“20天实验”为何能成为化学史上的经典

耿雁冰

著名的“20天实验”是法国化学家拉瓦锡与妻子共同完成的一项经典实验，在众多的化学启蒙读物以及九年级化学教材中均有介绍。美国期刊Chemical&EngineeringNews曾邀请化学家与历史学家共同票选出最美丽的十大化学实验，此实验高票当选。

化学史上的经典实验何其多，为什么“20天实验”能被选入教材？它的经典，到底体现在什么地方呢？

“20天实验”做了啥

1774年11月的一天，拉瓦锡夫妇在一个曲颈甑内装了水银，瓶颈通过一个水银槽与外面的一个钟形玻璃罩相通，玻璃罩内是空气。拉瓦锡夫妇日夜不停地给曲颈瓶加热，水银表面上很快就出现了红色的粉末，随着加热，红色粉末越来越多。到了第12天，红色粉末不再增多了，但他们继续加热，一直到第20天，红色粉末仍不增多，才结束了实验。

由于实验进行了20天，这个马拉松式的漫长实验就成为化学史上著名的“20天实验”。利用这一实验，拉瓦锡解开了空气组成之谜，也解释了燃烧的本质。

为何会被选入教材

这个实验之所以被选入教材，不仅因为空气是化学启蒙阶段必不可少的重要化学物质体系，也不仅因为空气的组成已经成为人们普遍具有的基本常识，更因为这个实验充分体现了化学学科的特点，在化学研究的思想与方法上具有丰富的内涵。

第一，反应物的选择。为什么选择汞（水银）来做这个实验？因为空气是一个由多种气体组成的混合物，要测定其中氧气的体积分数，最佳选择应当是挑选出一种只和氧气起反应的化学物质，并且反应产物容易分离。可以和氧气直接作用的物质有很多，那时候的化学家已经知道能与氧气（当时不叫氧气）反应的有磷、硫等多种物质，现在中学化学涉及的也有很多，如大多数金属、氢气、磷和硫等非金属以及许多有机物。但是，只和氧气反应而且产物不溶或部分溶解的可选对象并不多。拉瓦锡所选用的汞，应是上上之选。首先，汞在常温下呈液态，所以除了用作反应物，还可以通过连通器直接用于测量反应器（曲颈甑）内空间体积的变化；其次，汞的沸点为356.72℃，在持续加热下，汞源源不断地汽化，大量的汞原子和空气中的氧分子得以充分反应，可以将容器内的氧气完全反应掉；最后，反应生成的氧化汞在这个温度下呈固态，且不溶于汞。氧化汞的密度为11.14g/cm3，汞的密度为13.59g/cm3，氧化汞的密度低于液态汞，所以浮在汞的液面上，很容易分离。氧化汞在500℃左右可以分解，同一曲颈甑即可完成它的分解，使分解后得到的气体产物回到留有剩余气体的空间后，可以发现原来减少的气体是否和汞结合在氧化汞中了。

第二，方法的选择。我们可以把整个实验过程简化为化合、分解、“还原”，即汞和空气中的氧气化合，氧化汞又分解产生了氧气，将分解产生的氧气与化合后剩下的氮气混合“还原”为“原来”的空气。拉瓦锡证明了“还原”后的气体，其性质和原来放置在曲颈甑中的空气完全相同。从中可以看出这个实验设计的完美，空气试样的“还原”是对汞的氧化源于它和空气中氧气间的反应的结论，几乎无懈可击。这一方法对后来研究水的组成不无启示：10年之后，卡文迪许用氢气与氧气化合生成水；再后来，尼克尔森电解水，得到氢气与氧气。这些化学实验让科学家认识到水不是一种元素。

入选教材后又为何做了改动

考虑到反应时间、环保等实际问题（汞有毒），实验入选教材后，又做了部分改动。这个改动蕴含了一个很重要的化学研究方法——转化法。

如左图所示，左侧集气瓶中的氧气与点燃的红磷会发生反应，但是肉眼无法看出空气体积的减少。此时，就需要将不明显的反应现象转化为其他明显的现象来观察。在此实验中，集气瓶中由于氧气减少而造成瓶内压强减小，右侧烧杯中的水就会进入集气瓶中，约占集气瓶体积的1/5，同学们可以通过进入瓶中的水的体积知道减少的气体的体积。

转化法是化学实验中常用的方法，在很多实验中都可以应用。例如，酸碱溶液中和反应现象不明显，我们可以通过指示剂的变色来判断反应是否发生。

实验给我们带来哪些启示

1773年，瑞典化学家舍勒在加热氧化汞和其他含氧酸盐的时候，意外发现了一种能够支持燃烧的气体，他把这种气体命名为“火气”，并给拉瓦锡写信（据说拉瓦锡夫人像漏斗一样把消息滤掉了）。之后，舍勒写出《论空气和火的化学》一书。但由于出版商的延误，此书在1777年才出版。1774年，英国化学家普利斯特里用一个大凸透镜将太阳光聚焦后加热氧化汞，制得纯氧，发现它能助燃和帮助呼吸，于是称之为“脱燃素空气”，并写入《论各种不同的气体》一书发表。在访问欧洲大陆时，普利斯特里在宴会上把这一发现告诉了拉瓦锡。随后，拉瓦锡经过多次实验，确认氧是一种元素。他提出了燃烧的氧化学说，发表《燃烧概论》，推翻了燃素说，发起了化学史上一次著名的革命。

由此看出，科学的进步并不是仅仅依靠个别人就可以完全实现的，伟大的科学家牛顿说：“如果说我比别人看得更远些，那是因为我站在了巨人的肩上。”这句话很好地诠释了科学的伟大发现首先在于一代又一代科学家的努力与传承，在此基础上才可能实现发展与超越。

关于三人中谁最先发现了氧气，历来众说纷纭，莫衷一是。如果仅从制备氧气这一角度而言，舍勒无疑是第一名，尽管著作发表得比较晚，但这一事实是公认的。然而，发现仅仅是开创的第一步，“见微”固然重要，更重要的还是“知著”。

在生物学上，拉马克很早就提出了生物进化学说，作出“有机界是自然规律作用下缓慢演变的结果”的精辟论断，然而他被“活力论”局限住了，停留在“用进废退”的观点上；达尔文则因提出自然选择的正确解释，成为进化论的奠基人。无独有偶，物理学家洛伦兹根据迈克尔逊-莫雷实验得出的光速不变结果，建立了超越伽利略变换的洛伦兹变换，这距离发现狭义相对论已经近在咫尺，但他依然没有胆量质疑牛顿，而与相对论失之交臂；爱因斯坦则提出相对性原理，开创了物理学的新纪元。可见，“见微”仅仅是注意到了表象，“知著”则是对本质的正确把握。

拉马克的进化论具有主观唯心色彩，洛伦兹拘囿于经典力学不敢突破，舍勒和普利斯特里则是将他们的发现置于燃素说的框架内，“当真理碰到鼻尖上的时候，还是没有得到真理”。因此，恩格斯说“拉瓦锡是真正发现氧气的人”是有道理的。恩格斯在《资本论》第二卷的《序言》中，很中肯地评价了这一段化学史：“当时在巴黎的普利斯特里……把他的发现告诉了拉瓦锡，拉瓦锡就根据这个新事实研究了整个燃素说化学，方才发现：这种新气体是一种新的化学元素；在燃烧的时候，并不是神秘的燃素从燃烧物体中分离出来，而是这种新元素与燃烧物体化合。这样，他才使过去在燃素说形式上倒立着的全部化学正立过來了。即使不是像拉瓦锡后来硬说的那样，他与其他两人（普利斯特里和舍勒）同时和不依赖他们而析出了氧气，然而真正发现氧气的还是他，而不是那两个人，因为他们只是析出了氧气，但甚至不知道自己所析出的是什么。”

由此可见，对于一名科学家来说，敢于质疑、勇于创新是多么重要的科学精神！