耿雁冰

著名的“20天實驗”是法國化學家拉瓦錫與妻子共同完成的一項經(jīng)典實驗，在眾多的化學啟蒙讀物以及九年級化學教材中均有介紹。美國期刊Chemical&EngineeringNews曾邀請化學家與歷史學家共同票選出最美麗的十大化學實驗，此實驗高票當選。

化學史上的經(jīng)典實驗何其多，為什么“20天實驗”能被選入教材？它的經(jīng)典，到底體現(xiàn)在什么地方呢？

“20天實驗”做了啥

1774年11月的一天，拉瓦錫夫婦在一個曲頸甑內(nèi)裝了水銀，瓶頸通過一個水銀槽與外面的一個鐘形玻璃罩相通，玻璃罩內(nèi)是空氣。拉瓦錫夫婦日夜不停地給曲頸瓶加熱，水銀表面上很快就出現(xiàn)了紅色的粉末，隨著加熱，紅色粉末越來越多。到了第12天，紅色粉末不再增多了，但他們繼續(xù)加熱，一直到第20天，紅色粉末仍不增多，才結(jié)束了實驗。

由于實驗進行了20天，這個馬拉松式的漫長實驗就成為化學史上著名的“20天實驗”。利用這一實驗，拉瓦錫解開了空氣組成之謎，也解釋了燃燒的本質(zhì)。

為何會被選入教材

這個實驗之所以被選入教材，不僅因為空氣是化學啟蒙階段必不可少的重要化學物質(zhì)體系，也不僅因為空氣的組成已經(jīng)成為人們普遍具有的基本常識，更因為這個實驗充分體現(xiàn)了化學學科的特點，在化學研究的思想與方法上具有豐富的內(nèi)涵。

第一，反應物的選擇。為什么選擇汞（水銀）來做這個實驗？因為空氣是一個由多種氣體組成的混合物，要測定其中氧氣的體積分數(shù)，最佳選擇應當是挑選出一種只和氧氣起反應的化學物質(zhì)，并且反應產(chǎn)物容易分離。可以和氧氣直接作用的物質(zhì)有很多，那時候的化學家已經(jīng)知道能與氧氣（當時不叫氧氣）反應的有磷、硫等多種物質(zhì)，現(xiàn)在中學化學涉及的也有很多，如大多數(shù)金屬、氫氣、磷和硫等非金屬以及許多有機物。但是，只和氧氣反應而且產(chǎn)物不溶或部分溶解的可選對象并不多。拉瓦錫所選用的汞，應是上上之選。首先，汞在常溫下呈液態(tài)，所以除了用作反應物，還可以通過連通器直接用于測量反應器（曲頸甑）內(nèi)空間體積的變化；其次，汞的沸點為356.72℃，在持續(xù)加熱下，汞源源不斷地汽化，大量的汞原子和空氣中的氧分子得以充分反應，可以將容器內(nèi)的氧氣完全反應掉；最后，反應生成的氧化汞在這個溫度下呈固態(tài)，且不溶于汞。氧化汞的密度為11.14g/cm3，汞的密度為13.59g/cm3，氧化汞的密度低于液態(tài)汞，所以浮在汞的液面上，很容易分離。氧化汞在500℃左右可以分解，同一曲頸甑即可完成它的分解，使分解后得到的氣體產(chǎn)物回到留有剩余氣體的空間后，可以發(fā)現(xiàn)原來減少的氣體是否和汞結(jié)合在氧化汞中了。

第二，方法的選擇。我們可以把整個實驗過程簡化為化合、分解、“還原”，即汞和空氣中的氧氣化合，氧化汞又分解產(chǎn)生了氧氣，將分解產(chǎn)生的氧氣與化合后剩下的氮氣混合“還原”為“原來”的空氣。拉瓦錫證明了“還原”后的氣體，其性質(zhì)和原來放置在曲頸甑中的空氣完全相同。從中可以看出這個實驗設(shè)計的完美，空氣試樣的“還原”是對汞的氧化源于它和空氣中氧氣間的反應的結(jié)論，幾乎無懈可擊。這一方法對后來研究水的組成不無啟示：10年之后，卡文迪許用氫氣與氧氣化合生成水；再后來，尼克爾森電解水，得到氫氣與氧氣。這些化學實驗讓科學家認識到水不是一種元素。

入選教材后又為何做了改動

考慮到反應時間、環(huán)保等實際問題（汞有毒），實驗入選教材后，又做了部分改動。這個改動蘊含了一個很重要的化學研究方法——轉(zhuǎn)化法。

如左圖所示，左側(cè)集氣瓶中的氧氣與點燃的紅磷會發(fā)生反應，但是肉眼無法看出空氣體積的減少。此時，就需要將不明顯的反應現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為其他明顯的現(xiàn)象來觀察。在此實驗中，集氣瓶中由于氧氣減少而造成瓶內(nèi)壓強減小，右側(cè)燒杯中的水就會進入集氣瓶中，約占集氣瓶體積的1/5，同學們可以通過進入瓶中的水的體積知道減少的氣體的體積。

轉(zhuǎn)化法是化學實驗中常用的方法，在很多實驗中都可以應用。例如，酸堿溶液中和反應現(xiàn)象不明顯，我們可以通過指示劑的變色來判斷反應是否發(fā)生。

實驗給我們帶來哪些啟示

1773年，瑞典化學家舍勒在加熱氧化汞和其他含氧酸鹽的時候，意外發(fā)現(xiàn)了一種能夠支持燃燒的氣體，他把這種氣體命名為“火氣”，并給拉瓦錫寫信（據(jù)說拉瓦錫夫人像漏斗一樣把消息濾掉了）。之后，舍勒寫出《論空氣和火的化學》一書。但由于出版商的延誤，此書在1777年才出版。1774年，英國化學家普利斯特里用一個大凸透鏡將太陽光聚焦后加熱氧化汞，制得純氧，發(fā)現(xiàn)它能助燃和幫助呼吸，于是稱之為“脫燃素空氣”，并寫入《論各種不同的氣體》一書發(fā)表。在訪問歐洲大陸時，普利斯特里在宴會上把這一發(fā)現(xiàn)告訴了拉瓦錫。隨后，拉瓦錫經(jīng)過多次實驗，確認氧是一種元素。他提出了燃燒的氧化學說，發(fā)表《燃燒概論》，推翻了燃素說，發(fā)起了化學史上一次著名的革命。

由此看出，科學的進步并不是僅僅依靠個別人就可以完全實現(xiàn)的，偉大的科學家牛頓說：“如果說我比別人看得更遠些，那是因為我站在了巨人的肩上?！边@句話很好地詮釋了科學的偉大發(fā)現(xiàn)首先在于一代又一代科學家的努力與傳承，在此基礎(chǔ)上才可能實現(xiàn)發(fā)展與超越。

關(guān)于三人中誰最先發(fā)現(xiàn)了氧氣，歷來眾說紛紜，莫衷一是。如果僅從制備氧氣這一角度而言，舍勒無疑是第一名，盡管著作發(fā)表得比較晚，但這一事實是公認的。然而，發(fā)現(xiàn)僅僅是開創(chuàng)的第一步，“見微”固然重要，更重要的還是“知著”。

在生物學上，拉馬克很早就提出了生物進化學說，作出“有機界是自然規(guī)律作用下緩慢演變的結(jié)果”的精辟論斷，然而他被“活力論”局限住了，停留在“用進廢退”的觀點上；達爾文則因提出自然選擇的正確解釋，成為進化論的奠基人。無獨有偶，物理學家洛倫茲根據(jù)邁克爾遜-莫雷實驗得出的光速不變結(jié)果，建立了超越伽利略變換的洛倫茲變換，這距離發(fā)現(xiàn)狹義相對論已經(jīng)近在咫尺，但他依然沒有膽量質(zhì)疑牛頓，而與相對論失之交臂；愛因斯坦則提出相對性原理，開創(chuàng)了物理學的新紀元。可見，“見微”僅僅是注意到了表象，“知著”則是對本質(zhì)的正確把握。

拉馬克的進化論具有主觀唯心色彩，洛倫茲拘囿于經(jīng)典力學不敢突破，舍勒和普利斯特里則是將他們的發(fā)現(xiàn)置于燃素說的框架內(nèi)，“當真理碰到鼻尖上的時候，還是沒有得到真理”。因此，恩格斯說“拉瓦錫是真正發(fā)現(xiàn)氧氣的人”是有道理的。恩格斯在《資本論》第二卷的《序言》中，很中肯地評價了這一段化學史：“當時在巴黎的普利斯特里……把他的發(fā)現(xiàn)告訴了拉瓦錫，拉瓦錫就根據(jù)這個新事實研究了整個燃素說化學，方才發(fā)現(xiàn)：這種新氣體是一種新的化學元素；在燃燒的時候，并不是神秘的燃素從燃燒物體中分離出來，而是這種新元素與燃燒物體化合。這樣，他才使過去在燃素說形式上倒立著的全部化學正立過來了。即使不是像拉瓦錫后來硬說的那樣，他與其他兩人（普利斯特里和舍勒）同時和不依賴他們而析出了氧氣，然而真正發(fā)現(xiàn)氧氣的還是他，而不是那兩個人，因為他們只是析出了氧氣，但甚至不知道自己所析出的是什么?！?/p>

由此可見，對于一名科學家來說，敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新是多么重要的科學精神！