8月26日—開創現代化學的人

長久以來,所謂化學只是罩著神秘與魔幻外衣的煉金術,即使有牛頓這麼偉大的人沉浸其中,也未能如他在物理所展現的奇蹟那般,將煉金術轉化為明確清楚的科學。直到十八世紀,「現代化學之父」拉瓦節(Antoine Lavoisier)才撥開重重迷霧,導入正確的觀念,開啟研究化學的科學方法。

稅農與科學家

拉瓦節於1743年8月26日出生在巴黎一個富裕家庭,父親是位律師,母親在他五歲時就過世,留給他大批財富。他中學時對自然科學極感興趣,但還是順從父親的期望念法學院,畢業之後也按父意考取律師資格。然而拉瓦節卻從未執業,彷彿該盡的義務至此已告一段落,從此全心展開科學研究。

拉瓦節興趣廣泛,研究範圍包括礦物、路燈,乃至飲水系統,25歲就獲選為法國科學院院士。當時做科學研究並沒有薪水可以拿,只能自掏腰包或找人贊助,拉瓦節雖然繼承了不少財富,暫時無後顧之憂,但這麼下去總有一天會坐吃山空。

26歲時,拉瓦節得知有家專替國王統包關稅、貨物稅的公司,也就是先付給王室預估的稅收,之後徵收到的稅款便都是公司的收入。拉瓦節發現這中間往往有鉅額價差,立刻花錢購買這家「稅農」公司的部分股份。他還協助在巴黎周圍建造城牆,以確保進出的貨物都能徵收到稅,並設計出檢查菸草是否摻假的方法。

拉瓦節以為每年可從稅農公司坐領豐厚的股利,讓他得以全心投入科學研究,還能添購儀器,擴充實驗室,孰這個如意算盤將來反而為他帶來殺身之禍。

四元素說

拉瓦節進入法國科學院後,赫然發現明明一百年前波以耳已經透過各種實驗駁斥四元素說(指萬物由土、氣、水、火組成,不同物質只是這四種元素的轉換),但四元素說至今竟仍陰魂不散,許多院士都還深信不疑。讓他們相信四元素說的一項證據,便是密封的蒸餾水經過長時間加熱後,的確會憑空出現白色沉澱物。

拉瓦節決定親自重做這項實驗,但和前人不同的是,他在實驗前與實驗後,都仔細測量蒸餾水與玻璃容器的重量,結果發現蒸餾水的重量沒變,而沉澱物的重量恰好等於玻璃容器減少的重量。這證明了沉澱物並非由水轉變而來,而是來自於玻璃容器。

比起波以耳的定性實驗,拉瓦節藉由精確的定量實驗更有力地駁斥了四元素說。接著他繼續秉持這個原則,要挑戰主宰當時普遍相信的「燃素說」。

燃素說

燃素說認為有些物質可以燃燒,有些卻不行,是取決於該物質是否含有燃素;而物質燃燒之後重量變輕,就是因為釋放出燃素所致。

燃素說並無法解釋為什麼有些金屬燃燒之後,重量不減反增,於是拉瓦節決定解開燃燒之謎。1772年,他先用磷和硫進行實驗,讓它們在密閉容器中燃燒。結果燃燒後總重量不變。接著他將容器穿一個小孔,只聽見咻咻的空氣聲,再稱重之後,發現總重量增加了,而這恰好等於磷和硫增加的重量。

拉瓦節推測是燃燒時,容器內一部份的空氣和磷、硫結合,而當容器穿孔後,外部空氣便流入填補。他隨後改用錫、鉛做實驗,再度確認了燃燒後增加的重量是來自於空氣。

不過他當時還沒想過空氣具有不同成分。直到1775年,始終堅持燃素說的普利斯特里(Joseph Priestley)宣稱他發現空氣中含有一種「脫燃素氣體」,拉瓦節進一步實驗後,才確認這就是真正參與燃燒的氣體。他於1777年發表論文,指出空氣中有五分之一是氧氣,就是它與燃燒的物質結合,而空氣其餘五分之四則是氮氣,不會參與燃燒反應。

拉瓦節進行空氣實驗的版畫。圖片來源:Wikipedia

現代化學

除了解開燃燒之謎,拉瓦節也從精確的定量實驗中,確認了在密閉環境下,無論任何化學反應都不會改變整體的重量。物質不會無中生有,也不會憑空消失,只是由一種形式轉化為另一種形式。這條質量守恆定律為化學實驗立下一條明確的科學準則,也戳破煉金術中不切實際的幻想。

拉瓦節並在1787年與有志一同的朋友共同發表《化學命名法》,給予化合物一個命名規範,好讓來自不同國家的化學家都能彼此交流,使得化學這門學科得以更快速地的發展。

1789年,拉瓦節出版史上第一本系統化的化學教科書《化學要論》,對常見的化學物質進行分類,並首度總結出33種元素(雖然有些後來證明是化合物)。波以耳在百年之前所提概念性的元素,才由拉瓦節進一步化為堅實的理論。

拉瓦節實驗室的複製品。筆者2025年3月攝於巴黎工藝博物館。

拉瓦節逐步將化學建立成有系統的知識體系,然而他身處的社會環境卻一夕風雲變色。

法國大革命

法國大革命於1789年爆發後,國民議會要求法國科學院重新制定通用的度量衡。拉瓦節銜命於1791年起草公制的制定,此一重責大任讓他不再擔心政局動盪,以為自己在新的共和時代中仍會繼續科學研究。不料革命運動逐漸失控變成暴民政治,拉瓦節於1793年被起底出曾在前朝擔任稅務官,立刻遭到逮捕拘禁。

1794年5月8日,拉瓦節和其他二十幾名前帝制時期的稅務官被推上斷頭台,台下圍觀的民眾大概不知道,或者知道也毫不在意,其中有一位為化學立下不世之功的科學家。於是,吹散煉金術迷霧、為現代化學奠定基礎的拉瓦節,就這樣身首異處。

第二天,大數學家暨天文學家拉格朗日(Joseph Lagrange)聽聞拉瓦節的死訊後,不禁感嘆道:「砍下這顆頭顱只需一瞬間,可是即使再過一百年,只怕再也找不到這樣的頭腦。」

的確,雖然一年半後拉瓦節獲得平反,但人類蒙受的重大科學損失已無法挽回了。

按:原文刊登於2021年8月號《工業材料》雜誌,此處再略做修改。

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