 1格令=64.8毫克）铜加重30～49格令;480格令锡加重60格令;240格令铁加重66格令;212格令银加重2格令。

为了避免炉火中的什么东西落进了敞口的坩埚中引起增重，波义耳又在密闭的曲颈甑中加热金属，结果仍然增重了。

波义耳最终将金属煅烧增重的原因解释为火微粒与金属结合，并于1674年发表题为“固定火焰并使之可称量的新实验”的论文，提出以下公式： 金属+火微粒=金属煅灰[9]。

事实上，16世纪的炼金家就已经注意到金属在敞口的坩埚中加热生成的烧渣（拉丁文calx）要比金属还重。通常的解释为： 某种“灵魂”从金属中跑掉;或者物质变得更加密集;或者从火中吸收进来某种酸;或者火具有重量，被金属吸收以后就形成烧渣[10]。相比之下，波义耳对金属煅烧现象的微粒说解释抛弃了炼金家的主观臆测，保留并发展了其“火具有重量”的观点。

从科学哲学的角度看，观察是受意识支配的。波义耳坚信火微粒的存在，且当时的化学界普遍认为气体不参加化学反应。这就导致波义耳能“观察到火微粒与金属反应”的现象却观察不到金属与空气的反应。

波义耳在严密的定量实验基础上推翻了过去的四元素说和三元素说，发展了古代原子论，提出了微粒学说。这是化学思想从元素观到微粒观的一次范式更替，是化学思想的一次革命性发展。然而，尽管三元素论与四元素论受到波义耳的批判，但二者能举出像硫磺、水等具体物质的名称，这是微粒学说所不及的，所以一直到波义耳以后仍为化学界广泛采用。例如，波义耳同时代的法国化学家勒梅里（Lemery， N.， 1645～1715）在三元素之外加了水和土，提出了五元素论[11]。

2 施塔尔的燃素说解释

乔治·恩斯特·施塔尔（Georg Ernst Stahl， 1660～1734）生于德国巴伐利亚州安斯巴赫（Ansbach），在耶那（ Jena）大学学医，后讲授化学，1687年成为萨克斯魏玛公爵的医生。1694年担任哈雷（Halle）新建的大学的医生和化学教授，但1716年他离职去做柏林的普鲁士王的御医，1734年卒于柏林。

施塔尔对燃烧的研究与波义耳的研究有一定的渊源关系，因为他的老师贝歇尔（JohannJoachim Becher， 1635～1682）曾与波义耳一起研究火，他自己的微粒观也与波义耳的微粒学说相似。

大约1645年，波义耳與一群对新科学感兴趣的人一起成立了名为无形学院（The invisible college）的实验小组，宗旨是研究新兴科学中的各种问题。无形学院为随后的皇家学会（Royal Society）的成立（1660年）奠定了基础。波义耳被一致选举为学会委员会委员，并于1680年被聘为会长。波义耳拥有条件良好的实验室。曾先后担任过皇家学会秘书长的亨利·奥尔登伯格（Henry Oldenberg， 1619～1677）和罗伯特·胡克（Robert Hooke， 1635～1703）都是他的助手。值得注意的是，当时在波义耳实验室里工作的还有德国青年化学家约翰·贝歇尔。他们在一起研究燃烧现象。波义耳当时发现了焰色反应： 把不同的物质放在火焰上，火焰就会现出不同的颜色，例如铜的化合物能使火焰变绿。这一发现有助于辨认物质。贝歇尔对此很有兴趣，他进行了一系列实验以确定每一种元素特有的颜色。贝歇尔回到德国以后，于1667年出版了《土质物理学》（Physicae Subterrabeae）一书，发展了波义耳的学说[12]。

关于物质的构成，贝歇尓在书中提出“空气、水和土质”是初始元素。土质分为三类： 一种叫石土（terra lapidea），存在于一切物体中，是玻璃状的，有固定性和可溶性，使物体具有一定的形状;一种叫汞土（terra mercurialis），是流动性的和挥发性的;第三种叫油土（terra pinguis），是可燃的，一切可燃的物体都含有油土。物体燃烧时，其中的油土便释放出来（被烧掉了），剩下的是汞土和石土。贝歇尓的说法像是帕拉塞尔苏斯“硫、汞、盐”三要素说的翻版。

1703年，贝歇尔的学生，哈雷大学教授施塔尓重印了贝歇尓的著述，并写了一篇很长的评注。随后，他在讲课及教科书《化学基础》（Fundamenta Chymia）（1723年）中传播并修正过贝歇尓的观点。他把贝歇尔的“油状土”改名为“燃素”（他写成希腊文фλογιστo？ν，意即“燃烧”或“易燃”），从而形成了一个解释燃烧现象甚至整个化学的完整、系统的燃素学说。施塔尓认为，燃素是“火质和火素而非火本身”，包含在所有可燃物中。物质燃烧时，它从燃烧的物体中快速逸出，与空气结合，从而发光发热，这就是火。

斯塔尔非常重视金属，他研究燃素比贝歇尔研究油状土更热心。按照燃素学说，能烧成烧渣的金属里面也含有燃素;一切化学变化，甚至物质的颜色、气味的改变都可以归结为物体释放燃素或吸收燃素的过程。金属的煅烧可用如下公式解释： 金属-燃素=金属煅灰。

例如，煅烧锌和铅，燃素逸出，生成了白色的锌灰和红色的铅灰;将锌灰和铅灰与木炭一起煅烧时，前者从木炭中吸收了燃素，金属便重生出来。

燃素学说很快得到许多化学家的支持和采纳。从18世纪初到该世纪末流行了近一个世纪，在化学史上被称为燃素说时期[13]。在这个时期，气体化学取得很大进展，先后发现了二氧化碳、氢气、氮气、氯气等。

斯塔尔承认原子的存在，但他认为原子不但具有机械性能，而且还有某些本来就有的特性。元素物质的微粒靠一种牛顿引力互相吸引，由此生成当时统称为“结合物”的各种化合物。这类简单结合物为数不多，黄金白银就是典型的例子，结合物能构成更复杂的化合物，化合物的微粒仍然小得无法看到，化合物又可构成聚集体，聚集体的微粒就要大得多了，完全可以用肉眼看到[14]。

施塔尔对金属煅烧的燃素说解释源于当时化学家的直觉： 金属煅烧时有某种易燃的元素逃逸了。虽然，与此同时冶金化学家发现了一个与上述现象相反的事实，即金属在加热时变成了较重的粉末——金属灰。但他们只埋首于实际工作，对这样的理论问题不感兴趣，也不研究[15]。

从科学哲学的角度看，化学反应中燃素的得失可解释为“有某种东西从一种物质转移到另一种物质中去”。其实，正是这种转移概念才使燃素说大有用处，才能用它来解释大量现象。因此它是化学领域中第一个把化学现象统一起来的伟大原理[16]。

然而，施塔尔对金属煅烧过程中的物质转移与波义耳的看法是完全不同的。波义耳认为是金属与外界的火微粒结合了，而施塔尔却认为是金属内部的燃素逸出了。因此，从波义耳的微粒学说到施塔尔的燃素学说的发展不是范式的演进，而是旧范式被新范式取代的过程，是化学思想的革命过程。

3 拉瓦锡的氧化说解释

安托万·洛郎·拉瓦锡（Antoine Laurent Lavoisie， 1743～1794）生于巴黎一个富有律师家庭。他在麦哲林学院（Collège Mazarin）受教育，学过化学、天文学、植物学、地质学等科学课程。在该校学习的都是贵族、大资产阶级代表人物和显赫的国家官员的子女。指导他学习化学的是化学家卢埃尓（GuillaumeFranois Rouelle， 1703～1770）。1768年，他成为科学院院士。1780年担任征税官，并因此于1794年被判叛国罪送上断头台。

拉瓦锡热爱化学研究，并对金属煅烧实验情有独钟。18世纪化学家在燃素学说指引下关于气体化学的研究成果使拉瓦锡认识到气体能够化合，又能通过化学反应从化合物中释放出来。这使拉瓦锡在化学思想上比波义耳前进了一大步。于是，他在开始工作的最初阶段已经认识到金属煅烧实验中，金属也和空气发生化合作用[17]。

1774年，拉瓦锡送给科学院一篇论文“关于在密闭容器内金属灰化的报告”。其中他描述在密封的曲颈甑中，煅烧锡和铅的实验。他发现重量没有变化，从而推翻了波义耳的关于可称量的火微粒的固定的学说。打开曲颈甑的口，就进来一些空气，于是重量稍有增加，他推想所增加的重量等于与金属化合的空气的重量[18]。

这些定量实验的事实让拉瓦锡开始怀疑燃素学说。1774年9月30日，瑞典化学家舍勒（Carl Wilhelm Scheele， 1742～1786）寄信给拉瓦锡，说明他制取了“火空气”（fire sir）;1774年10月，在与英国科学家普利斯特里（Joseph Pristley， 1733～1804）的会晤中，拉瓦锡得知用加热汞灰（HgO）能得到“失燃素空氣”（dephlogisticated air）。在这些启发下，拉瓦锡经过深入研究发现了氧气（principe oxygine），并提出了燃烧的氧化学说。所谓的“火空气”和“失燃素空气”都是氧气。

按照拉瓦锡的氧化学说，燃烧就是由可燃物体引起氧气的分解，形成这种气体的基的氧被燃烧物体吸收并与之化合，同时游离出热素和光。因此，每一种燃烧必定都意味着氧化;相反，并非每一种氧化必定都意味着伴随燃烧，因为严格地说来，所谓的燃烧没有热素和光的离析就不能发生[19]。

那么，拉瓦锡如何使用氧化学说解释金属煅烧现象呢？如果类比斯塔尔“金属失去燃素”的简单模式，氧化学说的解释就是“金属得到氧”。但拉瓦锡对此有深入的理论研究。由于那时还没有化学键理论，拉瓦锡只能借助当时流行的化学亲和力学说。此外，拉瓦锡当时仍然像他以前的化学家一样相信热是物质，热素是一种元素。现在看来这是他理论中的不足之处。

按照拉瓦锡在《化学基础论》（Traité élémentair de Chémie， 1789）中的说法，氧在一定程度上所具有的对加热了的金属的亲和力比对热素的亲和力强，由于这个缘故，除金、银、铂之外的所有金属，都具有通过吸收与热素化合了的氧气的基，而分解氧气的性质。这些操作中热的用处就是让金属粒子彼此分离，并削弱其内聚吸引或聚集吸引，或者换个说法削弱它们彼此的吸引。

金属物质的绝对重量与它们吸收的氧的量成比例地增加;同时，它们失去光泽，变成土状粉末物质。这种状态的金属必然不会被看成是完全被氧饱和了的，因为它们对这种元素的作用被它与热素之间的亲和力所抵消。因此，在金属锻烧时，氧受到两种独立和相反的力的作用，即它对热素的吸引力和金属所施的力，由于后一种力超过了前一种力，一般来说前一种力无足轻重，所以氧与后者结合。

关于金属煅烧产物的名称，老的化学家们使用金属灰渣（calx）这一表达方式。为了规范化学命名，拉瓦锡和戴莫威（Guyton de Morveau， 1737～1816）等法国化学家研究制定了《化学命名法》（Méthode de nomenclature chimique），于1787年在巴黎出版。书中建议： 每一种物质必须有一个固定名称。化合物的命名应尽可能反映出它的组成成分。今天在化学课本中使用的各种酸、碱、盐的名称，都是遵循拉瓦锡等人的命名法则的。据此，拉瓦锡用希腊语的词οζυs，即氧化物，这一术语来代替金属灰渣。

关于“金属氧化物都具有独特而持久的颜色”，拉瓦锡认为，这些颜色不仅因为金属种类而别，而且依同种金属的不同氧化度而异。因此，还必须给每个化合物增加两个性质形容词。一个表示被氧化的（oxydated）金属，而另一个则表示该氧化物的独特颜色。这样，我们就有黑色氧化铁、红色氧化铁以及黄色氧化铁;这些措词分别与玛尔斯黑剂、铁丹、铁锈或赭石这些老的无意义的术语相对应。同样，我们有灰色、黄色和红色氧化铅，它们与铅灰、黄丹（massicot）及红丹（minium）这些同样错误或无意义的术语相吻合[20]。

人们往往强调他没有发现过什么新化合物或新反应。他的杰出天才主要表现在他能看到旧理论的主要弱点，并能把有用的事实和更正确、更全面的新理论结合起来[21]。

总之，拉瓦锡的氧化学说与施塔尔的燃素学说对金属煅烧实验做出的解释和现代的解释完全相反。凡拉瓦锡认为与氧这种物质结合的反应，斯塔尔都认为是燃素这种物质被分离出来。不过，从科学哲学的角度看，在这两种解释中，有某种东西从一种物质转移到另一种物质中去的想法倒是完全一致的。拉瓦锡发现氧气、提出了符合实验事实的燃烧理论，由此终结了燃素理论，实现了化学史上重要的范式转换，促进了近代化学的发展。因此，这次范式转换成为化学史上重要的化学革命。

4 结语

通过上述以金属煅烧实验的理論解释为线索的考证分析可知，从波义耳的微粒学说到斯塔尔的燃素学说，再到拉瓦锡的氧化学说，这三种历史解释反映了前人对原子的认识由虚向实的发展过程。这三种范式的更替的历史不仅是元素（氢、氮、氧等）的发现史，也是化学思想的革命史。

波义耳怀疑旧的元素说，并利用实验科学的方法将之捣毁，建立了微粒学说。然而，由于受当时化学思想基础的限制，他没能认识到气体可参加化学反应，致使其在观察金属煅烧实验时没能注意空气的作用。斯塔尔在直觉指引下继承并发展了贝歇尔的观点，提出了统领化学领域近一个世纪的燃素学说，并促进了气体化学的发展。然而，他在研究方法上不能对金属煅烧增重的定量结果做出令人满意的解释。拉瓦锡基于当时气体化学的研究结果，在舍勒和普利斯特里等人的实验方法的启发下，深入研究，发现了氧气，弄清了空气的组成，推翻了波义耳和斯塔尔的假说，提出了氧化学说，推动了化学思想的革命，使化学步入近代科学领域。

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