作者:张宇宁 来源: 中国科学报 发布时间:2020-8-27
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独立与协同

 

张宇宁

最初,人们对于空气是一种物质从未怀疑过,但随着认识的不断深入,关于燃烧的一些实验结果让人们意识到空气可能是一种混合物。通过实验观察,科学家进一步发现,并不是所有的空气都会参与燃烧反应,只有一小部分空气会参与反应。在18世纪70年代,这些实验现象最终导致了氧气的发现以及后续关于其性质的诸多探索。

一些科学探索和重大发现有时是由同时代、不同科学家各自独立进行并完成的。如氧气便是分别被舍勒、普里斯特利、拉瓦锡在18世纪70年代先后独立发现的。

值得一提的是,在氧气的研究过程中,集气槽为科学家在实验室中开展气体研究提供了极大的便利。

在此,有必要稍稍回顾一下气体收集技术的研究历史。气体收集装置方面的技术问题,即如何有效地将气体收集起来并进行存储一直是个难题。真正的突破直到英国科学家史蒂芬·黑尔斯(1677~1761)时才出现,其所著的《植物静力学》一书中详细地介绍了一种将物质加热并收集该过程中放出气体的方法,即集气槽气体收集装置。这是世界上第一个在实验室中便可以简便地进行气体收集的有效装置。因其原理简单、操作容易,集气槽气体收集方法被后续诸多知名的科学家采用,并为他们独立地开展研究提供了可能。

1772年,舍勒通过观察部分化学物质在空气中因吸收氧气而发生的变化以及白磷等的燃烧,发现了空气中约有五分之一的气体是可以参与上述化学反应的,并将其命名为“火气”,意即有助于燃烧之意。这便是对氧气性质的早期发现和理解。

遗憾的是,舍勒的上述重要工作因为出版商的耽搁,直至1777年专著《论空气和火的化学》才正式出版。舍勒一生中做了大量的实验,但发表的论文与他做过的工作相比,只占很少的一部分。他基本上都是凭着个人对于化学的强烈兴趣而废寝忘食地开展研究工作。

1774年,普里斯特利加热氧化汞得到了一种新气体。经过测试,普里斯特利发现这种气体不仅可以使得蜡烛更为猛烈地燃烧,并且他本人吸入之后感觉极为舒服。他还让小老鼠也吸入了这种气体,发现其寿命比在空气中有所延长。

另外,普里斯特利还发现空气燃烧后剩余的气体也是一种当时人们尚不知道的新气体,他把这种新气体称之为“脱燃素空气”(即氮气)。后来,拉瓦锡称其为“硝”,再后来被学者们称为“氮”,沿用至今。

1774年,在密闭的容器中加热锡和铅两种金属时,拉瓦锡发现在此过程中空气失去了一定的重量。据此,拉瓦锡断定空气中的一部分(即氧气)参与了化学反应。

后续,拉瓦锡依据这些实验结果将空气分为“最易于呼吸的空气”(氧气)和其余剩下的部分(氮气)两个部分。1779年,拉瓦锡正式提出了“氧”这个词语。这些都为拉瓦锡氧化理论等新化学学说的提出提供了实验基础。

三位学者均是独立地从不同侧面和方法研究氧的性质,最终极大地促进了对于氧及空气的理解,从而推动了科学的进步。

协同是科学家的重要品质之一。具有重要价值的科学研究则更需要多个甚至大量科学家进行协同攻关。在氧气的发现过程中,舍勒、普里斯特利、拉瓦锡三位科学家均独立地取得了成功,而他们之间的通信则是科学史上的一段佳话。

最早发现氧气的是舍勒。他的贡献之所以后续得到史学界的认可,其核心的证据来自于舍勒与拉瓦锡的通信。虽然在1777年出版的专著中,舍勒已经对氧气进行了描述,但这个时间显然在普里斯特利之后,当然不能算作是首创性的证据。

舍勒曾经提到过他给拉瓦锡写过一封信,详细阐述了氧气的性质。1993年,这封信终于被找到,方才确定了舍勒在1772年发现了氧气,从而确立了其优先权。试想,如果没有这次舍勒与拉瓦锡之间的通信交流及学术成果的分享,舍勒必然失去了氧气发现的优先权。看来,恰当的学术交流是非常必要的。不过其结果是舍勒始料未及的。

通过学术交流,普里斯特利关于氮气的发现加深了拉瓦锡对空气的认识。1774年,拉瓦锡通过金属氧化的实验已经证明了部分空气的确参与了氧化过程,但那时候拉瓦锡甚至还不知道空气是混合物。

这个认知水平与当时的普里斯特利和舍勒有些距离。

但是,在访问巴黎期间,普里斯特利将他的一些重要的发现,包括氮气等,告知了拉瓦锡。这些新概念极大地促进了拉瓦锡对于化学反应的认识和研究,并为后续他提出氧化理论以及新的化学命名体系提供了重要的线索和证据。

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《中国科学报》 (2020-08-27 第8版 博客)
 
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