科学是精彩的，也是非常不容易的。从今天的看，水是氢和氧的化合物这么简单的问题，竟然经过无数代历史才被人类认识。另一个角度，作为一个物种的人类在地球上的历史非常短，能说话能有科学的历史更是数百年，这么复杂的水分子结构都被一种猿类动物搞清除了。并随后建立了自然科学体系，甚至都有了量子力学这种纯数学性科学的建立，相对论这种认识宇宙万物的工具。
200多年前的科学家不会想到，他们当时研究很多的氢气，200年后这种气体竟然会成为治疗疾病促进健康的良药。回顾历史让我们感慨精彩，面对现实让我们惊叹神奇，氢是宇宙之主，氢是生命之父，氢气是健康保护神！18世纪50年代，约瑟夫·布莱克在担任格拉斯哥大学解剖学和化学教授时发现，将酸滴在石灰石（即碳酸钙）上时，会释放出一种气体，他将其称为“固定空气”。这种气体的密度比普通的空气大，随着时间的推移会下沉到装有空气的容器底部。它会使蜡烛的火焰熄灭，也会夺去浸入其中的任何一个生物的生命（别问我他是怎么知道的）。这种气体穿过石灰水（氢氧化钙）的时候会生成碳酸钙沉淀。现在我们知道，被布莱克称为“固定空气”的就是二氧化碳。英国化学家约瑟夫·普里斯特利发现，将浓硫酸缓慢地滴到一定量的白垩粉（碳酸钙的另一种形式）上也可以制得二氧化碳。1772年，他又发表了一篇简短的论文，在其中描述了二氧化碳可以溶解到水中，从而产生“碳酸水”。他推测这种碳酸水可能具有药用价值，或许可以在长途航海的过程中帮助船员对抗维生素C缺乏病（在这一点他是错误的），并且，这种人工制成的碳酸水也像天然矿泉水一样有着怡人的口感。出生于德国的钟表制造商、业余科学家约翰·雅各布·施韦佩（Johann Jacob Schweppe）运用普里斯特利的方法开发出了大规模工业生产碳酸水的工艺，并于1783年在日内瓦创立了怡泉汽水公司。普里斯特利之后又对“不同种类的空气”（即不同的气体）进行了许多观察和实验，并且在1774年至1786年间陆续结集出版了多达六卷的著作。这些气体中包括“亚硝空气”（一氧化氮）、“减缩的亚硝空气”（一氧化二氮）、“海酸空气”（氯化氢）、“硫酸空气”（二氧化硫）以及“碱性空气”（氨）。不过在科学史上真正引起轰动的还是他对“脱燃素空气”的研究。根据当时流行的燃烧理论，所有的可燃材料都被认为含有燃素，当这些材料在空气中燃烧时就会释放出燃素。这一理论是由德国炼金术士约翰·约阿希姆·贝歇尔（Johann Joachim Becher）于1667年提出的，“燃素”（phlogiston）一词源于希腊语，意为燃烧。而当普里斯特利用透镜将阳光聚集在经过煅烧的汞（即氧化汞）样品上时，他得到了一种“能让蜡烛燃烧起异常旺盛的火焰”的气体。[插图]尽管还不知道这种新气体是什么，但是它似乎能促使燃素更强烈地释放出来，这也就意味着它比普通的空气更缺乏燃素。普里斯特利称之为“脱燃素空气”。与普里斯特利同时代的法国人安托万–洛朗·德·拉瓦锡对燃素的存在持反对意见。拉瓦锡所采用的实验方法与他的化学家同行们所采用的描述性的，即定性的方法有所不同，他将定量测定和分析等更符合机械哲学家传统的方式引入了化学研究中。具体来说，拉瓦锡费尽心思地精确称量了化学反应前后反应物和生成物的质量，而对于涉及气体的反应来说，这就意味着要使用密封的玻璃容器，以便于将实验过程中的气体全部固定在实验器具中，保证测量结果的精确性。在1772年的一些有关磷和硫的燃烧实验中，他观察到这些物质在燃烧之后变重了。但是如果物质在燃烧时会释放燃素的话，它们怎么反而在燃烧之后变重了呢？拉瓦锡似乎是在普里斯特利于1774年10月访问巴黎期间直接从他本人口中得知“脱燃素空气”的。他重复了普里斯特利的实验，并且还扩展了更多的内容。几年之后，拉瓦锡出版了一本回忆录，在回忆录中他提到，燃烧与燃素的释放无关，而是可燃材料与“上等纯空气”的化学反应，“上等纯空气”则是普通空气中的一部分。他将其称为氧气。因此，燃烧是一种涉及化学物质氧化的过程，这一过程可能自发地发生，也有可能在热和光的辅助下发生。1784年，拉瓦锡证明，氧气可以与“易燃空气”（他称之为氢气）反应生成水，从而明确地证明，至少自柏拉图的《蒂迈欧篇》以来一直被视为“元素”之一的水，实际上是氢气和氧气的化合物。1789年，拉瓦锡出版了《化学基础论》，这被广泛认为是第一本关于“现代”化学的教科书。书中有一个包含多种化学元素的清单，其中有氢、氮、氧、磷、硫、锌和汞，它们被分为“金属”和“非金属”。这个清单中还包括了光和热，在当时它们仍被认为是独特的元素。可惜拉瓦锡的人生并没有收获一场圆满的大结局。他是一位有权有势的贵族，也是包税组织的管理人员，这一机构本质上是一家私营的海关和消费税包征部门，负责代表皇家政府收税。另外，他在燃烧现象上的研究让他得到了火药委员会的任命，并且在皇家兵工厂得到了一所房子和一间实验室。但是1789年，法国大革命爆发，这极大地改变了政治秩序，随着4年后马克西米利安·罗伯斯庇尔的强势崛起，恐怖统治[插图]开始。革命者极为痛恨包税组织，并于1793年颁布了逮捕所有前税务官的法令。1794年5月，拉瓦锡被送上断头台。在死刑执行18个月之后，他才被宣告无罪。拉瓦锡精心设计的实验让他确立起了一个重要的原则：在化学转化的过程中，质量（以重量来衡量）保持不变，既不会减少也不会增加。化学反应的生成物的总质量与反应物的总质量相等。另外，即使化学元素在某个反应后被合成到了不同种类的化合物中，其特性一定也是保持不变的。这很有力地证明了，质量或者说重量的性质可以在单个化学元素上得到体现。1803年10月，英国化学家约翰·道尔顿在曼彻斯特文学与哲学学会的一次会议上宣读了一篇论文。在这篇论文中，道尔顿提出自己已经开始研究“组成物体的终极粒子”的相对重量，并且已经取得了显著的成功。[插图]道尔顿的灵感似乎来自牛顿原子论的某些观点，但是我们要注意把道尔顿的“终极粒子”，即化学原子（也就是化学元素的原子）与玻意耳和牛顿的物理原子区分开来。正如我之前所说，化学原子具有化学性质，而所有机械哲学家的原子论都从未提到过化学性质。道尔顿在相对重量的研究方面的集大成之作是1808年出版的《化学哲学的新体系》。这部著作的主要内容是扩展到包含20个元素的原子量表，其中包括碳、钠、钾、铜、铅、银、铂、金等。这张表格中还有一些“复合原子”（为了避免混淆，我在之后的讲述中会称之为分子），它们是由2个到7个化学原子按照整数比例组合而成。道尔顿还设计了一套复杂的符号用于代表化学原子，例如⊙代表氢，◯代表氧，而⊙◯则用于代表他认为由一个氢原子和一个氧原子结合而成的水分子。道尔顿把研究重点放在相对重量上。与他同时代的法国科学家约瑟夫·路易斯·盖–吕萨克也观察到了气体结合时的整数倍规律。例如，他发现两个单位体积的氢气会与一个单位体积的氧气结合，产生两个单位体积的水蒸气，但这根本不符合道尔顿的配方。如果写下这样的化学方程式：2⊙+1◯=2⊙◯，我们很容易就会发现，这个方程式的两边并不“平衡”，左边的氧原子数量不够。然而道尔顿却无视了盖–吕萨克的观点。意大利科学家阿马德奥·阿伏伽德罗在盖–吕萨克的工作的基础上，将自己的观察结果整理成了一个假设（有时也被称为阿伏伽德罗定律），并于1811年发表：同温同压下，相同体积的任何气体含有的原子或分子数相同。[插图]但是问题仍然存在。阿伏伽德罗指出，氢气和氧气的结合比例为2∶1（而不是道尔顿设想的1∶1），但它们结合产生了两个单位的水蒸气，难道一份水蒸气里含有半个氧原子吗？很少有人注意到这一问题，而那些注意到这一点的人则开始对阿伏伽德罗假设产生怀疑。几年后，瑞典内科医生兼化学家约恩斯·雅各布·贝尔塞柳斯改进并扩展了道尔顿的原子量体系，并且引入了一种我们直到今天还在使用的化学符号，只有一处小小的修改。贝尔塞柳斯建议使用简单的字母来取代道尔顿奇形怪状的符号，他用H表示氢，用O表示氧，由这两种元素以2∶1的比例组成的水则被写成H2O，而今天我们将其写作H2O。贝尔塞柳斯提出，阿伏伽德罗假说只适用于原子，而不适用于分子，这样一来就能回避有关水分子的问题了。科学就是这样动作的。我们仔细研究科学史就可以得知，科学发现几乎不可能是“干净利落”的——一个科学家或是一小撮合作者独立研究就能直接得出“真相”，这种事情很少发生。相反，哪怕只是想要对真相轻轻一瞥，也往往需要穿透一层遮天蔽日的迷雾。掌握一部分真相的科学家常常会与掌握另一部分真相的科学家进行激烈的争论，而只有双方搁置争议，不再固执己见，建立起群策群力的秩序，才能将迷雾驱散，使科学取得进步。一些历史学家认为意大利化学家斯塔尼斯劳·坎尼扎罗澄清了这一疑问。毋庸置疑，他于1858年出版的《化学哲学教程提要》（后文简称《提要》）一书清楚地阐释了很多问题。当时，坎尼扎罗是热那亚大学的化学教授，研究过化学所有的新兴分支学科：物理化学、无机化学和有机化学。他最为令人熟知的发现是坎尼扎罗反应，在这一反应中，一种被称为醛的有机化合物被分解为醇和羧酸。在《提要》中，坎尼扎罗综合考察了与气体密度、比热容（物体吸收和存储热量的能力），以及飞速发展的有机化学相关的所有研究的信息，特别是用于阐述化学反应的化学方程式。他把所有的这些信息整合了起来，推断出一组具有一致性的原子量和分子量。不过首先，坎尼扎罗必须证明，阿伏伽德罗假设只有在我们承认原子和分子之间存在差异的情况下才能成立，他说：比较一下包含在自由物质分子中的元素数量，以及这种元素在各种不同化合物中的数量，你就不得不承认以下这条规律：在不同的分子中，同种元素的量不同，这些不同的量都是某一单位量的整数倍，而这种单位量无法再分，因此理应把它们称为原子。[插图]由盖–吕萨克对于氢气和氧气结合比例的测量引发的谜团现在已经解开了。坎尼扎罗发现，如果把氯化氢（HCl）中氢元素的相对重量设定为1，氢气中氢元素的相对重量就是2，因此氢气是由分子组成的，而不是原子：“每个自由氢气分子中含有两个氢原子”。[插图]同样地，如果把水（H2O）中氧元素的相对重量设为16，那么“氧气中的氧元素相对重量是这个数值的两倍”。[插图]显然，氢气和氧气都是双原子气体，我们可以把它们分别写成H2和O2，它们结合的方程式为2H2+O2=2H2O。这个方程式的两边终于平衡了——2个氢气分子中的4个氢原子和1个氧气分子中的2个氧原子结合，得到2个水分子。
