燃素理論

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燃素理論 (phlogiston theory) 是十八世紀非常盛行的科學理論。當時的科學家普遍接受燃素 (phlogiston) 存在,以解釋大自然林林總總的現象。若果要從歷史追究,燃素理論大抵可說是源流於中世紀的煉金術,而煉金術的基本想法又源於公元前四世紀的亞里斯多德形上學,特別是四元素說。煉黃金的煉金術源於四元素說。根據四元素說,萬事萬物皆由四種基本元素組成,因此鉛和黃金同樣由四元素組成。由於鉛和黃金都是笨重,同樣是可鍛造的固體,而且同樣有著低熔點,它們最重大的差異僅在於黃金擁有黃和亮白兩種顏色。因此,煉金術師猜測,當火裡面的黃色和亮白色──或許要再配合硫磺和水銀──混到鉛裡,便會有黃金出現。這種猜測導致中世紀大規模的煉金潮出現。因此,有人稱燃素理論為「煉金燃素論」 (alchemo-phlogiston theory) ,並以亞里斯多德的四元素說解釋煉金術的基本原則。

十七世紀中後葉由 Johann J. Bechar 提出燃素理論後,在 Georg Ernst Stahl 的鼓吹和發展下,燃素理論成為十八世紀科學領域中的顯學。在本質上,燃素理論是種燃燒理論 (theory of combustion) ,是對燃燒現象的解釋。燃素理論主張世界上有種物質叫做「燃素」,燃素的純粹形式 (pure form) 是火元素,也就是說,燃素就是火元素本身。用哲學的術語講,燃素是種實體 (substance)。配搭亞里斯多德的四元素說,燃素理論的解釋力足以涵蓋當時三種重要現象:

1. 燃燒現象
例子:木炭燃燒時出現灰燼、水蒸氣和火。
解釋:木炭由土元素、水元素和大量燃素組成。在燃燒時,燃素離開木炭成為火元素(即火焰),水元素離開成為水蒸氣,只剩下土元素(即灰燼)。
成分:木炭  $⇨$  灰燼 + 水蒸氣 + 火

2. 鎔煉現象
例子:金屬礦石加熱並混入木炭後,開始燒燃,最後出現各式各樣的金屬。
解釋:木炭是土、水和燃素的混合物,但金屬礦金只有土元素。當木炭和金屬礦石混合時,木炭中的燃素會轉移到礦石上。燃素的光亮能提供光澤,正是因為金屬具有燃素,它才會有光澤。
成分:金屬礦石 + 木炭  $⇨$  金屬 + 灰燼 + 水蒸氣 + 火

3. 生鏽現象
例子:鐵生銹時會變成一種紅褐色的粉粒。
解釋:生銹是種緩慢的燃燒,在燃燒過程中,燃素逐漸離開金屬,只遺留下土元素,即是鐵鏽的粉粒。
成分:金屬 $⇨$  鐵鏽 + 燃素

十八世紀的科學家 Antoine Lavoisier 反對燃素理論。他認為,燃燒不是由於有物質(實體)離開物件所致,相反,物質進入物件才是引發燃燒現象的原因( Lavoisier 叫那樣物質 “pure air” ,亦即是後來的「氧氣」)。 Lavoisier 在十八世紀末做了一項燒水銀實驗,並以此反駁燃素理論。實驗原理很簡單:先測量水銀的重量,再把水銀放到充滿空氣的地方讓它燃燒,燃燒過後測量燒水銀殘留的金屬灰的重量,最後與先前的水銀重量作比較。 Lavoisier 在實驗發現,燃燒後的金屬灰比燃燒前的水銀還要重!如果燃燒是燃素離開的過程,為何在燃素離開後物件反而會變得更重? Lavoisier 因此更加相信,物件的燃燒是某些物質混入物件的過程,使得物件的重量上昇。

燃素理論家當然不會這麼容易舉手投降。當時他們對燒水銀實驗有好幾種正面回應。比較有名,也是比較有趣的回應是:燃素具有負重量,因此,隨著燃素離開,物件的重量便上昇。這個回應抵觸科學家在十九世紀普遍接受的牛頓力學,使燃素理論更難為當時的科學家所接受。另一個較正常的回應是:物件燃燒除了有燃素離開,同時也會有其他物質進入物件之中,引致燒淨的金屬灰重量上昇。後一個回應雖然未算牽強,但亦在後來的科學發展中遭到淘汰。



參考文獻
Edwin H.-C. Hung (1997). The Nature of Science: Problems and Perspectives. Wadsworth publishing company.

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