本科生科研指南（56）：氣體定律之氧氣的發現本科生科研指南（56）：氣體定律之氧氣的發現 張宇寧華北電力大學（北京） 世間最大的快樂，

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莫過于發現世人從未見過的新物質。舍勒（Carl Wilhelm Scheele，1742－1786）氧氣是人類賴以生存的基礎。起初，人們所知道的氣體只有空氣，並認為空氣是“一種”物質。另外，人們已經認識到空氣在燃燒過程中的重要助燃作用。例如，拉瓦錫通過實驗發現很多物質在沒有空氣之時便不會燃燒。通過對在空氣中進行的各種燃燒反應後氣體的實驗觀察，科學家才進一步發現並不是所有的空氣都會參與燃燒反應。具體而言，只有一小部分（大概五分之一）左右的空氣會參與反應，而其他剩餘部分則不會參與反應。在18世紀70年代，

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這些實驗現象最終導致了氧氣的發現以及後續關于其性質的諸多探索。 一、科學問題 最初，人們對于空氣是一種物質從未懷疑過，這種思想深刻地滲透在早期的各種哲學流派之中。但是，隨著認識的不斷深入，關于燃燒的一些實驗結果讓人們意識到空氣可能是一種混合物。圍繞空氣的這些新發現，相應的科學問題可以歸納為：空氣是由哪些氣體組成的？這些氣體在空氣中佔多少比例？組成空氣的氣體各自具有什麼樣的性質？在氧氣的研究過程中，黑爾斯的集氣槽（詳見：本科生科研指南（55）：氣體定律之黑爾斯的氣體收集技術）為科學家在實驗室中開展氣體研究提供了極大的便利，相關領域蓬勃發展。 二、研究歷程 氣體領域的探索和重大發現大多是由同時代的一大批科學家圍繞其對于氣體研究的興趣各自獨立地進行的。其中，氧氣的發現便是一個典型的例子，分別被舍勒、普裡斯特利、拉瓦錫在18世紀70年代先後獨立地發現。1772年，舍勒通過觀察部分化學物質在空氣中因吸收氧氣而發生的變化以及白磷等的燃燒，發現了空氣中約有五分之一的氣體是可以參與上述化學反應的，並將其命名為“火氣”，

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意即有助于燃燒之意。這便是對氧氣性質的早期發現和理解。遺憾的是，舍勒的上述重要工作因為出版商的耽擱，直至1777年他的專著《論空氣和火的化學》才正式出版。舍勒一生中做了大量的實驗，但發表的論文與他做過的工作相比，只佔很少的一部分。他基本上都是憑著個人對于化學的強烈興趣而廢寢忘食地開展研究工作。 圖一 舍勒1777年出版的《論空氣和火的化學》一書的封面瑞典語名稱：Chemische Abhandlung von der Luft und dem Feuer 圖二 舍勒實驗室的概貌圖片來源：維基百科 1774年，普裡斯特利加熱氧化汞得到了一種新氣體。經過測試，普裡斯特利發現這種氣體不僅可以使得蠟燭更為猛烈地燃燒，並且他本人吸入之後感覺極為舒服。他還讓小老鼠也吸入了這種氣體，發現其壽命可以比在空氣中有所延長。這些探索讓普裡斯特利猜測這種氣體對後續的醫學也可能有很大的幫助。另外，普裡斯特利還發現空氣燃燒後剩餘的氣體也是一種當時人們尚不知道的新氣體，他把這種新氣體稱之為“脫燃素空氣”（即氮氣）。後來，拉瓦錫稱其為“硝”，再後來被學者們稱為“氮”，沿用至今。1774年，在密閉的容器中加熱錫和鉛兩種金屬時，拉瓦錫發現在此過程中空氣失去了一定的重量。據此，拉瓦錫斷定空氣中的一部分（即氧氣）參與了化學反應。後續，拉瓦錫依據這些實驗結果將空氣分為“最易于呼吸的空氣”（即氧氣）和其餘剩下的部分（即普裡斯特利提出的“脫燃素空氣”，即氮氣）兩個部分。1779年，拉瓦錫正式提出了“氧”這個詞語。這些都為拉瓦錫氧化理論等新化學學說的提出提供了實驗基礎。由此可見，三位學者均是獨立地從不同的側面和方法在研究氧的諸多性質，最終極大地促進了對于氧及空氣的理解，從而推動了科學的進步。 三、科學家精神 協同是科學家的重要品質之一。具有重要價值的科學研究則更需要多個甚至大量科學家進行協同攻關。在氧氣的發現過程中，

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舍勒、普裡斯特利、拉瓦錫三位科學家雖然均獨立地做出了自己的發現，但他們之間的通信卻是科學史上的一段佳話。最早發現了氧氣的是舍勒（1772年）。他的貢獻之所以後續被史學界得到認可，其核心證據來自于舍勒與拉瓦錫的通信。雖然在1777年出版的專著中，舍勒已經對氧氣進行了描述，但這個時間顯然在普裡斯特利之後（1774年），當然不能算作是首創性的證據。舍勒曾經提到過他給拉瓦錫寫過一封信，詳細闡述了氧氣的性質。1993年，這封信終于被找到，方才確定了舍勒在1772年發現的氧氣，從而確立了其優先權。試想，

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如果沒有這次舍勒與拉瓦錫之間的通信交流及學術成果的分享，舍勒必然失去了氧氣發現的優先權。從某種意義上講，

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恰當的學術交流還是非常必要的。通過學術交流，普裡斯特利關于氮氣的發現加深了拉瓦錫對空氣的認識。1774年，拉瓦錫通過金屬氧化的實驗已經證明了部分空氣的確參與了氧化過程，但那時候拉瓦錫甚至還不知道空氣是混合物。這個認知水平與普裡斯特利和舍勒相比並不算先進，因為此時普裡斯特利已經發現了空氣是由氮氣和氧氣組成的，並發表了相關論文，而舍勒甚至已經通過測量得出了氧氣佔空氣大約五分之一的結論。但是，在訪問巴黎期間，

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普裡斯特利將他的一些重要的發現，包括氮氣等等，告知了拉瓦錫。這些新概念極大地促進了拉瓦錫對于化學反應的認識和研究，並為後續他提出氧化理論以及新的化學命名體系提供了重要的線索和證據。 四、深遠影響 氧氣的發現首先從觀念上極大地衝擊了當時人們對于物質世界的認識。以前，人們一直都認為空氣本身便是一種“物質”。而一系列科學實驗明確無誤地顯示空氣主要是由氧氣和空氣按照一定比例組成的混合物。這個事實對于當時人們關于物質概念的衝擊是非常大的，促使人們不禁要更進一步地思索諸如物質的本質是什麼等一大堆哲學和科學問題。另外，上述實驗也衝擊了已有的關于燃燒的理論（即“燃素說”），進一步指出燃燒本質上是燃料與氧進行化合的過程，為拉瓦錫後續提出氧化理論提供了充足的實驗證據。一場化學領域的革命蓄勢待發。 五、後世紀念 舍勒為化學的發展做出了巨大的貢獻，也做出了極大的個人犧牲。據猜測，舍勒的英年早逝極有可能與他長期接觸、嗅聞化學藥品等等有關。關于舍勒的詳細介紹，讀者可以參考《站在巨人肩上:從舍勒談有機化學》一書。1942年，在舍勒誕辰200週年之際，瑞典發行了面值為5歐爾（ore）的郵票以示紀念。 圖三 瑞典斯德哥爾摩的舍勒雕像 圖四 舍勒誕辰200週年紀念郵票台風過境，刮了一夜的風，下了一夜的雨，還沒有停下來。早上起來，看窗外那盆新插的紫薇花，細長枝條垂依在別的花盆縫隙處，花朵掛著雨滴，濕淋淋的依舊綻放，花蕾還掛在花朵下，柔柔弱弱的惹人憐。新插的紫薇花，母株來自老家的庭院。夏日驕陽下，是紫薇花的盛開期，推開門就能看到一簇簇的花球，每根枝條前都頂著金黃色細米粒的花蕊，

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在微風中垂揚搖曳。江南鄉間一小屋，堂前綠色叢中一團火似的豔紅，真是蓬蓽也生輝。久居都市，唯獨這盆栽的紫薇常伴身邊。起初是阿爸在調理，

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常開常盛，煞是喜人，自從由我接手後，總沒有原來的繁茂可言。給予最好的位置最盡心的養護，總有些不如心願，流年不利，漸漸起了洗心革面的決心，要讓其重振輝煌。去年夏末秋初期間，屯出一只較大的泥盆作為其新家，盆泥翻新，底部鋪上欲腐爛的作為肥料，剪老株的粗狀枝條，分段插入，澆足水，上面用暗黑塑料紙遮蔭，冬天不期而至時，用透明塑料袋罩住保暖。那段時候，還不時撩開去看看，澆澆水。春風吹來，看枝條處已經萌發出細細綠芽，該是再換盆的時候了。花與人一樣，不能太擠，

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住房面積大些，日子過得寬敞些，燦爛窗台，爛漫景色，就待花開時節。可能是老盆的枝條被修剪得有點過分，葉子密密匝匝、鬱鬱蔥蔥，就是不見花蕾。老盆裡的花尚未來，新的卻已經悄然而至，雖然稀少，只有二匝，但也按捺不住高興，拍了照片。遠在北京的四叔來話了：老家的紫薇花是純紅的，你這扦技而成的竟然鑲上銀邊了，變異了，應該說更漂亮了，好好培育。果不其然，變異了。原先的純紅，猶如一團火，熱烈、激情，就像是遠方在召喚，永遠是遊子心中激蕩著的一種牽掛。如今，遠離故土，又沒學得阿爸的家傳手藝，純真的鮮紅卻鑲嵌上了銀色的思念，嬌豔、可人。人有時候也是蠻奇怪的，要做一件事，事情做了，卻“變異”出另一個結果。“花解憐人花亦愁，隔簾消息風吹透”，變了，人到了這個年齡，也是這樣變的嗎，變的多了一份淡淡的幽思。風，有時會攪起人一點點冉冉起伏的思緒，而雨，則又引得人多一點點幽幽對先人的思念。江南，

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每年都有一場又一場的台風，每到那個時候，不管我們人在哪裡，都會牽掛東海邊這座小小的院落。枝葉旖旎“晴方好”，庭院氤氳“雨亦奇”。那時候，雨打枝頭，堂前紫薇花瓣灑落一地，留在枝條上的也卷縮著、耷拉下來，有掛在殘損的圍牆上，淋濕後的紫薇花，依然濃鬱、奔放。門外布滿青苔的石板，偶爾會發出“砰砰”的聲響，那是過路人在跳起來摘花了。阿娘（寧波人對祖母的稱呼）急得在屋裡大聲叫喚“不要把我的牆給攀倒了！”，下雨天，陳年的老牆更容易被推倒塌陷。隨即傳來一陣陣年輕人朗朗的笑聲和說話聲，漸漸遠去，窄窄的巷子又恢復了寧靜。窗外的雨水沿著屋簷滴滴的下，大風卷起細嫩的枝條呼呼的吹，屋內阿娘捧著茶壺坐在藤椅上瞅著窗外……朗朗的笑聲也會感染人，隨著年輕人的遠去，屋裡也發出一陣“如釋重負”的笑聲。漂亮的花總是惹人喜愛的，越多人喜愛自己種的花就越有成就感，只是“不要把我的牆給攀倒了”…………泥盆藏乾坤，紫荊有淵源；故鄉由此遠，天涯寄餘生。，