水真的是H₂O吗？从元素到化合物的科学史

作者：何塞·路易斯·格拉纳多斯·马特奥是巴斯克大学哲学系（EHU）的博士后研究员，同时也是科学历史与哲学综合研究组（iHPS）的成员。他的研究重点是科学史与哲学、科学与价值观，以及科学实践的认识论。

拿一杯水。它似乎没有任何东西需要理论。它没有值得命名的颜色，没有戏剧性的气味，没有可见的建筑。它流动、冻结、沸腾、蒸发、溶解、侵蚀、循环和滋养。它属于天气、地质、生理、烹饪和管道，而非化学。

科学给了我们著名的缩写：H₂O.

这三个符号中有一种奇特的终结感。它们似乎做了普通经验无法做到的事。雨水、蒸汽、冰、河流、血液和实验室洗澡瓶都被归为一种干净的化学声明。两个氢原子，一个氧原子。对许多人来说，H₂O不仅仅是一个公式。它几乎是科学知识的象征，科学揭示事物的真实面貌。

然而，这个公式却在一个漫长的故事中屹立不倒。在水能写成H₂O之前，它必须获得化学内部。化学家首先必须学会将世界上最熟悉的液体视为可以拆解、重组并分配成分的东西。第一次转化不是从一个配方到另一个。而是从元素到化合物。

这是张夏素的起点水是氢气吗？这本书对水的贡献接近发明温度温度测量的答案是。温度现在看起来像是一个等待从刻度上读取的数字。张证明了刻度必须赢得这种简单外观。固定点必须稳定，仪器需要比较，外推必须有根据。测量只有在首次被构建为可靠实践后才成为常规。

水带来了另一种难题。问题不在于如何用数字给出现象答案，而是如何用分析方式给出熟悉的物质答案。化学家必须学会把水看作不仅仅是流动、冻结、煮沸、溶解、冷凝或可以净化的东西。他们必须问水是否有内部：它是否可以被拆解、重新制造，并通过其成分来理解。

对我们来说，这个问题几乎是不可避免的。而在十八世纪，情况却完全不同。

水没有分部分的时候

在欧洲自然哲学的大部分观点中，水是一个元素。这个说法听起来幼稚，但那只是因为我们通过后来取代它的范畴听到它。

这一思想比亚里士多德还要古老。泰勒斯曾设想水是万物的起源;恩培多克勒斯后来将其列为世界四大基本“根”之一，与土、空气和火并列。亚里士多德赋予了这一继承的体系更系统的形式。但这些并非现代化学意义上的元素。没有人用原子序数、核电荷或分子结构来分类它们。它们属于一种性质和变换、热与冷、湿与干的物理学。水之所以简单，是因为在那个世界里，它在自然变化的秩序中占据了基本位置。

到了十八世纪，这套旧语法被大幅改写。化学领域充斥着酸、碱、沉淀、金属钙、蒸馏物和新分离的“空气”。水无处不在。它作为溶剂、介质、试剂、产物和实验环境。它可以被纯化、冷冻、煮沸、冷凝和回收。

不过，这些都不意味着它自动合成。一种物质可以是实验上熟悉的，但仍然没有公认的化学成分。

难点很容易被忽略，因为我们已经会说解决它的语言。我们说氢在氧气中燃烧形成水。但十八世纪的化学家并不是从氢和氧开始的。他们有易燃空气、脱燃化空气、固定空气、笑气以及其他气态物体，这些气体的身份仍然未明。这个实验没有现代字幕。其含义如今显而易见的词汇本身就是革命的产物之一。

当某些操作开始被视为分析和合成时，水成为化合物：分解水，再次生成，并将相关物质作为其成分处理。这不仅仅是分类学上的调整。它改变了化学知识的标准。了解一种物质，越来越意味着知道它的成分。

错误的理论却奏效了

被击败的对手是燃素理论。后代一次又一次地享受击败它。

在常见的刻板印象中，燃素是一种幽灵般的火焰物质。可燃的身体储存着它，燃烧时释放它。金属也包含它。当它们在空气中加热时，燃素会消失，变成钙化物。用木炭加热燃烧素，金属会回归，因为燃素体已经恢复。然后拉瓦锡引入了氧气，幽灵消失了。

是什么让这个故事如此令人满意？正是它误导的原因。它从胜利者的角度讲述化学革命，氧气似乎不可避免，燃素只是偶尔出现。

从十八世纪实验室内部看，这个故事看起来不像是一场错误喜剧。燃素不是漂浮在实验之上的幻想。它属于化学家和冶金学家每天接触的东西。金属在煅烧后会变钝、失去可塑性。钙化石可以用木炭重新炼成金属。矿石在炉中成为可用的金属。火、空气、金属、呼吸和还原似乎被一种共同的活动联系在一起。燃素被命名为“燃烧素”。这是一个误称，实际上是一个真实的模式。

没有人比约瑟夫·普里斯特利更能体现这一点。他不是前现代化学的弱小幸存者，也不是陷入混乱的实验天才，而是十八世纪伟大的研究者之一，一位持不同政见的牧师、政治激进分子和气动化学的演奏家。在利兹，他住在一家啤酒厂旁边，研究了发酵中升起的“固定空气”，即二氧化碳。后来，他通过加热汞的红色钙，获得了一种更为奇特的气体。火焰在其中燃烧，异常耀眼;动物能比普通空气更长时间地呼吸;普里斯特利甚至亲自尝试，注意到胸口有一种奇异的轻盈感。

我们称之为气体氧气。普里斯特利没有。对他来说，是脱氨壳空气.

这个名字只有在脱离赋予其意义的操作时才显得荒谬。在燃素化学中，普通空气可能充满燃素。因此，缺乏燃素的空气特别容易再次吸收它。它应当强力支持燃烧，并异常良好地维持呼吸。这正是普里斯特利所看到的。他的解释是错误的，但并非随意。这解释了真实的实验行为。

获胜的术语也并非没有理论。拉瓦锡称之为“气体氧”，意为“酸发生器”，因为他相信氧是酸性的普遍原理。这同样是错误的。失败的词保留了一个错误;胜利的词保留了另一个错误。一个成为了被遗弃化学的化石。另一个变得足够熟悉，以至于隐藏了自身的历史。

在玻璃上滴几滴

故事的下一个转折来自一种名字极其朴素的十八世纪气体：易燃空气.我们现在称它为氢。

亨利·卡文迪许在1760年代研究过这种轻质可燃气体。它可以通过金属与酸反应产生，且燃烧极易。当易燃空气与脱燃素空气同时燃烧时，发生了非同寻常的事情。水出现了。两种无形的空气产生了世界上最熟悉的液体。

现在很难不让现代化学为我们完成这句话。氢气与氧结合形成水。当然。但玻璃上的水滴本身并不能解决这个问题。它们必须被解读。

燃素学家可以有不同的讲述。也许易燃空气是水与燃素的结合。也许消燃的空气是缺乏水的，或者至少是特别准备接收燃素的空气。根据这个读数，实验并未揭示水由两种气体组成。它表明普通水可以通过正确的燃素交换来恢复。

从我们化学革命的角度看，这听起来可能有些回避。当时，这并不是一个荒谬的回答。火焰、气体、雾化的容器、重量的变化。这些都没有附带意义。证据在一个由概念、操作和标准组成的工作系统中成为证据。什么算是物质？什么算作组成部分？什么算是分析而非转化？哪个变量最值得信赖，外观、活性、重量还是可重复性？

新的化学反应改变了实验读取的环境。水的出现不再只是燃烧结束时的一个显著事件。它成为了定量记录的一部分。有多少易燃空气消失了？涉及了多少氧气？产生了多少水？水是否可以分解后再重组，且这些数字足够匹配，使同一物质出现在操作的两端？

那时，水不再只是出现在玻璃上。它进入了化学的资产负债表。

平衡使构图显现

金属在空气中被加热。它会变暗，失去光泽，失去可塑性，变成了石灰石。在燃素化学中，这看起来像是损失。金属放弃了使其金属化的原理。

然后，长椅上的尴尬事实出现了。石灰石更重了。

更沉重，在所谓的失落之后。

这并没有一击摧毁燃素理论。优秀的化学家依然能为它辩护，并且确实如此。然而，体重的增加给了氧化学一个机会。也许更准确地说，煅烧是与空气中的某种物质结合。仔细跟踪砝码，化学变化的外观开始变得不同。外观依然重要。活性依然重要。颜色、热度、火焰、残留物和可逆性同样重要。但重量赋予整个操作新的学科。它将转化转化为材料核算。

同样的关注习惯改变了水的地位。一种可以分解成定量其他物质，然后再由它们合成的物质，开始失去昔日的简单性。它变得可分析。它有成分。

这是新化学最强的一面。燃烧、煅化、气体和水现在可以被归入相同的定量顺序。化学名称也发生了变化。名字被期望不仅仅是保留产地、外观、用途或继承的惯例。理想情况下，它应告诉化学家某种物质所包含的内容。

这一点需要谨慎。这从来不是谨慎测量者与粗心投机者的斗争。卡文迪许是本世纪最精确的实验家之一。理查德·柯尔文作为燃素的严肃支持者之一，将重量视为真正的难题。分歧在于重量的权威性。它应被视为众多实验限制之一，还是应成为获得化学身份的特权途径？

这个问题慢慢改变了局势。燃素化学最适合用原理、能力和转化的语言。是什么赋予了物体可燃性？为什么金属会失去金属特性？石灰石如何复活？反应发生时，什么物质会从一种物质传递到另一种物质？

新的化学反应则在其他地方被推崇。这种物质含有什么？比例如何？这些成分能否在物质保持完整的情况下分离并重新结合？

一旦这种推理方式成为主流，水的简单性就变得更难被辩护。水依然可以被煮沸、冷凝、净化和回收，就像以前一样。现在，它也可以被赋予不同的故事。它可以被分解、重组、重新命名，并被当作一个有内部的身体来对待。

没有一击致命一击

化学革命的故事通常喜欢干净的场景。普里斯特利分离了氧气，却未能识别它。拉瓦锡理解了普里斯特利无法理解的事实。燃素崩溃。现代化学开始了。

历史则不那么宽容。

普里斯特利了解这种新化学，并抵制它。卡文迪许保持谨慎。其他有能力的化学家犹豫不决，采用部分氧系统，或保留某种燃素的生命。他们的犹豫并非单纯的盲点。燃素理论仍然连接着燃烧、呼吸、烧解、还原和空气的行为。它也帮助产生了许多后来支持氧化学的实验事实。

拉瓦锡的体系，尽管强大，却也承担着自身的负担。他的酸性理论是错误的。“氧气”一词本身就保留了这个错误，因为它将气体称为所谓的酸的产生者。他的化学还依赖于热量，一种难以测度的热量流体。从现在看，热量并不明显比燃素更体面。拉瓦锡化学优雅、严谨且具有变革性。它不是现代化学的完备无瑕。

所以真正的历史问题比教科书上的更有趣。为什么某种化学方法比另一种更具说服力、更便携、更易教学且更具生产力？

答案很大程度上在于合成主义.氧化学使物质可辨认为可测量成分的组合。反应成为物质账目。化学名称开始作为压缩的组成陈述。实验室操作、重量、气体和命名法现在可以说出相同的语言。

燃素仍然能理解许多转化，但在那个新兴世界中显得格格不入。它命名了活性原理，一种关于可燃性、金属特性、还原和化学能量的思考方式。新化学越来越需要成分。它询问物质由哪些构成，每种成分含有多少，以及这些成分是否可以分离并重新聚集。

随着组成主义的兴起，燃素开始失去其自然栖息地。它仍然可以谈论燃烧、还原和化学活性，但化学正朝着另一种语言发展：成分、比例、平衡、物质计量。革命无疑改变了答案。更重要的是，它改变了化学所期望的答案。

水的第一次变形

当水成为化合物时，它不仅仅是从一个科学类别转变到另一个科学类别。它在化学中的身份也发生了变化。

在此转变之前，水可以通过实验室操作，同时保持表面上的简单性。它可以被煮沸、冷冻、蒸馏、冷凝、纯化和回收。它无处不在，以液体、蒸气、溶剂、介质、残留物或产物的形式出现。熟悉赋予它稳定性。但尚未赋予它内部结构。

化学革命后，同一种物质开始扮演不同的角色。水可以从其他物体中产生，通过它们分析并分配成分。从蒸气中返回或燃烧后出现的液体现在带有隐藏的深度。它不再只是回收;可以被解释。

没人看见那隐藏的结构。显微镜下没有水分子，也没有氢氧结合的直接图像。证据来自实验室工作：气体被准备和收集，容器密封，混合物燃烧，液滴凝结，重量比较，名称被修改。复合水通过实践变得可信，远在它成为分子结构之前。

这就是为什么故事不应过快地转向H₂O。拉瓦锡化学帮助确立了水是氢和氧的化合物。但它并未确定公式。说水由氢和氧组成是一回事;但决定每种化合物中有多少原子又是另一回事。这个问题将使十九世纪的化学进入另一套难题。

首先是更基本的。水不再是自然界的简单术语。它变成了可以分解、重组并用其他物质语言书写的物质。

清晰度的代价

新的化学极大地澄清了一切。它规范了测量，稳定了命名法，并帮助现代合成科学成为可能。但清晰决定了选择。它通过将某些事物推入阴影，照亮了一些事物。

燃素理论关注的是化学活性。物质为什么燃烧、还原、复活、煅化、结合和转化？早期的组成化学更擅长说明反应的进入和离开，而不是解释反应为何发生。它提供了一本优秀的会计手册，尽管尚未成为化学作用的完整理论。

一些曾由燃素处理的问题后来以不同形式回归。化学势能、氧化还原和电子都占据了燃素曾经占据的概念空间部分。这并不证明燃素是字面意义上的实体。它暗示了更微妙、更有用的东西。错误的理论可以保留真实的问题。一个胜利的理论可能是正确的，但仍留下未完成的工作。

这才是科学进步的更现实图景。氧化学之所以获胜，是有充分理由的。但这些理由并不是仅仅在一个只有傻瓜才会犹豫的毁灭性实验中。它们属于更广泛的化学实践重组。

因此，水的第一次重大化学转变并非发现了某种公式。而是制造了一种新型的物体。熟悉的液体变成了可以通过其成分分析、重构、称重和命名的东西。只有在那之后，后面的问题才变得紧迫：水是否是化合物，而是水的具体成分。

电力似乎即将解决这个问题。它让水直接产生氢和氧，仿佛大自然终于提供了决定性的实验。

相反，证明带来了新的谜题。

参考文献

张浩（2012）。水是氢氧化物吗？证据、现实主义与多元性.施普林格出版社。土井10.1007/978-94-007-3932-1.

张浩（2004）。《发明温度》。测量与科学进展.牛津大学出版社。

卡文迪许，H.（1784年）。《空气实验》。伦敦皇家学会哲学汇刊, 74, 119–153.

柯尔文，R.（1789年）。燃素与酸性构成的论文.伦敦，J. 约翰逊。

拉瓦锡，A.-L.([1789] 1965).化学要素.多佛。

普里斯特利，J.（[1796] 1969）。关于燃素学说与水分解的思考.克劳斯重印。

该岗位水是氢氧化物吗？（1）：元素到化合物最初发表于无知地图.