推翻燃素学说过程中的幸运与遗憾
在化学的发展历史上，燃素学说曾经占据了很重要的地位，从17世纪末至18世纪后期，它统治了化学界近一百年之久。作为一种重要的理论，它的提出和最终的被推翻，都是化学发展史上
最重要的里程碑之一。
很多化学史书上都这么说：是法国化学家安都昂·罗朗·拉瓦锡（Antoine.Laurent Lavoisier，1743-1794）提出燃烧的氧化学说，从而将燃素学说送进坟墓的，拉瓦锡因此而被称为现代化学之父，名垂青史。
关于燃素学说的兴起和最终的被氧化学说所取代，我们在《化学的里程碑》一书中已经有详细的记述，不再赘述。这里要说的是，拉瓦锡并不是第一个推翻燃素学说的人，可以这样说，推翻燃素学说、建立氧化学说的过程中存在着幸运和遗憾。
燃素学说是1702年由普鲁士医生恩斯特·斯塔尔（George Ernst Stahl，1660-1734）提出来的，它的基本观点是：可燃的物质中，都含有一种细小、活泼的火中微粒，这就是所谓的燃素。在…定的条件下释放出燃素，就发生燃烧。所以燃烧就是物质放出燃素的现象或过程。
有些可燃物燃烧后，剩余的灰烬明显地比燃烧前的物质轻，所以，燃烧过程可以用如下公式表示：
燃烧物-燃素=灰烬
例如蜡烛燃烧，燃烧时燃素逸去，蜡烛缩小下塌而化为灰烬。
但是也有部分物质燃烧后重量却增加了，比如说，金属燃烧后，重量反而增加。因此，燃素学说又给出如下的公式：
金属+燃素=灰烬
很明显，这两个公式是互相矛盾的。这就是所谓的燃素学说悖论。一些坚定的燃素学说的支持者就想出负重量的概念去解释第二个公式。
但是这个“负的质量”也实在太让人不可思议，因此，从它一提出，就有人对它怀疑，进而怀疑燃素学说。
最先系统地对燃素学说提出怀疑的是俄国的科学家罗蒙诺索夫。1748年，他也系统地对金属的燃烧过程进行了研究。他把金属密封在玻璃容器里燃烧，发现燃烧前后玻璃容器的总重量并没有变化。因此他断定，根本就没有什么燃素存在。
关于燃烧后的金属灰的重量增加的问题，他作出了这样的解释：可能是空气里的微粒与金属化合了。
他的这一想法与现代氧化学说其实是很接近了。可惜的是，他没能继续研究下去。因此，他虽然已经触及燃烧现象的实质、找到了推翻燃素学说的钥匙，但最终还是没能完成这件意义重大的工作。
1772年9月，拉瓦锡也开始做金属燃烧实验。他的实验与罗蒙诺索夫的实验很相似，也得出燃烧前后玻璃容器总重量没有变化的结论。但他对实验做了一个很重要的改进——他在玻璃容器上开了一个小孔，燃烧时把小孔封上。等燃烧完、称量了容器的重量后才把小孔打开。当小孔被打开时，明显感觉到有空气带着响声冲进容器里。再称量容器的重量时，发现它的重量增加了。而灰烬增加的重量恰好等于空气冲进去后容器重量的增加值。
拉瓦锡由此得出这样的结论：金属燃烧后的重量增加是金属与空气的一部分相结合的结果。这就从根本上对燃素说提出了质疑。
那么，与金属相结合的空气成分又是什么呢？拉瓦锡就无从解答了。
1771年和1774年，瑞典著名的化学家卡尔·威尔海姆。舍勒（Carl Wilhelm Scheele 1742－1786）和英国化学家约瑟夫·普利斯特列（Joseph Priestley，1733－1804）先后独立地发现了氧气，但他们都是虔诚的燃素论者，他们都错把它当作“脱燃素空气”（dephl-ogisticated air）。相关的发现过程可以参阅《化学的里程碑》一书。
普利斯特列和舍勒发现的这种气体实际上就是氧气。
1774年10月，普利斯特列访问巴黎，把他新近发现的脱燃素空气之事告诉了拉瓦锡。
拉瓦锡立即重做了普利斯特列的实验，也发现了普利斯特列所说的气体，他把这种气体称为“极纯空气”，后来又认为它是一种新的气体元素。
拉瓦锡对这种新气体元素进行了深入的研究，发现它除了助燃、助呼吸外，还能与许多非金属物质结合牛成各种酸，为此他把这种元素命名为酸素——氧。
拉瓦锡进而明确指出：空气本身不是元素，而是混合物，它主要由氧气和氮气组成。
1778年，拉瓦锡系统地提出燃烧的氧化学说——燃烧是可燃物质与氧的化合，可燃物质在燃烧过程中吸收了氧而增重。所谓的燃素实际上是不存在的。这就是彻底推翻了
燃素说的燃烧学说。
拉瓦锡从重复罗蒙诺索夫的实验而开始怀疑燃素学说，又从氧气的发现确立了氧化学说。可惜和遗憾的是，普利斯特列虽然发现了氧气，却反对氧化学说。直到1783年，拉瓦锡的燃烧与氧化学说已普遍被人们认为是正确的时候，普利斯特列仍不接受拉瓦锡的解释，还坚持错误的燃素说，并且写了许多文章反对拉瓦锡的见解。这是化学史上很有趣的事实。一位发现氧气的人，反而成为反对氧化学说的人。
舍勒也是这样，他发现了氧气，但因为他也相信错误的燃素说，所以也不能正确把握好自己的发现，错过了发现真理的机会。
错误的理论，错误的指导思想，使他们从歪曲的、片面的、错误的前提出发，走上了一条南辕北辙的错误道路，使得在真理碰到鼻子尖的时候，还没得到真理。
反观拉瓦锡，他既没有发现新物质，也没有提出新的实验项目，甚至没有创新或改进实验手段或方法，然而他却在重复前人的实验中，通过严格的合乎逻辑的步骤，阐明了所得结果的正确解释，作出了化学发展上的不朽功绩。这主要得益于他善于学习、善于综合、善于判断；特别是他不迷信过去的理论，不被现成的理论所束缚，敢于并善于从前人的工作中发现矛盾和问题，从中选择一些关键的实验作为自己研究的突破点，并在实验中，保持清醒的头脑。在实验中，他善于捕捉那些化学反应中各种物质变化的相互联系，不被表面现象所迷惑，透过现象深入到本质，从整体上去认识反应的本质，因而显得比别人站得高、看得准。所以，推翻燃素学说、建立氧化学说的重要功绩最终落到他的身上。这看似有幸运的成分，但综合起来看，却是有其历史的必然。
卡文迪许与库仑定律
大家知道，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引，两电荷间的作用力跟它们的电量乘积成正比，跟它们之间的距离的平方成反比，这就是著名的库仑定律。它是由法国物理学家库仑在1785年写给法国科学院的《论电和磁》的论文中提出来的。
库仑定律是电学中最重要的定律，也是电学发展史上第一个定量规律，它使电学的研究从定性进人定量阶段，是电学史上的一块重要里程碑。为了纪念发现这个定律的库仑.人们将电量的单位叫做“库仑”。
库仑（Charles-Augustin Coulomb 1736-1806）是18世纪一位学识渊博的法国物理学家，也是当时欧洲最好的工程师之一。他善于设计精巧的实验，进而取得精确数据，找出数据变化的规律，揭示运动的基本法则。他先后发现了摩擦力与压力的关系，地球磁场对磁体的作用规律。特别是在1773年，法国科学院悬赏征求改进船用指南针的方案，36岁的库仑攻下了这一难题，获得法国科学院奖金。1785年，库仑又揭示了真空中两个点电荷之间的相互作用力与二点电荷所带的电量及它们的距离的定量的关系，这就是电学中的库仑定律。后来，库仑又用类似的方法继续通过实验对磁针之间的相互作用力进行研究，证明了两个磁体间的引力或斥力所遵循的规律与带电体的库仑定律是类似的，与两磁体间距离平方成反比。这些为电磁学的发展作出了巨大贡献。
库仑定律可以说是一个实验定律，它是库仑通过扭秤实验来总结出来的。扭秤的结构如下图。在细金属丝下悬挂一根秤杆，它的一端有一小球A，另一端有平衡体B，在A旁还置有另一与它一样大小的固定小球C。为了研究带电体之间的作用力，先使A、C各带一定的电荷，这时秤杆会因A端受力而偏转。转动悬丝上端的旋纽，使小球回到原来位置。这时悬丝的扭力矩等于施于小球A上电力的力矩。如果悬丝的扭力矩与扭转角度之间的关系已事先校准、标定，则由旋纽上指针转过的角度读数和已知的秤杆长度，可以得知在此距离下A、C之间的作用力。
其实，库仑并不是第一个形容电荷之间相互作用力的人，在他之前，很多人曾经形容过。
1759年前后，德国科学家爱皮努斯（F.V.T.Aepi.nus，1724-1802）发现：当两电荷间距缩短时，其引力或斥力将增大。1766年，英国科学家普利斯特利（Jo-seph Prientley，1733-1804）重做了1755年美国电学家富兰克林（Benjamin Franklin，1706-1790）的“冰桶实验”，观察到放人金属桶内的带电小球，不受金属桶上电荷的影响，即金属导体内表面不带电，证明了空心带电导体对空腔内的电荷无电力作用，并据此又借助牛顿万有引力定律，提出了电作用力与距离平方成反比的论断。
在库仑定律提出前有两个人曾作过定量的实验研究，并得到明确的结论。1769年，英国人罗宾（John Robison，1739-1805）首次定量地进行了电力测量，他测得静电斥力反比于电荷间距离的2.06次方，引力随距离变化的方次稍小于2。但他的这项工作直到1822年才发表。
另一位做过定量实验研究的人是著名的英国物理学家卡文迪许（Henry Carendish，1731-1810）。这里，我们要重点说一下这个卡文迪许。1773年，卡文迪许用两个同心金属壳做实验，如图所示。外球壳由两个半球装置而成，两半球合起来正好形成内球的同心球。通过“同心金属球实验”得出：电荷间相互作用力反比于它们之间距离的平方，指数偏差不大于0.02。他又发现，带电导体的电荷全部分布在表面而内部不带电。卡文迪许在1777年的一份手稿中明确提出：“电的吸引力和排斥力很可能反比于电荷间距离的平方。如果这样的话，那么物体中多余的电几乎全部堆积在紧靠物体表面的地方。而且这些电紧紧地压在一起，物体的其余部分处于中性状态。”
然而，遗憾的是，卡文迪许没有能及时将他的研究成果公开发表，他的手稿直到100年后才由麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831-1879）加以整理而公布于众。
卡文迪许1731年10月出生于英国豪门，A幼丧母，性格孤僻，1749年进入剑桥学习，在父亲的影响下走上了科学研究的道路。1783年，他父亲逝世，给他留下大笔遗产，使他的资产超过了130万英镑，成为英同的巨富之一。他家财万贯，但生活俭朴，对财富漠不关心。他终生未娶，毕生从事科学研究。被称为“一切有学问的人中最富有的人，也是一切富人中最有学问的人”。
这些钱该怎么用，卡文迪许从不考虑。有一人曾帮助卡文迪许整理图书，哪知工作完后，卡文迪许却忘了给酬金。事后朋友提醒他该给那个人支付一些报酬，卡文迪许急忙从口袋掏出支票，边写边问：“应该给多少，2万英镑够吗？”朋友吃惊地叫起来：“太多，太多了！”可是支票已写好。在当时，2万英镑已经是个天文数字了。由此可见，钱的概念在卡文迪许的头脑中是很淡薄的。
在当时，贵族的社交生活花天酒地，但卡文迪许却从不涉足。他只参加一种聚会，那就是皇家学会的科学家聚会。卡文迪许参加聚会时，总是低着头，屈着身，悄悄地进入室内，一声不响地找个地方坐下，对别人都不理会。若有人向他打招呼，他会立即面红耳赤，羞涩不堪。
这种古怪的性格，使卡文迪许长期深居独处，整天埋头在他科学研究的小天地里。
在社交牛活中
他显得很孤僻，然而在科学研究中，他思路开阔，兴趣广泛，显得异常活跃。上至天文气象，下至地质采矿，抽象的数学，具体的冶金工艺，他都进行过探讨。特别在化学和物理学的研究中，他有极高的造诣，取得许多重要的成果。他发现了氢气，又对二氧化碳进行了很深入的实验研究，使人们对二氧化碳的性质有了更多的了解；他还确认了水的组成；卡文迪许最后的一项研究是关于地球平均密度的问题。他提出的数字是每立方厘米5.448克，现在大家知道的是5.48克。这说明了当时他的实验是相当准确的。卡文迪许曾做过一个这样十分有趣的实验：他在两周内让空气反复通过电火花放电，将生成的二氧化氮用苛性钾溶液吸收，在除去多余的氧气后，发现大约剩余占原空气体积1/120的气体不参加反应。他虽未对这一现象进行深入研究，但却忠实记录了实验结果。100多年以后，此记录成了发现稀有气体的一个重要线索。
1810年3月10日，卡文迪许以79岁的高龄与世永別。他给后人留下了一笔宝贵的遗产——他用他的资产建立了卡文迪许实验室。近二百年来，这个实验室一直都是世界上最有名的实验室之一，为世界培养了很多的大科学家，其中有很多人获得了诺贝尔奖。
卡文迪许整天躲在自己的实验室里做实验。所有的实验，他都做了详细记录，但是很少把他的科研成果
整理出来发表。这样的做法使他与两项非常重要的科学发现失之交臂——一项是惰性气体的发现，他收集到了惰性气体，却不知道它是什么；另一项就是本节里所说的库仑定律，他比库仑更早地发现静电作用力跟电荷的大小成正比、跟距离的平方成反比的规律，他测量出来的规律性比库仑的测定还要准确。但由于他没有发表他的成果，他的发现只能压在故书堆里了。
其实，将库仑定律冠上库仑的名字，是有些名不符实的。后来发现，所谓的库仑的发现，很多都是张冠李戴地戴到了库仑的头上去了。所谓的库仑扭秤也不是库仑发明的。库仑确实曾制作过多种扭秤，并用它发现了库仑定律。扭秤早在1750年就由剑桥大学的科学家米切尔（J.Michell，1724-1793）制作出来，他那时候的扭秤是用来测磁力的，他把一块磁铁用线悬起，再用另一块磁铁推斥它，根据线的扭转程度测定磁极间斥力的大小，得到了磁斥力与距离平方成反比的关系，借鉴于牛顿的万有引力定律，他首先提出了磁力的平方反比定律。这一实验和定律，均发表在米切尔同年出版的著作《人造磁体论》中。所以，不能说是库仑发明了扭秤，他只是重新发现或改进了米氏的扭秤并利用了它。
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