除了拉瓦锡，氧气的发现还和这些人有关

氧，作为地球上含量最多、分布最广的气体之一，是生物生存不可缺少的元素。一个人一天大约就要消耗550升的纯氧，其体积约为0.5立方米。尽管氧气无处不在，但发现它的过程却没有想象中那么简单。

历史上有许多科学家都想对其一探究竟，但有的人与它失之交臂，有的人在错误的道路上越走越远。

氧气，图片来源仪器网86175

火，究竟因何燃烧？

要想说清楚这个问题，我们就先得回到过去，看看前人们是因何接触到了氧气。自古以来，人们就对燃烧现象十分好奇。无论是古希腊的四元素说（水、气、火、土），还是中国古代的五行说（金、木、水、火、土），都体现出人们对世界的无尽探索。

火，图片来源 pixabay

1673年，英国科学家罗伯特·波义尔对几种金属进行煅烧实验。他发现这些金属在烧过之后，重量都有所增加。

波义尔，图片来源wikipedia

据此，他认为，火是一种真真正正存在的，并是由一种叫“火微粒”的元素构成的物质。“火微粒”在燃烧过程中可以进入金属内部，从而增加金属的重量。而这，就是解释燃烧现象的“火微粒说”。

波义尔的煅烧实验，图片来源 MOOC-化学实验

到了18世纪，人们对燃烧又有了新的认识。1702年，德国科学家奥尔格·恩斯特·斯塔尔提出，凡是可以燃烧的物质，其内部都含有一种叫“燃素”的物质，“燃素”即“燃烧的元素”。他还认为，金属在煅烧过程中，燃素便会从中逃逸出来，而剩下的就是金属灰。如果将木炭与金属灰混合加热，金属灰就又能与燃素结合，重新变成金属。施塔尔在解释金属燃烧过程中还提出一个公式：金属-燃素=煅灰。

燃素说在当时可以解释大部分的的化学现象，因此十分流行。燃素说统治了化学界长达百年之久，直到真正发现氧气后才被推翻。

大胆的质疑者——拉瓦锡

尽管燃素说风靡一时，但在它的理论背景下，仍有一个问题没有得到解决：既然金属在煅烧中逃逸出了燃素，按理说质量应该减轻才对，为什么反而还增加了呢？难道说燃素拥有“负能量”，负负得正了？

显然，燃素说暴露出了它的缺陷。到了十八世纪下半叶，定量分析引入到化学研究中，天平被普遍使用在化学实验中。人们想方设法想从金属中提取燃素，但终究没有成功。

燃素真的存在吗？在经历了无数次失败后，有的人开始对“燃素说”进行了反思。法国化学家安东尼·拉瓦锡就是其中的一位。他对此进行了许多有关燃烧的实验。

首先，他对易燃物，如硫磺、磷的燃烧进行观察和测定。他发现，硫磺和磷在燃烧增重的原因是吸收了空气。从而他想到，金属燃烧是否也是同样的道理呢？

拉瓦锡，图片来源wikipedia

1774年，拉瓦锡重新做了波义尔煅烧金属的实验。通过实验他发现，金属灰的增重，就是空气中的一部分与金属结合的结果。这个结论既不同于火微粒说，也不同于燃素说。为了再次证明结论的科学性，拉瓦锡又继续做了一个煅烧金属汞的实验，这就是著名的钟罩实验。

在实验中，他把4盎司的纯汞放在曲颈甑里，甑颈再通到另一个覆在汞中的玻璃钟罩里。然后将曲颈甑加热，加热到第二天的时候，拉瓦锡看到汞面上出现了红色的汞灰。加热到第十二天的时候，汞灰不再增多。拉瓦锡继续加热，直到第二十天才将热源熄灭。待曲颈甑冷却后，他发现，钟罩里的汞面比罩外的汞面高，这说明钟罩里的空气减少了。

拉瓦锡“钟罩实验”模拟图，图片来源MOOC-化学实验

而后，他将红色的汞灰收集起来，放到另一个曲颈甑中继续加热，以收集它所放出的气体。曲颈甑中的汞灰又变成了汞，经测量，汞灰所增加的重量恰好等于它放出气体的重量。这进一步说明了金属变成金属灰质量之所以增加，完全是因为吸收了空气中的某种成分。这个实验判定了波义尔的火微粒说是错误的，同样也是对燃素说的沉重打击。

英雄所见略同——普利斯特列

与此同时，英国有个化学家也在研究这种神奇的气体。他叫做约瑟夫·普利斯特列。1771年，他曾把硝面加热，用水收集产生的气体。他发现，蜡烛的火焰在这种气体中比在空气中更加炙热和明亮。1774年，他受赠获得一份大型的凸透镜，随即他便用它做了一个重要的实验。他将汞灰（氧化汞）放在一个充满水银的玻璃瓶中，又将玻璃瓶倒置在水银槽中。然后用大凸透镜迎着太阳加热汞灰。随着加热的持续，他渐渐地在原玻璃瓶中收集到一种气体。用这种气体点燃蜡烛，火焰显得格外明亮。这时他才意识到，这可能是一种新的气体。

约瑟夫·普利斯特里，图片来源wikipedia

但三个月后，普利斯特列为了陪贵族去欧洲旅行，不得不终止他的实验。在去欧洲的途中，普利斯特里与拉瓦锡一见如故，他将自己的发现分享给了拉瓦锡，这对拉瓦锡后面的研究深有帮助。归国后，普利斯特里继续开展了对这种神奇气体的研究。他将这种气体通过搅拌的水，发现它难溶于水，从而与也能助燃但易溶于水的氧化二氮区分。除此，他还将小白鼠放入盛有这气体的容器内，他发现，这种空气支持呼吸的能力是普通空气的5-6倍。至此，普利斯特里才确认，自己真的发现了一种新的气体。但由于他是燃素说的忠实粉丝，所以对于实验结果他如此描述道：这种气体中因不存在燃素，所以吸收燃素的能力强，能够助燃。据此，他将这种气体命名为“脱燃素”。

白鼠实验，图片来源生物试题

1766年，普利斯特里所著的《几种气体的实验和观察》出版。在这部书里，他首次详细地描述了氧气的各种性质。由于普利斯特里被当时的燃素说所束缚，一直未取得认识上的硕果，但他所发现的氧气，却是使后来化学蓬勃发展的一个重要因素。 

氧气的命名

时间回到1775年，拉瓦锡看到了普利斯特里发表的关于脱燃素空气的论文后，恍然大悟。原来自己发现的竟是一种新的元素。随后，他对这种气体进行深入研究，除了重申普利斯特里的成果外，他还发现很多酸都是由非金属物质与空气中的这种助燃成分结合变成的，为此他把这种气体命名为“酸素”。现在世界上氧元素的通用符号是O，是氧Oxygen的第一个字母，而这个名字正是希腊文Oxygeunao——酸素的意思。

此后，拉瓦锡通过进一步研究，提出大气提及由四分之一的氧和四分之三的氮组成。他宣布，燃烧的过程是可燃物质与氧的化合，不存在“燃素”这种东西。1777年，拉瓦锡提出了一篇报告——《燃烧概论》，说明了燃烧作用的氧化，著名的“氧化理论”由此诞生。

氧气的发现曲折坎坷，若没有当时科学家们不懈的坚持和研究，也许到现在我们都还不知道它的存在。氧气的成功发现，不仅是一次新的探索，更是一次化学理论的更新和革命。

参考文献：

[1] 邹德锋.氧气的发现[J].中国科技信息,2008,{4}(16):32.

[2] 盛根玉.各自独立发现氧气的化学家——普利斯特里和舍勒[J].化学教学,2011,{4}(02):59-62.

审核专家：孙亚飞，清华大学化学博士。