在古代,人們常常看到一些好像是憑空而生或是不翼而飛的現象,百思不得其解。一顆小不點的種子,會發芽,會成長。幼小的嫩芽會成長成為一顆顆撐天大樹,這些構成樹木的物質是從哪來呢?真的是無中生有嗎?木頭燃燒後,不見了;蠟燭燃燒後,也會無影無蹤,它們到哪去了呢?這些問題一直困擾着人類。
總而言之,在人們面前擺着這樣一個問題:物質能不能憑空産生?物質能不能消失?
化學家建立各種學說現在的化學史家都把1661年作為近代化學的開始年代,把波意耳視為近代化學的奠基人,波意耳對近代化學最大的貢獻之一,是将實驗和觀察作為化學的基礎,并把嚴密、科學的實驗方法引入化學。他說:“化學,為了完成其光榮而又莊嚴的使命,必須抛棄古代傳統的思辨方法,而要像物理學那樣,立足于嚴密的實驗基礎之上。”
化學之父波意耳
通過實驗,波意耳取得了許多無法磨滅的化學成就,然而,也正是因為實驗中的一個小小的疏忽,卻使他錯失了已經近在咫尺的發現質量守恒定律的機會。
“燃素”說
在300多年前,“燃燒是怎麼回事”這個現在看來極其平常的問題,在當時可還是一個難解的自然之謎。當時科學界解釋燃燒現象的正确理論是“燃素理論”。這一理論認為,一切可燃燒的物質中都含有“燃素”,燃燒時,它就揮發了。物質中含有的燃素越多,燃燒的就越好,例如木炭,幾乎是全由燃素組成,因為它在燃燒後隻剩下一點點灰燼。
“火素”說
年輕有為的波意耳當然也想把它弄個水落石出。為此,他做了一系列很有趣的實驗,其中之一是:将金屬放在密封容器中燃燒,得到金屬灰,然後他立即打開容器進行稱量。他在自己的論文中寫道:"我加熱以後,打開瓶口,這時外面的空氣發出了絲絲的響聲,沖進了容器。"結果他發現金屬灰的質量反而比原來的金屬增加了,于是波意耳得出結論:“燃素理論”顯然是錯誤的,因為如果存在“燃素”的話,它應該燃燒後揮發,那麼金屬燃燒後的重量就不可能比燃燒前更重!他認為,存在一種能夠由一個物體注入另一個物體的“火素”,燃燒時,“火素”進入金屬,所以金屬的重量增加,這就是著名的解釋燃燒現象的“火素”說。
波意耳實驗室
1756年,也就是80年後,俄國化學家羅蒙諾索夫在重做這個實驗時,注意到了波意耳在論文中提到的“絲絲聲響”,于是,試驗前,他先把金屬屑稱量好,放入專用的容器中,焊封住容器口,再把容器(聯通裡面的金屬屑)稱量過,然後進行了燃燒實驗。燃燒後,他又重新稱量了容器,發現總質量和燃燒前并沒有變化,,再打開容器,稱量所得到的金屬灰,結果與波意耳的一樣:金屬灰比原來的金屬重!再把金屬灰放回容器之中,重稱的結果卻令他大吃一驚:總重量比沒打開容器前增加了!
羅蒙諾索夫
顯然,這增加的重量就是在“絲絲的聲響”中進入容器的空氣的重量,羅蒙諾索夫進一步思索:如果沒有外面空氣的進入,而容器的重量又沒有發生變化,那麼,金屬灰增重多少,容器中的空氣也就減少多少。
羅蒙諾索夫紀念碑和莫斯科大學主樓
當時的化學家隻是定性地研究化學反應,卻很少定量的研究化學反應。之後,羅蒙諾索夫經過大量的實驗得出一個非常重要的規律,物質既不能無中生有的憑空産生,也不會無影無蹤的被永遠消失。1760年9月6日,在俄羅斯科學院的一次隆重的大會上,羅蒙諾索夫向全體院士和許多應邀出席大會的外國科學家宣讀了自己的論文《論物質的固體和液體》,在這篇論文裡,羅蒙諾索夫提出了物質不滅的概念,。然而由于“物質不滅定律”還缺乏豐富的實驗根據,特别是當時俄羅斯的科學還很落後,西歐對沙俄的科學成果很不重視,“物質不滅定律”并沒有得到廣泛的傳播。
18世紀的法國爆發了兩場革命,一場是政治大革命,一場是化學革命。這兩場大革命,拉瓦錫都卷入了其中,在政治大革命中,他被誣陷有叛國罪,丢了腦袋;但在化學革命中卻成了當之無愧的旗手,被譽為“近代化學之父”
拉瓦錫
拉瓦錫1743年生于巴黎,20歲時獲法學學士學位,并取得律師 開業證書後,轉向研究自然科學。23歲時當選為巴黎科學院院士;1768年,他被任命為征稅官;1775年,任皇家火藥局局長。火藥局裡有一座相當好的實驗室。拉瓦錫的大量研究工作都是在這個實驗室裡完成的。
拉瓦錫實驗室
拉瓦錫的第一篇化學論文是關于石膏成分的研究。他用硫酸和石灰合成了石膏。石膏受熱時,放出了水蒸氣,拉瓦錫用天平仔細測量了不同溫度下石膏失去水蒸氣的質量。從此,就出現了“結晶水”這個名詞了。這次成功使拉瓦錫開始經常使用天平。他将“精确的定量概念”引入實驗,從實驗的角度驗證并總結了質量守恒定律,參加化學反應的各物質的質量總和等于反應後生成的各物質的質量總和。終于,質量守恒定律獲得了科學界的公認。
令人痛惜的是,法國大革命爆發後,拉瓦錫由于曾經擔任過舊王朝的征稅官而入獄,極左派人士馬拉曾與拉瓦錫有過激烈的科學争論,心存嫉恨,更誣陷拉瓦錫與法國的敵人有來往,犯有叛國罪,與1794年把他送上了斷頭台。對此,當時科學界的很多人感到非常惋惜。
著名的數學家拉格朗日痛心地說:“他們可以一瞬間把他的頭割下,而他那樣的頭腦一百年也許都長不出來一個。”
拉瓦錫被送上斷頭台
從此質量守恒定律作為一個基本定律影響着世人。
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