科學是精彩的，也是非常不容易的。從今天的看，水是氫和氧的化合物這么簡單的問題，竟然經過無數代歷史才被人類認識。另一個角度，作為一個物種的人類在地球上的歷史非常短，能說話能有科學的歷史更是數百年，這么復雜的水分子結構都被一種猿類動物搞清除了。并隨后建立了自然科學體系，甚至都有了量子力學這種純數學性科學的建立，相對論這種認識宇宙萬物的工具。
200多年前的科學家不會想到，他們當時研究很多的氫氣，200年后這種氣體竟然會成為治療疾病促進健康的良藥。回顧歷史讓我們感慨精彩，面對現實讓我們驚嘆神奇，氫是宇宙之主，氫是生命之父，氫氣是健康保護神！18世紀50年代，約瑟夫·布萊克在擔任格拉斯哥大學解剖學和化學教授時發現，將酸滴在石灰石（即碳酸鈣）上時，會釋放出一種氣體，他將其稱為“固定空氣”。這種氣體的密度比普通的空氣大，隨著時間的推移會下沉到裝有空氣的容器底部。它會使蠟燭的火焰熄滅，也會奪去浸入其中的任何一個生物的生命（別問我他是怎么知道的）。這種氣體穿過石灰水（氫氧化鈣）的時候會生成碳酸鈣沉淀。現在我們知道，被布萊克稱為“固定空氣”的就是二氧化碳。英國化學家約瑟夫·普里斯特利發現，將濃硫酸緩慢地滴到一定量的白堊粉（碳酸鈣的另一種形式）上也可以制得二氧化碳。1772年，他又發表了一篇簡短的論文，在其中描述了二氧化碳可以溶解到水中，從而產生“碳酸水”。他推測這種碳酸水可能具有藥用價值，或許可以在長途航海的過程中幫助船員對抗維生素C缺乏病（在這一點他是錯誤的），并且，這種人工制成的碳酸水也像天然礦泉水一樣有著怡人的口感。出生于德國的鐘表制造商、業余科學家約翰·雅各布·施韋佩（Johann Jacob Schweppe）運用普里斯特利的方法開發出了大規模工業生產碳酸水的工藝，并于1783年在日內瓦創立了怡泉汽水公司。普里斯特利之后又對“不同種類的空氣”（即不同的氣體）進行了許多觀察和實驗，并且在1774年至1786年間陸續結集出版了多達六卷的著作。這些氣體中包括“亞硝空氣”（一氧化氮）、“減縮的亞硝空氣”（一氧化二氮）、“海酸空氣”（氯化氫）、“硫酸空氣”（二氧化硫）以及“堿性空氣”（氨）。不過在科學史上真正引起轟動的還是他對“脫燃素空氣”的研究。根據當時流行的燃燒理論，所有的可燃材料都被認為含有燃素，當這些材料在空氣中燃燒時就會釋放出燃素。這一理論是由德國煉金術士約翰·約阿希姆·貝歇爾（Johann Joachim Becher）于1667年提出的，“燃素”（phlogiston）一詞源于希臘語，意為燃燒。而當普里斯特利用透鏡將陽光聚集在經過煅燒的汞（即氧化汞）樣品上時，他得到了一種“能讓蠟燭燃燒起異常旺盛的火焰”的氣體。[插圖]盡管還不知道這種新氣體是什么，但是它似乎能促使燃素更強烈地釋放出來，這也就意味著它比普通的空氣更缺乏燃素。普里斯特利稱之為“脫燃素空氣”。與普里斯特利同時代的法國人安托萬–洛朗·德·拉瓦錫對燃素的存在持反對意見。拉瓦錫所采用的實驗方法與他的化學家同行們所采用的描述性的，即定性的方法有所不同，他將定量測定和分析等更符合機械哲學家傳統的方式引入了化學研究中。具體來說，拉瓦錫費盡心思地精確稱量了化學反應前后反應物和生成物的質量，而對于涉及氣體的反應來說，這就意味著要使用密封的玻璃容器，以便于將實驗過程中的氣體全部固定在實驗器具中，保證測量結果的精確性。在1772年的一些有關磷和硫的燃燒實驗中，他觀察到這些物質在燃燒之后變重了。但是如果物質在燃燒時會釋放燃素的話，它們怎么反而在燃燒之后變重了呢？拉瓦錫似乎是在普里斯特利于1774年10月訪問巴黎期間直接從他本人口中得知“脫燃素空氣”的。他重復了普里斯特利的實驗，并且還擴展了更多的內容。幾年之后，拉瓦錫出版了一本回憶錄，在回憶錄中他提到，燃燒與燃素的釋放無關，而是可燃材料與“上等純空氣”的化學反應，“上等純空氣”則是普通空氣中的一部分。他將其稱為氧氣。因此，燃燒是一種涉及化學物質氧化的過程，這一過程可能自發地發生，也有可能在熱和光的輔助下發生。1784年，拉瓦錫證明，氧氣可以與“易燃空氣”（他稱之為氫氣）反應生成水，從而明確地證明，至少自柏拉圖的《蒂邁歐篇》以來一直被視為“元素”之一的水，實際上是氫氣和氧氣的化合物。1789年，拉瓦錫出版了《化學基礎論》，這被廣泛認為是第一本關于“現代”化學的教科書。書中有一個包含多種化學元素的清單，其中有氫、氮、氧、磷、硫、鋅和汞，它們被分為“金屬”和“非金屬”。這個清單中還包括了光和熱，在當時它們仍被認為是獨特的元素。可惜拉瓦錫的人生并沒有收獲一場圓滿的大結局。他是一位有權有勢的貴族，也是包稅組織的管理人員，這一機構本質上是一家私營的海關和消費稅包征部門，負責代表皇家政府收稅。另外，他在燃燒現象上的研究讓他得到了火藥委員會的任命，并且在皇家兵工廠得到了一所房子和一間實驗室。但是1789年，法國大革命爆發，這極大地改變了政治秩序，隨著4年后馬克西米利安·羅伯斯庇爾的強勢崛起，恐怖統治[插圖]開始。革命者極為痛恨包稅組織，并于1793年頒布了逮捕所有前稅務官的法令。1794年5月，拉瓦錫被送上斷頭臺。在死刑執行18個月之后，他才被宣告無罪。拉瓦錫精心設計的實驗讓他確立起了一個重要的原則：在化學轉化的過程中，質量（以重量來衡量）保持不變，既不會減少也不會增加。化學反應的生成物的總質量與反應物的總質量相等。另外，即使化學元素在某個反應后被合成到了不同種類的化合物中，其特性一定也是保持不變的。這很有力地證明了，質量或者說重量的性質可以在單個化學元素上得到體現。1803年10月，英國化學家約翰·道爾頓在曼徹斯特文學與哲學學會的一次會議上宣讀了一篇論文。在這篇論文中，道爾頓提出自己已經開始研究“組成物體的終極粒子”的相對重量，并且已經取得了顯著的成功。[插圖]道爾頓的靈感似乎來自牛頓原子論的某些觀點，但是我們要注意把道爾頓的“終極粒子”，即化學原子（也就是化學元素的原子）與玻意耳和牛頓的物理原子區分開來。正如我之前所說，化學原子具有化學性質，而所有機械哲學家的原子論都從未提到過化學性質。道爾頓在相對重量的研究方面的集大成之作是1808年出版的《化學哲學的新體系》。這部著作的主要內容是擴展到包含20個元素的原子量表，其中包括碳、鈉、鉀、銅、鉛、銀、鉑、金等。這張表格中還有一些“復合原子”（為了避免混淆，我在之后的講述中會稱之為分子），它們是由2個到7個化學原子按照整數比例組合而成。道爾頓還設計了一套復雜的符號用于代表化學原子，例如⊙代表氫，◯代表氧，而⊙◯則用于代表他認為由一個氫原子和一個氧原子結合而成的水分子。道爾頓把研究重點放在相對重量上。與他同時代的法國科學家約瑟夫·路易斯·蓋–呂薩克也觀察到了氣體結合時的整數倍規律。例如，他發現兩個單位體積的氫氣會與一個單位體積的氧氣結合，產生兩個單位體積的水蒸氣，但這根本不符合道爾頓的配方。如果寫下這樣的化學方程式：2⊙+1◯=2⊙◯，我們很容易就會發現，這個方程式的兩邊并不“平衡”，左邊的氧原子數量不夠。然而道爾頓卻無視了蓋–呂薩克的觀點。意大利科學家阿馬德奧·阿伏伽德羅在蓋–呂薩克的工作的基礎上，將自己的觀察結果整理成了一個假設（有時也被稱為阿伏伽德羅定律），并于1811年發表：同溫同壓下，相同體積的任何氣體含有的原子或分子數相同。[插圖]但是問題仍然存在。阿伏伽德羅指出，氫氣和氧氣的結合比例為2∶1（而不是道爾頓設想的1∶1），但它們結合產生了兩個單位的水蒸氣，難道一份水蒸氣里含有半個氧原子嗎？很少有人注意到這一問題，而那些注意到這一點的人則開始對阿伏伽德羅假設產生懷疑。幾年后，瑞典內科醫生兼化學家約恩斯·雅各布·貝爾塞柳斯改進并擴展了道爾頓的原子量體系，并且引入了一種我們直到今天還在使用的化學符號，只有一處小小的修改。貝爾塞柳斯建議使用簡單的字母來取代道爾頓奇形怪狀的符號，他用H表示氫，用O表示氧，由這兩種元素以2∶1的比例組成的水則被寫成H2O，而今天我們將其寫作H2O。貝爾塞柳斯提出，阿伏伽德羅假說只適用于原子，而不適用于分子，這樣一來就能回避有關水分子的問題了。科學就是這樣動作的。我們仔細研究科學史就可以得知，科學發現幾乎不可能是“干凈利落”的——一個科學家或是一小撮合作者獨立研究就能直接得出“真相”，這種事情很少發生。相反，哪怕只是想要對真相輕輕一瞥，也往往需要穿透一層遮天蔽日的迷霧。掌握一部分真相的科學家常常會與掌握另一部分真相的科學家進行激烈的爭論，而只有雙方擱置爭議，不再固執己見，建立起群策群力的秩序，才能將迷霧驅散，使科學取得進步。一些歷史學家認為意大利化學家斯塔尼斯勞·坎尼扎羅澄清了這一疑問。毋庸置疑，他于1858年出版的《化學哲學教程提要》（后文簡稱《提要》）一書清楚地闡釋了很多問題。當時，坎尼扎羅是熱那亞大學的化學教授，研究過化學所有的新興分支學科：物理化學、無機化學和有機化學。他最為令人熟知的發現是坎尼扎羅反應，在這一反應中，一種被稱為醛的有機化合物被分解為醇和羧酸。在《提要》中，坎尼扎羅綜合考察了與氣體密度、比熱容（物體吸收和存儲熱量的能力），以及飛速發展的有機化學相關的所有研究的信息，特別是用于闡述化學反應的化學方程式。他把所有的這些信息整合了起來，推斷出一組具有一致性的原子量和分子量。不過首先，坎尼扎羅必須證明，阿伏伽德羅假設只有在我們承認原子和分子之間存在差異的情況下才能成立，他說：比較一下包含在自由物質分子中的元素數量，以及這種元素在各種不同化合物中的數量，你就不得不承認以下這條規律：在不同的分子中，同種元素的量不同，這些不同的量都是某一單位量的整數倍，而這種單位量無法再分，因此理應把它們稱為原子。[插圖]由蓋–呂薩克對于氫氣和氧氣結合比例的測量引發的謎團現在已經解開了。坎尼扎羅發現，如果把氯化氫（HCl）中氫元素的相對重量設定為1，氫氣中氫元素的相對重量就是2，因此氫氣是由分子組成的，而不是原子：“每個自由氫氣分子中含有兩個氫原子”。[插圖]同樣地，如果把水（H2O）中氧元素的相對重量設為16，那么“氧氣中的氧元素相對重量是這個數值的兩倍”。[插圖]顯然，氫氣和氧氣都是雙原子氣體，我們可以把它們分別寫成H2和O2，它們結合的方程式為2H2+O2=2H2O。這個方程式的兩邊終于平衡了——2個氫氣分子中的4個氫原子和1個氧氣分子中的2個氧原子結合，得到2個水分子。
