化学有故事新番01 | 他开创了真正意义上的现代化学,却死于断头台

作者: 汪诘

来源: 科学有故事

发布日期: 2022-11-21 18:27:56

本文讲述了法国化学家拉瓦锡如何通过实验推翻传统的燃素学说,开创了现代化学,并最终因政治原因被送上断头台的历史故事。

进入20世纪后,大多数国家执行死刑都采用枪决,但法国是个例外,直到1981年法国废除死刑之前,这个国家处决犯人的唯一合法方式还是1791年法律通过的断头台,延续了近200年。断头台是一个4米多高的木头架子,顶端悬挂着一块重达40公斤的锋利铡刀,当铡刀从顶端落下,以7米/秒的速度与人脖子接触,可以轻易地将头颅在不到1秒的时间内整齐切下。

在我们今天看来,这种处决方式极其残忍,但令人惊讶的是,它的发明竟然是出于人道的考虑。仔细想想还真是,绞刑的犯人在临死前是极其痛苦的。而让刽子手大刀一挥砍头,有很大的概率一刀下去不成功。之所以被认为人道,是因为人们普遍相信,头颅一旦离开身体,会迅速失去知觉,不会感到痛苦。然而,18世纪末的法国,有一群人开始具备实证、理性的科学思想,他们中有相当多的人并不相信,人的头颅离开身体后会立即失去知觉。

1794年5月8日,在巴黎市中心广场上,高耸的断头台异常醒目,28名前政权的包税官被推到断头台前。51岁的安托万-洛朗·德·拉瓦锡(Antoine-Laurent de Lavoisier,1743-1794)是这28人中一员,面对断头台,他依然保持着法国贵族的风度和矜持。他既是包税官,也是全法国知名的化学家。

拉瓦锡知道自己的生命即将在几分钟后终结,但他依然希望能利用生命的最后几分钟解开一些自然之谜,他轻声对身旁的刽子手说:“在你拿起我的头颅示众时,盯着我的眼睛,数一数我的眼睛会眨几次,拜托了。”刽子手答应了拉瓦锡的请求。

拉瓦锡以一己之力开创了真正意义上的现代化学,被公认为现代化学之父。而我们这个化学有故事的系列,就要从拉瓦锡开始讲起。世间万物都是由什么构成的?这是一个极其古老而朴素的问题,因此,自从文明诞生以来,就有无数的先哲思考这个问题。古代中国人认为,时间万物无非金、木、水、火、土这五类。这五类不是指的具体实物,而是一种抽象的性质。

不管是四元素还是五元素,它们都暗含一个道理,物质是可以变化的。比如,铁和金,一个黑黝黝的,一个金灿灿的,但他们本质上都是一种元素,因此,把铁炼成金是有可能的。在这种思想的指导下,东西方都诞生了炼金术。而炼金术其实就是现代化学的前身。所谓化学,即物质的变化之学。

不过,如果指导思想本身是错的,那无论炼金术士们怎样努力,也注定不能成功。人类在错误学说的指导下,跌跌撞撞,缓慢前进了几千年,也未能找到物质变化的真正规律。而为人类推开现代化学之门的正是1743年出生在法国贵族家庭的拉瓦锡,打开这扇大门的动力,则来源于他对“燃素学说”的怀疑。

拉瓦锡才华四溢,25岁便成为法国科学院的院士。在他崭露头角的年代,正是燃素学说统治化学界的时代。在我看来,燃素学说之于化学,就好像托勒密的地心说之于天文学;以太学说之于物理学。虽然这些学说最终被证明是错误的,但是这些错误的学说与阴阳五行、四元素等古代学说的错误是完全不同的。它们之间最大的差别就在于可证伪性。

燃素学说很多很多人都听到过,对它最常见的描述是这样的:燃素是一种会燃烧的物质,那些能被点燃的物质中就含有燃素,不能被点燃的就不含燃素。实际上,这是一个普遍的误解,历史上的燃素学说并不是这样的。当时的燃素学说认为,所有物质中都存在一种非常微小的物质,这种微小的物质通常只有在离开所在宿主时才能被检测到,通常以火、热和光的形式存在,这就是燃素。

1773年,英国著名化学家普利斯特里(Joseph Priestley)发现了物质失去燃素还能助燃的怪现象。他是这么做的,首先,他把水银加热,得到一种红色粉末。今天我们知道,这种红色粉末是氧化汞。但是,当时的化学家们认为,这是水银失去燃素后的本来面目。普利斯特里把这些红色粉末放在一个托盘中,然后让托盘漂浮在水面上,再扣上一个高高的玻璃管。

接着,他把玻璃管中的空气慢慢抽去,在大气压的作用下,玻璃管里面的水会被吸起来高出水面,而漂浮在上面的托盘,也会慢慢升起。

1775年,拉瓦锡开始重做普利斯特里的实验。但拉瓦锡可不是简单地重复实验,他要做的是精确测量这个实验中的所有数据。与普利斯特里相比,拉瓦锡是一个超级有钱人,估计拉瓦锡的富有程度放到今天的话,差不多相当于有几千万流动资产的大富豪吧。他的这些财富主要来自于他包税官的职业收入,有了这些巨额收入,拉瓦锡能够用当时全世界最好的精密实验设备装备自己,也正是这些高级的实验装备成就了拉瓦锡的科学传奇。

最终,他得出的结论是,水银在第一次加热时,从空气中获得的质量恰好完全等于第二次实验中,红色粉末失去的质量,而且,玻璃罩内的水位下降高度和前一次试验的上升高度完全一致。这些数据表明了这样一个事实:在这个封闭环境内,物质的整体质量没变,只是空气中的一部分进入了水银,然后又被释放了出来。第二次实验释放出来的气体,性质与普利斯特里描述的完全一样,能够让蜡烛燃烧的更旺,让小白鼠变得更活泼。

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