逐漸成熟的定量研究

最新 01-27

燃素學說（The Phlogiston Theory）是三百年前的化學家們對燃燒的解釋，他們認為火是由無數細小而活潑的微粒構成的物質實體。這種火的微粒既能同其他元素結合而形成化合物，也能以遊離方式存在。大量遊離的火微粒聚集在一起就形成明顯的火焰，它彌散於大氣之中便給人以熱的感覺，由這種火微粒構成的火的元素就是「燃素」。

作者胡翌霖 (清華大學助理教授)

責編許嘉芩劉愈

熱學研究、燃燒問題研究、氣體研究等等領域在18世紀也都逐漸從定性的觀察記錄轉向定量研究，最終完成了化學革命。

定量研究的成熟有賴於實驗儀器的發展，我們剛才說到，部分因為演示實驗的需求，實驗儀器的發展在18世紀得到了促進，溫度計、氣壓計、氣體的收集裝置、更精密的天平秤等等，這些精密儀器在18世紀後半葉普及開來。

蘇格蘭學者約瑟夫·布萊克（1728-1799）藉助水銀溫度計進行熱學研究，他發現讓冰化成水需要施加固定的熱量，但溫度計沒有變化，從而區分了溫度與熱量的概念。他進而發現不同物質容納熱量的能力不同，也就是說一定的熱量讓不同的物質提升的溫度不一樣，從而提出了「比熱」的概念。

那麼在物質之間傳遞的「熱量」究竟是什麼呢？拉瓦錫和拉普拉斯提出了「熱質說」，認為熱是一種沒有重量的流動物質，熱的傳導就是熱質在物體之間流動。熱質說還把蒸發過程解釋為被蒸發物與熱質的「化合」。

熱質說雖然在現在看來是錯誤的，但它反映了對理論化的定量研究的訴求，因為一種定量研究的科學理論，不僅僅意味著定量地測量一個又一個數據，更要給出某種守恆律來解釋數據之間的關係，如果沒有守恆律，就難以把諸多定量數據放在一個「等式」之內。而守恆律總要求設定某種恆定的東西的存在。「熱質」就是這樣一種在變化中保持不變的恆定之物，「燃素」也是一種。

燃素說由德國化學家施塔爾（1660－1734）於1703年提出，用以解釋燃燒現象。施塔爾在化學史上很重要，他明確把化學與物理相區別，認為物理學研究的是均質的物質粒子之間的集合，而化學研究的是異質物質之間的合成和分解。

燃素說認為燃燒過程是物體失去燃素的過程，它和後來的氧化學說正好相反，認為燃燒是分解而不是化合。空氣是一種助燃劑，燃素從物質中分解出來而進入空氣。如果隔絕了空氣，比如用罩子蓋住了蠟燭，燃燒就會停止，這是因為封閉的空氣中的燃素很快就達到飽和，燃素跑不出來，自然就不能再燃燒了。

燃素說在18世紀影響很大，不僅限於化學領域，在生命科學、地球科學等領域也被用來解釋許多現象。但燃素理論的定量化並不成功，最終被拉瓦錫的氧化還原理論所取代。

說氧化還原理論之前還要講一下18世紀的氣體研究。我們之前提到鍊金術士赫爾蒙特就區分了空氣和氣體，但他當時沒有收集氣體的設備，因而無法具體研究各種氣體的性質。而收集氣體的裝置在18世紀出現了，黑爾斯（1677-1761）1727年出版的《植物靜力學》一書中描述了收集氣體的方法（圖1），用倒扣在水面上的容器收集氣體。黑爾斯本人並不研究這些氣體，他以為這些氣體與空氣是一樣的，但他提供的方法影響深遠。