200年前,拉瓦锡的《论化学元素》一书在巴黎出版,这是一部可与牛顿的《自然哲学的教学原理》一书相并列的划时代的科学著作。

“化学是一门法国的科学,是永垂不朽的拉瓦锡创立的”。尽管许多人不同意法国化学家查理 · 阿道夫伍尔茨对化学的这种沙文主义的夸张的形容,但无人反对他对安东 · 劳仑特 · 拉瓦锡是现代化学的奠基人的论定。拉瓦锡本人知道自己的研究所具有的革命性质。1773年2月20日,他在一本记录新研究工作的笔记本即著名的《实验室记录》一书的第一册的开头就宣称:“在手一长串实验之前,我打算制取大量物质燃烧时被吸收的气体,以及通过发酵、蒸馏或通过一切河能的化合作用而从物质中放出的那种弹性流质。为实现我本人所必须贯彻的计划,我确信应当在这里将我的一些感想写出来,……。这项重要任务迫使我重做了所有我认为能给化学和物理学带来变革的实验。”

拉瓦锡的革命性学说的传播有赖于他的名著《论化学元素》一书,这部书出版于二百年前,象征着他毕生事业的顶点。在拉瓦锡开始化学研究的时候,亚里士多德的四元素说仍被广为接受。按照这一学说,一切物质都是由四种元素按不同的比例所组成的,这四种元素是水、火、土、气,改变比例,物质便可互相转化。罗伯特 · 波义耳在其1661年的著作《怀疑的化学家》中批判了四元素说和由阿拉伯人与帕拉塞尔苏斯所提倡的三原素(汞、硫和盐)说。波义耳提出了一种元素是一种京能进一步再分解的物质的观点,但这一观点未被广泛接受。

17世纪末和18世纪初,格奥格 · 恩斯特 · 斯塔耳首先对化学进行了系统地整理,他从他的老师约翰 · 乔奇姆 · 贝歇尔那里发展了燃素说,他曾提出关于可燃性元素的“多脂的地球”概念。与四元素说和三原素说不同,燃素说不仅解释了化学合成,还解释了化学的反应和过程,这个学说在《论化学元素》一书所包括的思想被接受之前一直占统治地位。所有可燃物都被认为含有一种假想的燃素原质,这个词源自亚里士多德关于火素的术语。在理论上,燃烧时燃素以火、火焰、有时是光的形式释放出来。同样的概念也适用于金属的焙烧(或锈蚀)过程:

燃素学说

金属-燃素=灰渣,

灰渣+燃素=金属;

拉瓦锡的学说

金属+氧=金属氧化物

(氧化)

金属氧化物-氧=金属。

(还原)

1772年11月1日,拉瓦锡将一件加印封的备忘录(盖印信函)存入科学院,其中描述了他关于燃烧问题的一些原始实验,这就朝着他的“化学革命”跨出了第一步。在备忘录中他写道:“燃烧硫和磷时并没有(因燃素的损失)减少重量,而是由于吸收了“大量空气”而增加了重量;反之,在用木炭从黄丹(PbO)中提取铅时,亦并未(因燃素的增加)而增大重量,而是由于损耗了“空气”减少了重量。”他未说明这类“空气”的确切性质是什么。仅在约瑟夫 · 普利斯特莱发现了“不带燃素的空气”(氧)之后,拉瓦锡才认识到在燃烧和焙烧时只用光了一部分普通空气,他判定普利斯特莱新近发现的那种“空气”就是被吸收的(“维持生命所不可缺少的”)那种空气,剩下的是“生命所不需要的”或“含复的”空气。拉瓦锡得出如下结论:空气是两种不同的“弹性流体”的混合物,一种是维持燃烧和呼吸(“对健康有益”)的部分另一种则相反(1774年(科学院报告)351 ~ 367页)。以后他又将这部分活泼的空气叫做“宝贵的可供呼吸的空气”,然后他证明“不变的空气”(CO2)是一种炭和这种空气的合成物。

拉瓦锡在一系列的论文中阐明了在磷酸(H3PO4)、硫酸(H2SO4)和亚硝酸(即现在的硝酸HNO3)中都含有“宝贵的可供呼吸的空气”,这种空气与非金属化合便形成了酸。因此,他根据“酸”和“发生”两词的希腊语说法将这种空气重新命名为“原酸”或“原氧”;这个名字甚至保持到1810年以后,直到汉弗莱 · 戴维爵士证明了是氢而不是氧才是酸的主要成分的时候。1782 ~ 1783年的冬季期间,拉瓦锡和数学家皮埃尔 · 西蒙 · 拉普拉斯共同发明了第一只冰量热计,他们用这只量热计测量了各种化学和生理反应所产生的热量,于是建立了热化学和生理化学学科。这项研究使他们断定呼吸作用是一种燃烧过程。拉瓦锡立即转而抨击燃素说,主张燃烧和焙烧过程是与氧的化合作用,而不是分解(失去燃素)作用。

1783年,英格兰人亨利 · 卡文迪什通过在普通空气中和在“无燃素空气”中燃烧“易燃气”(氢气)而得到了水,但他却假定水作为两“空气”的成分本来就存在着。拉瓦锡定量地重做了卡文迪什的实验,然后在1783年11月12日向科学院作了历史性的宣布:以前认为是四元素之一的水是一种“无燃素空气”和易燃的原水(principe inflammable aqueux)所合成的(《物理评论》1783年,23卷,第452—45页)。这项研究导致了,将酒精和一些别的有机化合物在氧中燃烧的种种实验,这意味着定量有机分析的开端。

拉瓦锡反燃素说的新的燃烧学说慢慢地得到拥护。1782年初,路易 · 伯纳德。盖顿 · 莫尔维、克劳德 · 路易 · 伯叟莱、安东 · 弗兰索瓦 · 福克雷等人和拉瓦锡合作以这种新化学为基础制定一个新命名系统,结果是1787年《化学命名法》一书问世。这部力作暂时记录了尚未能分解的55种物质作为元素。这一命名系统标志着与过去完全决裂,例如三氯化锑、焦油和氨水等物质都用与其化学成分相吻合的新名代替了旧俗名。经过一些调整,新名称便构成了现代命名法的基础。

根据《化学命名法》一书编写的《论化学元素》一书于1789年3月出版。这不是一本一般的参考书,也不是一本学术专著,而是一本总结了拉瓦锡及其同事的发现并提出了新化学的开山之作。在前言中,拉瓦锡:陈述了他如何治学的教育思想、新命名法和他对实验的信赖:

“我们务必只依靠事实,这是自然界提示于我们的,是不能弄错的。在所有情况下,我们都应使理论服从于实验的检验,决不能离开实验和观察这条天然的途径去寻求真理。”他拒绝了亚里士多德的四元素说和帕拉塞尔苏斯的三原素说,承认自己的元素表具有临时的性质,他将这些元素称为“简单物质”:

“我们不能肯定今天所认为的简单物质果真如此简单,我们只能说这种物质达到了化学分析的实际限制,而且在我们知识的身前状况下不能进一步再细分了。”

《论化学元素》一书的第一版发表了两册。按顺序记页而分为三卷。用拉瓦锡本人的话来说:

“第一卷:我很少应用的一些实验,但这些实验却是我亲手做过的,…。第二卷:中性盐命名的主要表格。我在这些表中仅补充了一般性的说明,目的是指出制取已知的各种酸的最简单方法。这一卷只包含我本人能命名的那些盆,而且只描述从不向作者的著作中引用的制取方法的极简要的结果,…。第三卷;详细说明与现代化学有关的一切工作,…,这一卷不可能参考任何别的著作。因此,本章所包含的主要内容不可能求助于别处,只能依靠我亲手所做的实验。”

拉瓦锡在该书第十三章(卷一)公布了一项到那时为止尚未发表过的定量实验,以最明确的方式陈述了化学反应中的物质不灭定律:

“在实验室工作中,或在自然界的种种反应中”没有创造什么物质,所以可作为一种原则而断客:在一切反应中,反应前后物质的量相等;这一原则在质和量两方面都是适用的,仅有变化和调整。做化学实验的全部技术,皆以此原则为基础,所以我们必须认为试验一种物质和通过分解提取这种物质时所依据的法则必定是真正等同或相等的。”

实际上,物质既不能创造也不能消灭的思想源于古希腊的原子论者,以后又被十八世纪的科学家所共同采用。但是拉瓦锡是将这种思想具体应用于化学反应的第一人。化学史家约翰 · 里迪克 · 帕廷顿也认为这是在化学方程式的含意上首次使用“等式”这个词的,用拉瓦锡的话说就是:

“酸葡萄汁=碳酸+酒精”。

具有讽刺意味的是拉瓦锡这时的数据中包含有相当大的误差,可是这些误差基本:上能互相抵消掉,从而得到近乎相等的结果。

最短的第二卷包含一份“简单物质表”,一份《化学命名法》的修订说明和第一份现代化学元素表。第三卷几乎占全书的一半;广泛涉及了各种技术和仪器。总之,《论化学元素》是一部真正的现代论著,用道格拉斯 · 麦凯的话说:“拉瓦锡对化学的贡献正如前一世纪牛顿的《原理》一书对力学的贡献”

[Nature,1989年4月27日]