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本科生科研指南(62):气体定律之燃素说的兴起 精选

已有 2545 次阅读 2020-9-18 08:00 |个人分类:本科科研|系统分类:教学心得| 本科生, 科研, 创新思维

 

本科生科研指南(62):气体定律之燃素说的兴起

 

张宇宁

华北电力大学(北京)

 

人生最大的快乐不在于占有什么,而在于追求什么的过程中。

---诺贝尔(Alfred Bernhard Nobel,1833-1896)

 

在气体及其相关定律的认识过程中,因影响广泛,“燃素说”在很长的一段时间里均受到了众多学者们的拥护和认可。后来,随着科学技术的不断进步,“燃素说”很遗憾地被证明是错误的。从批判性思维训练的视角出发,结合“燃素说”所处的的时代背景、认知水平及该理论的核心观点,笔者拟在本期围绕该学说的形成过程和存在的问题进行一番探讨,以期提升同学们的科学素质和对科学本身的认识。

 

一、科学问题

 

自古以来,燃烧与火是人们司空见惯的现象。从生活中,人们很容易注意到燃烧完后的木柴化为了灰烬,而灰烬则很难再被点燃。在燃烧过程中,人们自然好奇,到底该过程发生了哪些转变和变化导致了这样的结果。一直以来,人们对于气体的认识非常有限。直到赫尔蒙特,人们才知道世界上不止存在空气一种气体。而对于燃烧过程的认识,其所经历的过程则更为漫长。

从科学上讲,与燃烧和气体有关的诸多科学问题亟待解决:燃烧的本质是什么?空气在燃烧过程中扮演了怎样的角色?为何部分物质燃烧后变轻而另一部分物质则会变重?

 

二、燃素说的形成

 

燃素说”是科学史一个著名的、已经被证明是错误的理论。“燃素说”的形成最早源自于人们对于生活中燃烧现象的观察。当部分物质被点燃之后,其留下的灰烬通常情况下因为燃烧会显著地变轻,这个事实引导人们猜测某种物质在燃烧的过程中逃逸出来了,这种物质后续被学者命名为“燃素

关于后续广为流传的“燃素说”,有据可查的出处是来自于贝歇尔和他的学生斯塔尔。1669年,贝歇尔出版了《地下物理学》一书,提出了将物质分为三种土元素(即玻璃状土、油状土、流质土),并认为在燃烧的过程中“油状土”会逃逸出去。上述观点被贝歇尔的学生斯塔尔所继承,并将“油状土”用“燃素”(Phlogiston,来自希腊文,意思是使得火可以开始)替代,后续迅速地在科学界广为流传,持续而深刻地影响了大批的学者及相关的领域的科学研究工作

 

三、燃素说的核心观点

 

“燃素说”的若干核心观点列举如下。

首先,“燃素说”认为燃烧是一种物理上的分解过程,而不是我们现在所熟知的化学过程。在燃烧过程中,“燃素说”认为物质中的“燃素”会逃逸出来,与其他可燃烧的部分进行了物理上的脱离。例如,纸张被点燃后,“燃素”便会逃离出来,因此留下的灰烬无法再进行燃烧。依据上述说法,用“燃素说”来解释部分物质的燃烧过程貌似有一定的道理,这也是“燃素说”之所以被广泛认可的原因之一。

其次,“燃素说”认为空气在燃烧过程中的主要作用是将“燃素”带走。通过持续不断地实践和观察,即使在17世纪,人们已经认识到了空气对于大部分燃烧过程的重要性,但对于空气的实质性作用及具体过程尚知之甚少。“燃素说”也尝试解释空气在燃烧过程中的作用,认为空气的作用是物理上的,主要是把“燃素”带走。

最后,为了解释部分现象,“燃素说”在其发展过程中又进一步引入了“负重量”的概念。对于一部分物质的燃烧过程,燃烧后的物质质量会变轻,这可以按照“燃素说”解释为“燃素”的脱离。但是,又有另一部分物质在燃烧之后,物质的质量却会变重(例如,金属加热氧化的过程)。这种情形却很难用“燃素说”中的“燃素”分离过程进行解释。于是,部分学者引入了所谓“负重量的概念对此予以解释。此时,“燃素说”理论已经有些牵强附会了,摇摇欲坠。

总之,“燃素说”通过定义“燃素”这一较为模糊的概念尝试对各类燃烧等化学反应进行理论上的解释。遗憾的是,只要稍微具备中学化学知识,同学们便会发现“燃素说”给出的解释和论断是不科学的、错误的。

 

四、给本科生的建议

 

对于科学史的了解有助于本科生理解创新的精髓。通过对化学学科发展中的若干片段的阅读和思考,我们便可以极大地加深对于气体本质和相关定律的理解和认识。

“燃素说”的提出及其被广泛地受到认可具有较为鲜明的时代特征。基于人们长期对于燃烧现象的好奇与思考,迫切需要对这些现象给出理论上的合理解释。“燃素说”很好地适应了这种需求,尝试了从一个理论框架下对各种化学反应进行解释,这是其被学者们认可的核心原因之一。

另外,以当时的科技水平,相关理论的实验检验很难开展。因此新的理论很难对“燃素说”形成冲击。这些原因使得“燃素说”在很长的一段时间里占据了主流的位置。

 




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