更新时间：作者：小小条
燃烧，氧气，质量守恒。 这三个是初中化学非常重要的概念。它们的关系就像铁三角一样稳固，相互依存。而且历史上，人们对它们仨的认识也是几乎同步的。并且都和一个人有关，他就是拉瓦锡。拉瓦锡 “现代化学之父” 的头衔，与其“发现氧气”，“探明燃烧本质”和“确立质量守恒定律”有着密不可分的关系。
虽然它们关系密切，如果大家仔细翻看教材就会发现，但他们在初中教材中却出现在三个不同的章节。我们今天重新组织一下内容，串讲一下这三个概念背后的历史故事：
很久以前，古希腊哲学家认为：宇宙万物都是由四种基本元素组成的：土、水、气，还有火。这个非常类似中国的五行学说。他们认为四种元素按照不同比例，可以组成世间万物。基于这个“四元素理论”，古代炼金术士认为：既然万物都是由这四种元素按不同比例混合的，那么如果我们能改变这个比例，把一种物质里的土拿掉一点，火加进去一点，是不是就能把铅变成金子？
中世纪，阿拉伯的炼金术士们又在这个基础上丰富了内容。他们认为固体里有两种特殊的“要素”：一种是金属要素，命名为“汞”；另一种是可燃要素，称作“硫”。
17世纪末（1660-1690）伟大的科学家牛顿，开启了他的炼金术研究，这个时期他也在研究光学和力学。牛顿相信炼金术士已经掌握了关于物质活性的基本原理和知识，这些原理能解释物质的嬗变、结合和常见的生命活动。牛顿融合了古希腊，阿拉伯，古埃及的炼金术思想，并进行发展。他推测：“气（空气）中有某种维持火焰的粒子”。
牛顿走遍欧洲，寻找点石成金的配方，试图制造黄金，但最终没有成功。失败的根本原因是，炼金术的基础理论是错误的。
那时候人们还没有正确的认识"火的本质"和“气的本质”。火并不是元素，火或者说燃烧其实只是化学反应的一个现象。同时空气也不是简单的纯净物。虽然牛顿关于火和气的理论是错误的，但是牛顿的这个观点，影响了之后关于空气和燃烧的研究。
1700年，一位名叫施塔尔的德国医生，给化学界扔下了一颗重磅炸弹。他可能受到了炼金术里边“硫”要素的启发，并结合了牛顿的关于“火焰微粒”的思想， 施塔尔提出了一个全新的燃烧理论。施塔尔将那种让物体燃烧的“要素”命名为“燃素”（Phlogiston）。这个词源于希腊语，意思就是“使……燃烧”。
施塔尔的理论是这样的：
一切可燃的物体里，都蕴含着“燃素”。燃烧，就是燃素逃逸的过程。
木头为什么能烧？因为它富含燃素。燃烧的时候，燃素跑到了空气里，剩下的灰烬就是失去了燃素的木头，所以它再也烧不起来了。
这个理论最精妙的地方在于，它不仅解释了燃烧，还解释了金属的生锈。施塔尔认为，金属生锈其实就是“缓慢的燃烧”。铁富含燃素，当它生锈时，是慢慢地释放燃素。等到燃素放光了，铁就变成了铁锈（当时叫金属灰）。木头燃烧是燃素快速跑掉，所以你能看见火焰；而铁生锈是燃素慢慢溜走，所以你看不到火焰。生锈是缓慢的燃烧，燃烧是快速的生锈 。
这听起来是不是很有道理了？燃素说似乎也完美解释了冶金过程。几千年来，人们知道把金属矿石和木炭放在一起加热，就能得到金属。为什么？燃素说是这样解释的：
矿石是“失去燃素的金属”，木炭是“富含燃素的燃料”。把它们放在一起加热，燃素就从木炭转移到了矿石里。矿石得到了燃素，成为了金属；木炭失去了燃素，成为了灰烬。
这个理论今天听起来比较荒谬，但在当时，确实非常前沿、先进的，或者说人们认为它非常完美。
它能解释更多的现象（有火焰的燃烧，没有火焰的金属腐蚀，还有重要的冶金工业）它能包容旧的理论（完美兼容炼金术的旧有理论）它可以支持实验的定量测量（反应前后重量的测定，可以计算燃素的含量，预测反应进度）。但是，它的第三个优点，给它带来了不小的麻烦，问题在于“重量”。
如果木材燃烧和铁生锈都是失去燃素，那么为什么木头燃烧后，灰烬比木头轻。但铁生锈后变成更重的铁锈？
当时的化学家为了维护燃素说，强行打补丁。他们说：燃素这东西很神奇，它不是被地球引力往下拉，而是有一种浮力，是往上推。所以物体里有了燃素，就会变轻；失去了燃素，推力消失，就变重了 。但是又和木材的燃烧相矛盾。
虽然燃素理论中，重量是一个说不清楚的问题！但是化学家还是勉强的接受了它。因为当时化学还是一个新学科，还没有完全摆脱炼金术的陈旧思维方式。化学家也没有其他更好的理论可以使用。况且当时的化学家们并不怎么在乎“重量”，更多的是关注颜色的变化、气体的冒出、沉淀的生成，至于反应前后重了多少、轻了多少，经常是被人们忽视。
直到18世纪70年代，一群专注于研究“气体”的科学家出现，它们开始用燃素来解释空气的研究。
在1772年，苏格兰的卢瑟福（Daniel Rutherford）做了一个实验。他把一只老鼠放在密闭容器里，老鼠死后，他在里面点蜡烛，蜡烛也熄灭了。卢瑟福用燃素说解释：空气能容纳的燃素是有限的。老鼠呼吸和蜡烛燃烧都释放了燃素，当空气里的燃素饱和，火就灭了，老鼠也憋死了。
1774年，普利斯特里做了一个实验。他把汞加热，得到一种红色的粉末。然后，他用放大镜聚集阳光，剧烈加热这些红色粉末。奇妙的现象出现了：粉末分解了，重新变回了液态的汞，同时释放出一种神秘的气体。这种气体有什么特性呢？普利斯特里把一支带火星的木条伸进去，木条立刻剧烈燃烧，光芒耀眼！他把老鼠放进去，老鼠活蹦乱跳，比在普通空气里还精神。他自己吸了几口，感觉神清气爽。
普利斯特里是燃素说的坚定支持者。于是，他这样解释到：可以把空气想象成一个仓库，燃烧就是燃素从可燃物转移到空气里的过程。这种气体（氧气）之所以能疯狂地助燃，疯狂的吸纳燃素，一定因为它自己一点燃素都没有！它就像一块干燥的海绵，极其渴望吸收水（燃素）。所以，他给这种气体起了一个非常拗口的名字——“脱燃素空气” 。燃烧一段时间后会失效（比如蜡烛熄灭），是因为它已经“装满”了燃素，达到了饱和，无法再吸收更多。所以，普通空气是“含有一些燃素的空气”。
这个解释和卢瑟福的解释基本一致。至此，当时的化学界认为：
普通空气 = 有一点燃素。空气是燃素的溶剂，其助燃能力取决于其“饱和度”氧气 = 没有任何燃素，对燃素有极强的“渴望”，叫“脱燃素空气”。此时虽然人们对燃烧和空气的认识还是错误的，但是人们已经开始意识到了空气不是纯净物，它有一定的组成程分，而且这个成分和燃烧有关。
1774年，普利斯特里访问巴黎，他兴奋地告诉拉瓦锡他发现的那种“脱燃素空气”。拉瓦锡听完，敏锐地感觉到，问题可能没这么简单，这可能就是解开燃烧之谜，破解燃素学说重量问题的钥匙。
1775年，拉瓦锡改变了实验策略。这一次他选择用天平开展精准的定量研究。他把锡放在密闭容器里加热。锡变成了白色的粉末（锡灰）。他称了一下整个容器的重量。重量没变！ 这意味着，反应过程中没有神奇的“燃素”穿过玻璃跑出去，也没有穿进来。物质是守恒的。然后，拉瓦锡打开了容器的密封口。“嘶——”空气猛地冲了进去。这时候再称重，重量增加了！同时取出锡灰，测量重量。拉瓦锡发现空气进入容器增加的重量，恰好等于锡变成锡灰后增加的重量 。拉瓦锡终于明白了：
燃烧不是失去了燃素，而是结合了空气中的某种东西。锡灰比锡重，是因为锡抓住了空气里的那种东西。密闭容器里空气冲进去，是因为那部分东西被锡消耗掉了，形成了真空 。那个被锡抓走的东西，就是普利斯特里所说的“脱燃素空气”。拉瓦锡意识到，这根本不是什么“脱掉了燃素”的空气，这是一种全新的元素！他给这种元素起名叫做 Oxygen（氧），希腊语意为“产生酸的物质”（虽然这个命名源于他的另一个错误认知，即认为所有酸都含氧，但名字保留了下来） 。而剩下的那部分不支持燃烧的气体，他起名叫 Azote（氮），意思是“没有生命” 。
1777年，基于最近三年的一系列实验和氧气的发现，拉瓦锡在法国科学院正式提交论文《燃烧概论》中，系统提出氧化学说，这彻底否定了“燃素说”。
燃烧是物质与空气中氧气发生的化合反应，同时放出光和热。
他在论文中定义：“氧化反应”（物质与氧结合）和“还原反应”（氧化物失去氧变回原物质）。虽然现代定义已扩展为电子转移，但这是他理论的自然延伸。拉瓦锡的氧化学说完美的解释了燃素学说遇到的困难。木头燃烧变轻，是因为生成的二氧化碳是气体，跑掉了。铁生锈变重，是因为铁结合了氧，生成了固体的氧化铁。氧化学说可以完美的解释当时所有的燃烧反应，生物的呼吸，金属的腐蚀等现象。至此，燃素说被推翻。
拉瓦锡摘取了他的两个成就：
发现空气是氧气和氮气的混合物，氧气可以维持生命，有助于燃烧。燃烧的本质是氧化反应于此同时，拉瓦锡通过一些列实验，逐步的确立了质量守恒的思想，只不过他现在还不确定最终的理论。因为他目前还有一个小困惑。拉瓦锡发现酸（含氧酸）和金属反应，也可以认为是氧化反应，但是产生的残渣看起来变轻了，这似乎违反了他心目中的质量守恒定律。他需要解决这个问题。
在拉瓦锡构建他的新理论时，英国有一位富可敌国，但生活简朴得像个苦行僧的科学家——亨利·卡文迪许。他早在1766年就已经开始系统地研究一种新的气体。他发现当酸腐蚀金属时，会冒出一种极其易燃的气体。这种气体非常轻，比空气轻得多。卡文迪许也是燃素学说的坚强捍卫者。对这个重大发现，他依然试图用燃素去解释，当时卡文迪许想：“这一定是燃素本身吧！”
1781年，卡文迪许把这种“易燃气体”（氢气）和“脱燃素空气”（氧气）混合在一起，然后点燃“砰”的一声，爆炸了。当烟雾散去，卡文迪许发现，容器内壁上挂满了一层晶莹剔透的液滴。他尝了一口，那是水！纯净的水！
这个化学反应就是初中化学课本中提到的：氢气燃烧生成水。在这个重大发现之前，几千年来，人们认为“水”是一种基本元素，是不可能被制造出来的。现在，两种气体竟然变出了水！
1783年，当拉瓦锡听说卡文迪许把两种气体烧成了水，他高兴得都要跳起来了。因为这不仅证明了水不是元素，是氢和氧的化合物，更重要的是，它补齐了质量守恒定律的最后一块拼图。之前拉瓦锡一直有个困惑：为什么酸和金属反应，反应后产物变轻了？现在他明白了：那是因为产生了氢气！氢气和氧化合变成了水。拉瓦锡给卡文迪许发现的气体起名叫 Hydrogen（氢），意思是“产生水的物质”。
通过水的质量，可以验证拉瓦锡心心念念的“质量守恒定律”。质量守恒定律的成功，又反过来证明了拉瓦锡氧化学说的正确性。
同时拉瓦锡又收获了新的发现：氢气和氧气化合生成水。
拉瓦锡理论的研究不仅具有创新性，而且基于严谨的定量实验。比如：教材中提到的，汞的煅烧与分解实验还有锡的密闭煅烧实验。从1772年到1783年的这些时间里，拉瓦锡积累了大量的化学实验的定量数据。 他每次实验都特别注意反应前后物质重量的变化。
密封加热金属 → 总质量不变打开容器后空气冲入 → 质量增加的部分恰好等于金属结合的气体质量在这些实验中，促使拉瓦锡逐步形成了质量守恒的思想。最终，1789年：拉瓦锡在其划时代的著作 《化学基础论》（Traité Élémentaire de Chimie） 中，明确提出了质量守恒定律，并将其作为化学研究的基本准则。他写道：
“在自然界中，没有任何东西会被创造，没有任何东西会消失；一切只是转化……实验前后物质的总量保持不变。”
至此，空气的成分问题，燃烧的本质问题，以及化学反应的基本规律都被拉瓦锡发现了。化学学科终于脱胎换骨，成为了现代科学。拉瓦锡也实至名归的被称为为“现代化学之父”。
历史讲到这里，似乎是一个完美的结局。但是，历史是人类书写的，也更符合人性。我们再来聊一下这个故事中伟大的科学家，拉瓦锡。
拉瓦锡被誉为现代化学之父。他和传统的炼金术士完全不同。他有钱、有地位，而且，他还有一个特殊的职业背景——包税官。包税官是跟钱、跟数字打交道的。这个职业特点让他对“收支平衡”有着近乎偏执的追求。他认为，在化学反应里，不仅物质的种类要搞清楚，重量的收支也必须平衡。
他对化学的最大贡献，就是一个字：测！ 定量的测量！
例如，炼金术士认为：水煮久了会变成土。证据是，把水烧干，容器底部总会留下一层沉淀物。
为了验证这个观点，拉瓦锡他把精确称重过的水，放在一个密封的玻璃瓶里煮，整整煮了101天！ 101天后，水确实变浑浊了，有了沉淀。但，当把水、沉淀物、还有玻璃瓶子分别称重时发现：水的重量一点没变！那沉淀物是哪来的？拉瓦锡发现瓶子变轻了。变轻的重量，恰好等于沉淀物的重量。结论是：水没有变成土，是水把玻璃瓶溶解了一部分！
但是，金无足赤，人无完人。拉瓦锡有一个小毛病——爱抢功劳。
他在发表氧化学说时，几乎不提普利斯特里给他的启发，甚至暗示是他自己独立发现了氧气。在重复卡文迪许的合成水实验时，他也试图把自己包装成第一发现者 。这让普利斯特里和卡文迪许非常不爽。这也许解释了为什么这两位伟大的英国科学家，直到去世的那一天，都拒绝承认拉瓦锡的理论。普利斯特里死的时候，依然坚信燃素是存在的。卡文迪许死的时候，依然认为自己发现的是燃素。
拉瓦锡本人的命运更是令人唏嘘扼腕。1794年，法国大革命爆发。因为他包税官的身份，拉瓦锡被送上了断头台。数学家拉格朗日听到这个消息后，说了一句著名的话：“砍下这颗头颅只需要一瞬间，但法国也许一百年也长不出这样一颗脑袋。”
回顾这段关于燃烧的历史，我们看到的不是“愚昧”到“智慧”的简单跳跃，而是一场缓慢的、艰难的探索。
四元素理论虽然粗陋简单，但是却影响了牛顿，提出了“火焰的微粒”。牛顿的炼金术失败了，但是他的学说影响了之后的燃素说确立和发展。燃素说虽然漏洞百出，但是自从有了燃素说，化学才第一次科学地、系统地发展。虽然拉瓦锡提出了氧化理论，驳斥了燃素学说。但是理论的发展并没有停止，现在的氧化还原理论早已不是拉瓦锡当初定义的样子，而是有了更广阔的内涵。这就是科学真实的发展过程。
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