对于一门学科历史的学习与探索有助于从人类认识和发展该学科的视角理解此学科。回归到发现与探索的语境有助于理解学科成就的推演逻辑与本质。本期公众号将聚焦于18世纪末的化学革命。通过回归化学发展的语境展现出现代化学的起点与内在的学科逻辑。
在18世纪后半叶的化学革命发生以前，为了研究燃烧现象，科学家对空气进行了相关研究，但对其理解极为有限。科学家知道空气有重量，以此可以用来解释大气压强。同时还知道空气是燃烧与呼吸的必要条件，但对于空气的成分并无太多了解，只知道空气中有多种物质，一些可以支持呼吸和燃烧，另一些不可以，如少量二氧化碳与水蒸气。
（斯塔尔）
为了解释燃烧现象，18世纪初的化学家斯塔尔 (Stahl) 发展了燃素学说 (Phlogiston Theory)，并逐渐成为那个时代解释燃烧现象最为完备的理论。最常见的燃烧现象是点燃某一可燃物体后，在开放体系中燃烧一段时间后停止燃烧或在密闭容器中燃烧一段时间后停止燃烧。燃素学说认为所有易燃的物体中都包含燃素，燃素的多少与易于燃烧的程度有关。燃烧的剧烈程度与燃素逸出的量相关。燃烧过程中物体中的燃素会逸出到空气中，空气中的燃素若饱和或物体中燃素全部逸出，则燃烧现象停止。
这一理论能解释常见的燃烧与熄灭。金属燃烧后遗留下灰渣，现代研究者知道这是金属氧化物，但在燃素学说的体系下，金属是灰渣 (Calx) 与燃素的化合物，燃烧过程中燃素逸出到空气中，遗留下灰渣。英国科学家普利斯特列 (Joseph Priestly) 是燃素学说的支持者。他将可供物质燃烧的空气定义为脱燃素空气(Dephlogisticated air)，定义无法供物体燃烧的空气为含燃素空气 (Phlogisticated air)。脱燃素的空气可供物质中的燃素逸出到空气中并发生燃烧现象。
燃素学说被那个时代的众多科学家所接受，可以认为形成了一个围绕此学说的范式。看似完备的燃素理论在某些科学家的观察下暴露出了众多缺陷，出现了某些反常现象。如燃烧前后的质量问题。某些科学家观察到燃烧后的灰渣的质量大于燃烧前的金属。但根据燃素学说，燃烧过程是燃素逸出到空气中的过程，则为何燃烧后的产物质量增加？有的科学家希望通过对于范式进行微调解决反常现象，使常规科学的工作持续下去。一种说法是燃素的质量为负，因此逸出后产物质量增加。还有一种解释是燃烧中热素 (当时还没有能量的概念) 与物质结合使产物质量增加。
越来越多的科学家希望对燃素理论进行完善，其中有三位化学家在这一时期对空气研究有重要贡献：
瑞典化学家舍勒 (Carl Wilhelm Sheele) 通过实验证明空气可分为可支持燃烧的成分与不可支持燃烧的成分。舍勒把它们命名为火空气与浊空气，前者占空气的三分之一到四分之一 (实验操作与仪器精度有限)。舍勒在加热浓硝酸和研究二氧化锰的时候发现了一种可以使燃烧更加剧烈的气体，因此命名为火空气。舍勒是燃素学说的支持者，因此未能进一步对火空气进行解释。
（舍勒）
英国化学家普利斯特列（J.Joseph Priestley）把空气分为不支持燃烧的含燃素空气 (氧气浓度较低的空气) 与支持燃烧的脱燃素空气 (氧气浓度较高的空气)。他对氧化汞进行加热，描述产生的气体会使燃烧更剧烈，使呼吸更畅快。由于他也是燃素学说的支持者，因此认为这种气体就是脱燃素空气。与燃素学说紧密挂钩的范式体系不太强调质量的测量，因此两位科学家都不太重视对于质量的检测。
（普利斯特列）
同一时期的法国科学家拉瓦锡 (Antoine-Laurent de Lavoisier) 与此相反。他拥有良好的数学与物理基础，希望通过精确的测量来诠释化学。他使用众多精确的实验与测量仪器，对燃烧现象进行了精确的观察与测量。导致燃素学说危机的因素有气体化学的兴起与对重量问题的关注。1772年拉瓦锡发表的关于燃烧的论文指出燃烧后产物质量增加的现象不仅限于金属。硫，磷等非金属燃烧后产物的质量也会增加，虽然产物是散失在空气中的气体或粉末，质量增加是燃烧中的普遍现象。同时若认为燃素质量为负，则与在密闭空气中燃烧碳后产生的气体使密闭容器密度增加的现象相违背，因此拉瓦锡认为负质量的解释无法解决质量变化现象所造成的反常。
拉瓦锡因此对燃素学说产生了动摇，开始着手构建新的理论来解释与燃烧相关的一切现象。拉瓦锡认为燃烧后产物增加的质量源自空气中的一种成分，在燃烧时与物质化合。拉瓦锡并不太清楚这种被化合的气体是什么。然而在1774年普利斯特列在与拉瓦锡的一次交谈中提到了自己通过加热氧化汞得到一种使燃烧更剧烈的气体。得到启发后的拉瓦锡重复了此实验，并完成了反向实验。拉瓦锡将这种气体命名为氧气，意味“成酸的元素”(Oxygen)。因为根据他的观察，非金属与这种气体化合后通入水中会产生酸，因此他认为所有酸都含有氧元素。
（拉瓦锡）
拉瓦锡在科学史上的作用是用数学和物理方法为手段，在牢固的数理基础上建立崭新的化学，因此被称为“定量化学之父”。燃烧氧化理论为日后明确定义元素，化合物，混合物等概念奠定了基础，也进一步使得定比定律，倍比定律，道尔顿的原子论等一系列理论得以提出。燃烧氧化理论成为了现代化学范式的根基。燃烧氧化理论构建的理论体系在日后也有一些微调，如盐酸中氯元素的发现改变了拉瓦锡过去对于酸的理解。燃烧学说虽然能够很好地解释燃素学说无法解释的反常现象，但仍然经历了非常漫长的过程才得到大多数科学家的认可。像凯文第旭，普利斯特列和舍勒等科学家始终站在燃素学说的一边，然而最终化学学科的范式还是从燃素学说转变为了燃烧氧化学说。
（拉瓦锡加热氧化汞）
对于化学革命的评价非常的多元。有些人认为拉瓦锡是进步的代表，而众多支持燃素学说的科学家是保守落后的代表。我不太支持使用过于辉格的视角看待人类科学的发展。不能将科学的发展简单地理解为线性进步，从原始的愚昧不断进步并获得对于世界的开明认知。托马斯·库恩在《科学革命的结构》中使用范式理论来解释化学革命。其实正是库恩对于化学革命等科学史案例的研究促使它形成了自己的范式理论。
从燃素理论到拉瓦锡的氧化燃烧理论，库恩认为这是化学学科中发生的一大范式转变，使化学家的世界观发生了改变，拉瓦锡前与拉瓦锡后的科学家在不同的世界中工作。普利斯特利是保守的而拉瓦锡是进步的评价在库恩的理论中是不存在的，两者仅仅是在不同的世界中工作，在不同范式的基础上进行研究。库恩的范式理论打破了科学线性进步的观点。库恩认为普利斯特列等不接受燃烧理论的科学家的行为正是科学工作内在性质的一种体现。没有对范式的绝对信心，常规科学工作是无法开展的。
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