《人類科學技術史-250》燃素假說

燃素假說
1.在原子學說的啟迪下

波義耳揭開了近代化學的序幕，是以對火的研究，即以對燃燒和焙燒的研究為基礎的，波義耳做過大量的物體燃燒實驗與金屬焙燒實驗，通過這些實驗，他初步認識到了燃燒與空氣的關系，認識到空氣是燃燒的必要條件，可是，他無法從理論上解釋燃燒現象，尤其使他不能理解的是，像木炭這樣一類物質在燃燒之后，其灰燼變輕了；而像錫、鉛、銅、鐵等金屬經過焙燒之后，其灰燼反而變重了。

17世紀初，法國哲學家伽桑狄(1592-1655年）對古希臘哲學的原子學說進行了系統的研究和廣泛的宣傳，特別是對亞歷山大時期的古希臘哲學家伊壁鳩魯(約公元前341-前270年）的原子學說進行了系統的研究和廣泛的宣傳。1649年，伽桑狄發表了《伊壁鳩魯的哲學體系》這一重要論著，這就使古希臘哲學中從德謨克利特到伊壁鳩魯的原子學說得以迅速復興。從德謨克利特到伊壁鳩魯的原子學說的理論核心，認為物質世界是由原子這種不可再分的最小的物質微粒組成的。由于原子學說的復興，原子學說中所包含的微粒思想和其他思想，在當時以及后來的整個近代科學發展時期，便成為孕育出近代各種科學理論的思想土壤。

正是在伽桑狄復興的古希臘哲學中的原子學說的啟迪之下，波義耳試圖把原子學說的微粒觀念與笛卡爾學說的空間要素結合起來，建立起一種以機械論自然觀為基礎的燃燒學說。

在原子學說的啟迪下，波義耳提出了一個試圖解釋燃燒和焙燒現象的"火粒說"，他認為，火是一種極精細的微粒構成的，火本身是一種"微粒的物質元素"，所以有些物質在燃燒時釋放出了這種物質微粒，而有些物質在燃燒時吸收了這種物質微粒。他先解釋汞經過焙燒后變成紅色氧化汞時，就曾認為，這可能"是一些穿透性的火的粒子"作用的結果。

可是，為什么同是因為火的作用，有的物質在燃燒后釋放出火的微粒，而有的物質在燃燒后卻吸進了火的微粒。對此，波義耳雖然力圖以他的"火粒說"進行理論解釋，但在進行這種理論解釋時始終表現出困惑不解，波義耳看到空氣是燃燒的必要條件，這是他的貢獻。可是，他只看到了火對物質的化學作用，而沒有看到空氣對物質的化學作用，這即是他的局限所在。他的那種建立在"火粒說"基礎上的燃燒理論，也就無法真正揭示燃燒與焙燒的化學奧秘。

波義耳并未建立起真正的燃燒理論，繼波義耳之后，繼續探索燃燒與焙燒奧秘的是波義耳的助手胡克。胡克在協助波義耳進行燃燒實驗時，就曾注意到：當木炭在密封的容器中被加以強熱時，它并不變成灰燼，而只是變黑；但是，如果放進空氣，木炭就立即燒掉，最后變成白色的灰燼。在有無空氣這兩種不同的條件下，木炭燃燒的結果是不同的。而這也正好說明，空氣在燃燒中起著必要條件的作用。胡克在與波義耳一起進行的燃燒和焙燒實驗的基礎上，提出過一個最初的燃燒學說，這個最初的燃燒學說載于他在1665年發表的《顯微術——用放大鏡觀察的微小物體的生理描述。附有關的觀察和研究》一書中，論及了他最初提及的燃燒學說。

后來，胡克進一步提出了一個當時沒有發表的包括十二個命題在內的燃燒學說，其中兩個最基本的命題是："①空氣是所有硫素物體的萬有溶劑；②進行溶解作用時產生大量的熱，我們稱之為火。"這樣，胡克就把燃燒過程看作燃燒物體被空氣溶解的過程；而燃燒物體所以能被空氣溶解，是因為燃燒物體中含有能被空氣溶解的"硫素"。于是，胡克就在波義耳的"火粒說"的基礎上，提出了他的"硫素說"。"硫素說"的基本特點，在于充分肯定空氣在燃燒中的作用，而其學說的理論核心，在于認為燃燒物體中含有可燃物質"硫素"，當"硫素"物體一旦接觸空氣，就立即發生他所說的溶解作用，而這種溶解放熱過程也就是燃燒過程。可見，胡克的燃燒學說也是在當時原子學說的影響下所產生的一種理論假說。

此后，胡克的燃燒學說為英國當時的另一個化學家約翰.梅尤(1641-1679年）所發展，1673年，梅尤在他自己進行的燃燒實驗與呼吸實驗的基礎上，寫成了他的主要著作《醫學哲學五論》，1674年，梅尤在牛津出版了這一著作。在此書中，他提出了燃燒學說，這是胡克燃燒學說的繼承和發展，他認為，可燃物體本身含有"硫素粒子"，而空氣中則含有"硝氣粒子"，燃燒就是可燃物體中的"硫素粒子"與空氣中的"硝氣粒子"相互碰撞的結果，這就是梅尤在胡克"燃素說"的基礎上提出的兩種粒子的。"碰撞說"。為了證實他的燃燒理論，他曾在1673年進行過這樣的實驗：將一個其中點著蠟燭的玻璃鐘罩置入水中，鐘罩內的蠟燭燃燒一會后即熄滅，隨蠟燭的熄滅，水亦隨之在鐘罩內上升，但總是只能上升到一定的高度。他認為，這是由于存在于鐘罩內的空氣中的"硝氣粒子"被燃掉了，由于"硝氣粒子"在空氣中所占據的空間是一定的，在蠟燭燃燒后所造成的真空也是一定的，所以水在鐘罩內上升的高度也是一定的。梅尤的這個實驗，實際上是對氧氣的最初發現，只不過是他本人當時并未認識到這是氧氣。所以他對這一實驗的解釋只比波義耳和胡克前進了一步：即認識到并不是所有的空氣都參加燃燒，而只是一部分空氣參加燃燒。這部分參加燃燒的空氣就是空氣本身所含有的"硝氣粒子"。

其實，在波義耳、胡克、梅尤等人之前，法國冶金學家雷伊(1583-1630年）就曾提出過類似的理論。1630年，他發表了一篇題為《關于焙燒錫和鉛重量增加原因的研究》的論文，在文中，他敘述了他的焙燒錫和鉛的實驗，他認為，錫和鉛經過焙燒之所以增加了重量，是因為"濃密的空氣""混進燒渣中"的緣故。他認為，空氣中的某種濃密成分混進金屬燒渣并不是兩種物質之間的化合，而是兩種物質微粒的一種機械混合，這種混合就同水的微粒與沙的微粒的混合一樣。水粒混入沙粒后使沙粒變重，空氣混進金屬燒渣后也使金屬燒渣變重。

以上事實說明，在燃燒說尚未正式登上近代化學的歷史舞臺之前，在17世紀初期逐漸復興的原子學說的影響下，近代化學的早期理論中已逐漸形成了一種機械自然觀，它在當時的最典型的理論特征，一是把一切物質實體的最小單位看作是類似于原子的物質微粒；二是把一切物質實體的相互作用看作是微粒之間的力學作用。從雷伊、波義耳、胡克到梅尤，他們所提出的關于燃燒的種種理論，差不多都是這種機械自然觀在燃燒理論上的反映。

2.燃素假說的興起

梅尤之后，英國化學出現了停滯不前的局面，而在帶有濃厚的煉丹術與煉金術色彩的德國醫學化學卻振興起來，正是在這種背景下，以貝歇爾和斯塔爾為代表的醫藥化學家提出了解釋燃燒和焙燒現象的燃素假說。而早期的近代化學也因此進入了以燃素假說為基本標志的發展時期，即一般化學史家通稱的"燃素時期"。

最先提出燃素假說的是德國美因茨大學的醫學教授貝歇爾(1635-1682年），1669年，他發表了他的主要著作《地下的自然哲學》，提出了最初的燃素假說。他從煉金術關于物質構成的硫、汞、鹽三要素的觀念出發，認為一般固體物質的構成元素是三種土質：油土、汞土和石土。其中油土是存在于一切可燃性物體中的油質性的土，相當于煉金術士所說的硫元素；汞土是一種可變化的流質性的土，相當于煉金術士所說的汞元素；石土則是一切物體中一種固定的硬質性的土，相當于煉金術士所說的鹽元素。在提出三種土質理論的基礎上，貝歇爾對燃燒進行了解釋，他認為，在一切可燃物體中都含有油土，油土作為一種油性的和硫質的元素，在可燃物體燃燒時，便從可燃物體中釋放出來。所謂燃燒，實質上是可燃物體釋放油土的過程。這是貝歇爾提出的最初的燃素說。

后來，德國的另一個醫藥化學家斯塔爾(1660-1734年）在貝歇爾的油土說的基礎上，以燃素概念代替了貝歇爾的油土概念，并對貝歇爾的油土論作了一些發揮，這樣就正式形成了解釋燃燒現象的燃素假說。

1697年，斯塔爾進行了一些硫磺與硫酸的實驗，他推測，硫磺燃燒時，即生成硫酸；反過來，如果把硫磺燃燒時隨火焰一道逸去的東西重新加入硫酸，那么這兩者重新加在一起就會生成硫磺。因此，他認為，在硫磺燃燒時隨火焰逸出的那部分物質，實質上就是硫磺中所含有的可燃性的物質。他把這種可燃性的物素稱為"燃素"，意即火的原素。

在進行上述實驗研究的同時，斯塔爾研究了《地下的自然哲學》等醫學化學著作，1703年，他重印了《地下的自然哲學》一書，并在貝歇爾闡述的油土論的地方加上了一個很長的評注，他指出，貝歇爾所說的油土，實際上就是存在于一切可燃物體中的燃素。后來，他在《化學基礎》一書中進一步闡述了他的燃素說。并在他的教學中長期講授他的燃素說，這樣，燃素假說這樣一個關于燃燒學說的新理論便廣泛傳播開來。

斯塔爾的燃素說認為，燃素是一種火質和火素，但并非火的本身，而是一種呈細微粒子狀的火的原質或元素；燃素廣泛地存在于一切可燃物體之中，也存在于金屬之中；燃素有時是油質的，有時是火質的，有時是土質的，但無論分別存在于植物體、動物體和礦物體的燃素的性狀怎樣不同，它們在本質上都是一樣的。他們的本質屬性是它們的可燃性；物體的燃燒過程實質上是燃素的逸出過程，燃素本身具有從一種物體轉入另一種物體的特性。斯塔爾還認為，如果把金屬燒渣與含有燃素的物質一道加熱，就可以使金屬還原。

燃素說大體上能解釋一些燃燒現象，如油、脂、土、炭等在燃燒之后留下來的殘渣與灰燼確實比原來的物體要輕得多，而這些現象很有些燃素說所解釋的那樣，這是因為這些物體在燃燒時，燃素隨著火焰一道釋放出來了。這樣，其殘渣與灰燼自然要比燃燒前輕得多。

由于燃素說表面上能解釋一些燃燒現象，所以他給當時的化學家們以一種理論上的幻覺：似乎燃素說確實是能夠正確解釋燃燒現象的燃燒學說。正因為如此，當時的不少化學家都成了燃素說的忠實信徒，而近代化學也因此進入了一個以燃素說為標志的新的歷史時期——燃素時期。