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致敬化学家
安托万-洛朗·德·拉瓦锡(Antoine-Laurent de Lavoisier,1743.08.26—1794.05.08)

1743年8月26日,安托万-洛朗·德·拉瓦锡出生在法国巴黎的一个律师家庭,5岁时母亲过世,他获得了一笔遗产,并由姑母将其抚养长大。1754年,11岁的拉瓦锡开始在马萨林学院学习。家人希望他成为一名律师,但是他本人却对自然科学更感兴趣。1761年他进入巴黎大学法学院学习,获得律师资格。1764年毕业后,拉瓦锡没有去做律师,而是去做了地质学家盖塔的助手。在接下来的三年里,他随盖德进行采集、考察法国矿产的工作,此外还绘制了第一份法国地图。在考察矿产过程中,他研究了生石膏与熟石膏之间的转变,同年参加法国科学院关于城市照明问题的征文活动获奖。1767年他和盖塔共同组织了对艾尔萨斯-洛林地区的矿产考察。在盖塔的建议下,拉瓦锡师从巴黎著名的化学家鲁艾尔教授,并从鲁艾尔那里接受了系统的化学教育和对燃素说的怀疑。从此,拉瓦锡便和化学结下不解之缘。

1768年,25岁的他成为了法兰西科学院院士,并加入法国由国王直接管辖的税务机关(Fermi)。当时的法律规定,如果税务官收的税除去交给国王的还有剩余,那么就由他自己支配,因此很多税务官不必工作也有大笔收入。这使得很多纳税人尤其是农民对税务官的印象极差。拉瓦锡本人也收入颇丰,他将大部分收入用于购买和制造仪器。他倡议盐税改革,修筑城墙以打击走私。甚至在自己的农场进行农业化学实验,希望可以通过提高产量来抵消高税收的影响。

1770年,一派学者坚持认为水长时间加热会生成土类物质(源于当时波义耳已经否定的四元素说)。为了找出这个问题的答案,拉瓦锡将蒸馏水密封加热了101天,并用天平测量了加热前后容器的质量以及加热中产生的总微量固体的质量,发现加热前后水的质量没有变化,从而驳斥了这一观点。1771年拉瓦锡与同事(这位同事同时还是金融家和议会律师)的女儿,玛丽-安娜·皮艾尔莱特结婚,玛丽从小就在修道院接受正规传统的教育,因此通晓多国语言、多才多艺。婚后,玛丽看着拉瓦锡每天乐此不疲的做实验,渐渐地,她也对科研事业产生了浓厚的兴趣,便开始下意识的接触和学习这方面的知识,并且为拉瓦锡翻译英文文献、绘制书籍插图、完整保存实验记录,协助丈夫进行科学研究。

1772年秋, 拉瓦锡开始研究硫、锡和铅在空气中燃烧的现象,并设计了钟罩实验,以此确定是否有空气参加了反应,观察到的实验现象与当时流行的“燃素说”支持者观察到的没有区别,但拉瓦锡提出了另一种观点来解释,他认为“物质的燃烧是可燃物与空气中某种物质结合的结果”,这一观点同时解释了“燃烧需要空气”、“金属燃烧后质量会变重”这两个问题。但是此时他仍然无法确定是哪一种组分与可燃物结合。1774年10月,普里斯特里访问巴黎,向拉瓦锡介绍了自己的实验:加热汞灰(氧化汞)生成可促使蜡烛燃烧更明亮、可帮助呼吸的一种气体(脱燃素气)。

1775年,拉瓦锡被派往巴黎的军火库实施国有化工作,他设计出新的硝石制备方法来提高黑火药的性能,法国枪械的火力也在他的努力下迅速提高。在空闲时间里,他建立了自己的实验室以继续进行燃烧方面的研究。拉瓦锡重复了普利斯特里介绍的实验,普利斯特里指出拉瓦锡所提到的这种气体就是他所发现的“脱燃素气”,并指出这种气体的反应效果比空气强很多。此后,拉瓦锡便确认了这便是他一直寻找的支持燃烧的空气成分。

1777年,拉瓦锡向巴黎科学院提交了《燃烧概论》,并在次年提交了《酸性概论》。在这两篇报告中,他正式阐释了燃烧作用的氧化学说。1779年,他将空气中支持燃烧的一部分命名为oxygen(希腊语:形成酸的),另一部分命名为azote(希腊语:无生命的)。拉瓦锡通过金属煅烧实验证明了化学反应中的质量守恒定律,彻底推翻了燃素说。在接下来的时间,拉瓦锡注意到普利斯特里关于“血液在氧气保持红色而在二氧化碳中变黑”现象的描述,他和拉普拉斯开始使用几内亚鼠进行实验,并对“几内亚鼠呼出的二氧化碳含量”、“几内亚鼠呼吸所释放的热量”、“燃烧可生成等量二氧化碳的木炭所释放的热量”这几项进行测量、模拟与比较,并初步得出“动物的呼吸作用是缓慢的氧化过程”的结论。

1783年,亨利·卡文迪什发现了可燃气体(氢气),并发现它可以与氧气反应生成水。卡文迪许的助手将这一成果告诉了拉瓦锡,拉瓦锡立刻进行了“将水蒸气通过热枪筒”的实验,随即发表文章,提出“水实质上是一种化合物”的观点,并用“氧化说”完美的解释了水的生成和分解。他还意识到之前的实验都忽略了测量呼出气体中的水分,所以他请了一个助手来进行人体实验,并希望着有朝一日可以探索出人类呼吸的本质。由于法国大革命的爆发,这个实验最终由助手独自完成,并初步证明了人类呼吸作用中有碳和氢的氧化过程。

1787年,拉瓦锡为了让不同语言背景的化学家能够彼此交流,他与贝托莱等人合作,设计了一套简洁的化学命名系统,并在《化学命名法》(Méthode de nomenclature chimique)中正式提出。我们沿用至今的化学命名体系就是由《化学命名法》中的很多原则和柏济力阿斯的符号系统这两大部分构成。接下来,拉瓦锡通过总结自己大量的定量试验,证实了质量守恒定律。事实上,在他之前很多自然哲学家与化学家都有过类似观点(如:1748年,俄罗斯化学家米哈伊尔·瓦西里耶维奇·罗蒙诺索夫进行了精确测定并提出这一观点,但由于莫斯科大学处于欧洲科学研究中心之外,所以观点未被注意到)。在这一年里,被政界推选为众议院议员的拉瓦锡感到自己的科研时间渐少,社会负担渐重,曾多次想退出社会活动,回到研究室做一个化学家,然而这个愿望一直未能实现。

1789年,拉瓦锡基于“氧化说”和“质量守恒定律”发表了《化学基础论》(Traité Élémentaire de Chimie),这本书里定义了元素的概念、总结了33种元素(其中一些实际上为化合物)和常见化合物,并在实验部分强调了定量分析的重要性。相较于充满繁复解释的燃素说和各种充满炼金术术语的作品,这本书成功将众多实验结果通过氧化说和质量守恒定律的理论系统进行了圆满、简洁而自然的解释。化学界很快产生了巨大的轰动,坚持燃素说的化学家们坚决抵制,而年轻的化学家们表示非常欢迎,该书也因此与波义耳著的《怀疑派的化学家》一样,一同被列入化学史上划时代的作品。到1795年左右,欧洲大陆已经基本全部接受拉瓦锡的理论。

1790年,法兰西科学院组织委员会负责制定新度量衡系统,人员有拉瓦锡、孔多塞、拉格朗日和蒙日等。1791年,拉瓦锡起草了报告,主张采取地球极点到赤道的距离的一千万分之一为标准(≈1m)建立米制系统。接着科学院指定拉瓦锡负责质量标准的制定。经过测定,拉瓦锡提出质量标准采用千克,定密度最大时的1dm3水的质量为1kg。这种系统尽管当时受到了很大阻力,但是今天已经被世界通用。

1780年,青年科学家马拉向法兰西科学院提交了一篇关于新燃烧理论(《火焰论》)的论文,希望可以加入学院,当时做为会长的拉瓦锡对该篇论文评价很低。1789年7月,法国大革命爆发,雅各布宾派掌权,已经成为雅各布宾派领导人的马拉首先叫喊要“埋葬这个人民公敌的伪学者!”,并写小册子抨击原来的税务官,其中指责拉瓦锡为了防止走私所修筑的城墙污染巴黎空气,向烟草上洒水增加重量,盘剥百姓。而实际上拉瓦锡是为了防止烟草干燥才要求洒水,并且在洒水之前要称重,所有交易以干重为标准。这部小册子的攻击使得民众对税务官的仇恨达到了顶峰。拉瓦锡很少参与波旁王朝的横征暴敛,但包税官的身份还是激起了激进群众的愤怒,在新的激进政府通令他们“清算帐目”予以交代之后,拉瓦锡和他的同僚们担心被没收财产而东躲西藏,矛盾被进一步激化。值得一提的是,拉瓦锡在大革命时期也为新政府做了大量有益的工作,如设计城市照明、制定农业改革方案、贡献火药制造和矿物探寻资料,并参加了新政府主张的“改革旧度量衡制,创造新的国际通用单位”工作,担任改革委员会委员,他进行了蒸馏水比重和铜、铂热膨胀系数的精确测定,确定了质量单位“克”和长度单位“米”。不久,度量衡调查会的6名研究员被开除了,其中也有拉瓦锡。

1793年11月28日包税组织的28名成员全部被捕入狱,拉瓦锡就是其中的一个。

1794年5月7日开庭审判,审判结果是将28名包税组织的成员全部处以死刑,并预定在24小时内执行。拉瓦锡的生命已经危在旦夕,人们尽力地挽救,请求赦免,但是遭到了革命法庭副长官考费那尔(J.B.Coffinhal)的拒绝,全部予以驳回。他宣称,“共和国不需要学者,而只需要为国家而采取的正义行动!”

第二天,1794年5月8日的早晨,在波拉斯·德·拉·勒沃西奥执行了28个人的死刑,拉瓦锡是第四个登上断头台的人(法国大革命结束后他被重新认定为无罪)。

拉瓦锡死后,法籍意大利数学家拉格朗日惋惜道:“他们只一瞬间就砍下了这颗头,但再过一百年也找不到像他那样杰出的脑袋了。”(Il ne leur a fallu qu'un moment pour faire tomber cette tête, et cent années, peut-être, ne suffiront pas pour en reproduire une semblable.)

幸运的是,拿破仑当政后非常注重科学的研究,尊重科学家,建立了巴黎综合理工学院,拉普拉斯、拉格朗日、克劳德·贝托莱等人都得到了很好的研究条件,法国的科学研究才并未停滞。

 

Caroline

2019.03.02


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