一幅名画，两位科学家，三个人的纠葛

2017-06-22 丑灿化学加

来源|化学数据联盟编辑|化学加

原创翻译丨丑灿
原创作者丨Horton A. Johnson
原文丨Lavoisier’s Tools as Objets d’Art

1788年，法国正在上演一场政治革命，当时全法国最著名的科学家和最著名的艺术家在那个动荡的年代相遇了。安托万-洛朗·德·拉瓦锡在当时出任国王的税收官员，而在四年之后，这幅名画的作者，也就是拉瓦锡妻子的老师雅克·路易·大卫，参与了裁定处死国王决议的投票。一幅画作，两位科学家，三个人的故事——他们之间的邂逅造就了这幅18世纪最伟大的肖像画作之一。

雅克·路易·大卫（Jacques-Louis David，1748—1825）是法国著名画家，新古典主义画派的奠基人，拿破仑御用画师。
《安托万-洛朗·德·拉瓦锡（1743–1794）和他的妻子玛丽-安娜·皮埃尔莱特·波尔兹（1758–1836）》，259.7cm x 194.6cm，画布，油画。
图片来源：大都会艺术博物馆

拉瓦锡和大卫在1788年首次相识，前者当时痴迷于科学研究，后者则一步步走上了政治之路，虽然两人最后分道扬镳，但两人的相遇，为人类艺术史留下了这幅陈列于美国大都会艺术博物馆的经典画作。这幅作品展现了在科学研究工作中拉瓦锡和妻子玛丽两人之间的美好瞬间。在这幅画中我们可以看到，在玛丽身后立着一个对开的画板，暗示着玛丽的艺术家身份（玛丽年轻时师从大卫钻研绘画创作，也正是因为玛丽，才促成了拉瓦锡和老师大卫之间的相识）。整个作品的背景墙上我们可以看到有壁柱，这是大卫作为新古典主义画派代表人物的创作风格。
但是画中最能代表拉瓦锡个人特色的就是摆放在桌子上以及地板上的那些化学仪器，也许大家会感到疑惑，为何这些本应摆放在实验室里面的仪器会以这种形式出现在拉瓦锡的办公桌上呢？其实这是大卫的精心安排，这些仪器的制作工艺精良，堪称艺术品，大卫的目的就是想让人们知道画中拉瓦锡的身份为一名化学家。
我们今天要聊的内容主要和画中的这些科学仪器有关，比如说为何只有这几件仪器被选中，选择这几件仪器的目的何在。
当时拉瓦锡向大卫展示了将近200多件科研仪器，其中很多是由尼古拉斯·福廷（Nicolas Fortin）从1783年开始亲手制作而成。拉瓦锡和他的妻子一开始选择了几件有代表性意义的仪器，但是作为画家的大卫可能更倾向于从构图和整体效果考虑，选择合适的仪器。当然，大卫希望自己选择的仪器可以彰显他本人的绘画功底，比如说他最后选择的那个摆放在地板上的球形仪器，我们可以清楚的看到球形玻璃的反射面颇为逼真，玻璃的透明质感，黄铜部件的拉丝质感，让我们深感大卫不愧为当时极富盛名的艺术家。
当然，除了这幅作品之外，大卫另外一个享誉世界的油画就是《马拉之死》，而拉瓦锡的死也与马拉有着千丝万缕的关系。
《马拉之死》，136cm×157cm，画布、油彩——雅克·路易·大卫。
图片来源：布鲁塞尔比利时皇家美术馆

除了那些光鲜耀眼的玻璃仪器之外，我们不得不说一说放在拉瓦锡笔下的那本手稿，其实这就是当时他正在编写的Traité élémentaire de chimie（《化学基础》）一书，在这幅画完成的一年之后，拉瓦锡通过这本书向世人阐述了现代化学的基本概念和术语。科学界马上意识到这本书的重要意义。《化学基础》的首发本在1789年于巴黎印制发行，随后很快被译成英文版——Elements of Chemistry，拉瓦锡也被世人称为化学革命的先驱。这本书在当时深受追捧，在1793年，本书的第二版在巴黎发行，在不到一年之后的时间里，也就是1794年5月8日，拉瓦锡不幸被送上了断头台。即使拉瓦斯已经身首异处，但是由他引起的一场化学革命正拉开大幕。
《化学基础》一书前两卷的第一卷讲述了拉瓦锡从实验当中总结的结论和原理。第二卷详细地描述了他的实验方法。第二卷的附件当中有13页用来展示实验室用到的170件仪器，这些仪器均由玛丽亲手绘制。其实大多数的长颈瓶、罐子、虹吸管、熔炉等仪器都未能得到大卫的赏识，最终也没有机会出现在油画里面，而有幸上镜的那几件仪器从此在艺术界中名垂青史。其实这几件玻璃仪器也陪伴拉瓦锡平的每一个实验——正是它们，才让拉瓦锡发现了现代化学的核心科学原理。

反应物的质量=反应产物的质量

我们习惯使用一个对角线支撑构建来加强矩形大门结构的强度，同样，大卫也会使用相同结构来让矩形画像从左上角到右下角显得更加丰满。正如这幅油画中玛丽的右手、拉瓦锡的羽毛笔、书桌垂落的桌布的浅色折痕以及拉瓦锡那条欧巴一样的大长腿，还有从画面左上角投射的光线，一直照射在地板上那个位于画布右下角的圆形玻璃仪器上。这个闪闪发光的仪器充分显示出大卫对视觉效果的刻画功底，当然，这个玻璃球形仪器对于质量守恒定律的建立也起到了非常重要的作用。
拉瓦锡是一位杰出的定量化学家，是使用容量瓶、平衡管、气压计和温度计的高手。他大部分的定量实验都使用封闭系统完成，有的实验会产生气体，有的实验也会消耗气体，他习惯使用体积单位计算这些气体。为了计算方程式，他必须将体积单位换算成质量单位。为了得到大气空气、氮气、氧气、氢气和二氧化碳的单位体积质量，他使用这个玻璃仪器对这些气体进行称重，就像你在这幅画右下角看到的那个仪器差不多，仪器的容量大概有17升。
每个玻璃球体都有一个黄铜帽固定在容器颈部位置，带有旋塞阀的金属管焊接在黄铜帽上。拉瓦锡是如何知道这个球体的精准体积呢？首先他测量空瓶，再测量装满水的瓶子。然后他使用黄铜空气泵尽量排出里面的空气并保证瓶子处于干燥状态。待瓶中的空气排干净之后关闭旋塞阀，然后与一个装有待测气体的反应容器衔接。打开旋塞阀，让容器中的气体进入球形瓶。再次关闭旋塞阀并称取球形瓶的重量。他在《化学基础》一书中用“一丝不苟的精密”来形容以上这个测量过程。
除了上面这个过程，他还做了一些调整。比如减少真空球形瓶的重量，改变实验环境的温度和压力，或者使用空气泵排出瓶体中的部分空气。值得我们注意的是，不同气体测得的重量的比值与气体分子重量的比值并无显著差异，但那时候拉瓦锡并没掌握这方面的知识。他得到的体积质量换算系数可以实现反应物质量与反应产物质量之间的比较。
质量守恒定律（aw of conservation of mass），法国的同学们习惯称之为拉瓦锡定律，这个定律不仅在定量化学家之间掀起巨大波澜，还帮助人们理解了物质的根本性质。拉瓦锡证实无论化学反应中的物质处于何种物理状态，系统中物质总量一定不会发生变化。也就是说反应物中存在一些重量恒定不变的固定数量的坚不可摧的颗粒，而且在反应产物当中物质的颗粒数量与反应之前的数量相同。拉瓦锡的理论成功启发英国化学家约翰·道尔顿（John Dalton）提出原子假说，并为现代物质物理结构的研究奠定了基础。

水→氢+氧

油画中的桌子上摆放着三件仪器，中间的那个玻璃管状仪器直径2英寸，长24英寸，带有一个向外扩张的管口。这个不起眼的简易装置增加了桌子上物品的垂直构图效果，不过这个仪器对于拉瓦锡和化学革命来说具有重大意义。他使用这个仪器证明水并不是一种基本元素，而是一种可以分解成氢和氧的化合物。
自从古代，人们就认为水是一种元素。但直到1781年，当人们发现水是由氢气和氧气组成时，整个世界都被惊掉了下巴。约瑟夫·普里斯特利（Joseph Priestley）、亨利·卡文迪什（Henry Cavendish）、詹姆斯·沃特（James Watt）和拉瓦锡一同发现了水的真实特性，普利斯特利通过在氢气环境中加热一氧化铅的方式得到水，而卡文迪什和沃特则通过在大气空气中燃烧氢气获得水。当时他们三人都试图通过燃素理论（phlogiston theory）解释这一现象，但都被搞得一脸懵逼，直到1783年，拉瓦锡重复了卡文迪什早先做过的实验，并根据之前质量守恒定律正确地阐释了这一反应的事实：水是由氢和氧组成。
拉瓦锡使用水银装满玻璃管，并倒置放进一个水银盆中，他从玻璃管的口部向管中添加少量的水和铁屑，两种物质都上升漂浮至玻璃管顶部。铁屑逐渐失去了自己的金属光泽，拉瓦锡根据之前的氧化实验得知铁正在被氧化，因此水中的氧气正在消失。当氧化铁聚集在水银表面时，气体在玻璃管的顶部汇集。他采集这些气体作为样本，点燃后发现这种气体可以安静的燃烧并发出白色的火焰。这是一种可燃气体，拉瓦锡称它为氢气，因为它由水产生。拉瓦锡认为这是证明水是由氧气和氢气的最后的证据。

乙醇+氧气→二氧化碳+水

桌子上放在拉瓦锡左手边的是一个用于储存氧气的容器，通过调节容器顶部的旋塞阀可以控制氧气的释放。在大卫的眼中，这个纯手工打造的仪器制作精良，拥有迷人的外形和质感，他把这个仪器摆放在了一个特别显眼的位置。古拉斯·福廷打造的这件杰作拥有一个长长的玻璃主体，上方带有一个黄铜盖子，整个玻璃仪器的瓶口由金灿灿的黄铜包裹。仪器盖子上有两个旋塞阀，其中一个与容器整体相连，另外一个则与顶部的密封黄铜帽金属管相连。还有一个玻璃管穿过黄铜帽延伸至容器的底部。
在《基础化学》中拉瓦锡描述了这个容器的作用。这个容器的底部由玻璃制成，沉浸在水盆中，玻璃管插在了瓶体中（正如油画中我们看到的那样）。两个旋塞阀同时打开，空气泵与顶部的旋塞阀相连，用于排出容器内部空气，同时让底部水盆中的水流入容器内部。当容器内部空气排净并被水填满时，关闭上部旋塞阀。然后将玻璃管与制氧机相连，制氧机通过加热氧化汞或红铅粉获得氧气。当氧气在水中冒泡时，被汽包排挤掉的水会从底部旋塞阀中流出。当积累了足够多的氧气时，关闭底部旋塞阀，容器可以当作氧气存储罐来使用。某些实验需要谨慎控制从储存罐中流出的氧气，因此上方的旋塞阀的作用至关重要。拉瓦锡通过燃烧酒精（乙醇）鉴定其组分的实验中描述了这个仪器的作用。
拉瓦锡把一个钟形玻璃容器倒置放在一个水银盆中，并抽取钟形玻璃仪器里面的部分空气让水银上升，这样就形成了一个燃烧室。他把一个灯芯里带有一点点磷的酒精灯放入位于钟形瓶底部的水银当中。酒精灯漂浮至水银表面，拉瓦锡神速般的将一根炙热的电导线穿过水银伸到顶部，点燃酒精灯芯上的磷。这样，酒精在大气封闭系统中燃烧。纯净氧气中的燃烧速率过快会导致爆炸，但是大气中的氮气可以作为减速剂，让火焰的燃烧可以得到控制。
当燃烧的酒精耗尽氧气时，水分会积累在水银表面，这时火焰变得越来越微弱。为了让火苗继续燃烧，拉瓦锡从存储容器中导入了一些氧气。当存储容器中的氧气随着旋塞阀的打开被释放出来时，储存容器的主体被位于底部盆中的水逐渐填满。氧气进入的速度过慢或让火苗熄灭，进入速度太快可能会因燃烧温度上升而导致钟形瓶的破裂或者爆炸。拉瓦锡已经意识到在封闭系统中燃烧酒精是一件非常冒险的事情。
当燃烧室中的二氧化碳气体浓度达到一定程度时，火苗最终熄灭，拉瓦锡关闭了氧气存储罐上的旋塞阀。他测量得到酒精灯及其酒精的初始重量，除此之外他还测量了储存罐中氧气的体积和燃烧室中的空气体积。他使用曲形吸管把附着在水银表面的水分吸取出来后测量了水的重量，把燃烧室拆除之后，他再次计算酒精灯的重量。在拆除燃烧室之前，拉瓦锡测量了封闭系统在注入氢氧化钾溶液吸收二氧化碳气体之前和之后的气体体积，然后再测量剩下的气体体积，进行标准温度和压力校正。扣除掉初始大气的体积，然后再将体积换算成质量。反应物、酒精和氧气的重量可以用来于产物、二氧化碳和水的质量作对比，让化学方程的两边保持平衡。
通过这个实验以及其他使用植物原料进行的实验，让拉瓦锡推测出“其实蔬菜的组成元素为氢、氧和木炭（碳）：所有的蔬菜都一样，没有哪些蔬菜可以离开这些元素而存活。”有机化学的大门就这样被拉瓦锡打开。他的实验证明有机物质的燃烧就像动物的呼吸过程一样，消耗氧气的同时产生水和二氧化碳。这支撑着拉瓦锡长期持有的理论，即动物呼吸是一种缓慢的燃烧过程。后来他指出人类消耗氧气的速率与其正在进行的物理工作速度成正比，从而生理化学的大门也被拉瓦锡轻易的打开。

从肖像画到政治斗争

当大卫创作这幅名画的时候，化学革命已经确立了自己的地位。现在我们不仅要感谢拉瓦锡发现了化学方程平衡法则，还要感谢他作为定量化学家教会后人如何量化热量的燃烧，他还打破了自从古代以来人们把水和空气认为是基本元素的谬论。
拉瓦锡使用的这些精致实验仪器在大卫的画笔下栩栩如生。当油画干了之后，这些曾在化学革命中扮演重要角色的仪器重新回到了实验室的架子上。拉瓦锡依旧为路易斯十六担负着税收要职并监督政府的军火生产工作，虽然研究科学是那个时期欧洲每个上层社会绅士的身份标签，但大卫仍旧走在自己的新古典主义艺术创作之路上，他们二人虽然都为人类历史留下了宝贵的精神财富，但二人最终在政治革命中分道扬镳，大卫成为政治革命的胜利者，而拉瓦锡则成了阶下囚。
这幅作品的真实意义不断地提醒着玛丽，她要继续让自己和丈夫为科学研究做出的贡献发扬光大。在丈夫过世之后，她找回了拉瓦锡未完成的《化学基础》原稿，并在1805年成功发布了诠释拉瓦锡研究工作的文章。她一直在宣扬自己丈夫的科学发现，成为法国历史上一位重要的科学人物。但是玛丽总会不经意的怀念她与丈夫在实验室度过的被这些由尼古拉斯·福廷打造的精美仪器包围的日子。
大卫投身于政治革命，而拉瓦锡则投身于科学革命。他们二人的才华在这幅传世名作当中碰撞出了社会、政治及科学的耀眼火花。