1770年代拉瓦锡研究金属煅烧现象。和一般木头之类的燃烧过程不同，金属在煅烧过程中重量增加。之前的化学家可能也知道这件事情，不过并未引起重视，但在拉瓦锡看来，这就是否定燃素学说的一个例证。拉瓦锡认为燃烧和煅烧都是空气被固体所固定并以光和热的形式释放其热量的过程，因此火焰不是燃素的标志而是热量的标志。
当然燃素说的支持者还是有可能回应的，他们可以承认金属煅烧过程中从空气中吸收了某些东西，但这并不否定金属同时还是向空气释放了燃素。但无论如何，对于燃素究竟有没有重量，燃烧过程中除了释放燃素还交换了什么物质，这些问题燃素说始终语焉不详。而拉瓦锡通过进一步的定量研究不断佐证了自己的判断。
图13.7.1 拉瓦锡研究氧化汞的实验仪器图示
拉瓦锡认为燃烧或煅烧过程是可逆的，他把金属灰（一氧化铅） 与木炭一起加热还原了铅金属。传统上认为木炭是燃素的来源，所以也能解释这一还原。之后拉瓦锡又听说了普里斯特利加热红色汞金属灰的实验并重复了它（图13.7.1）。这一还原反应不需要木炭的参与，那么这一反应中又是谁把燃素还给了汞呢？
普里斯特利至死都一直坚持燃素说，他把这一反应生成的气体称作“脱燃素气体”，而拉瓦锡却把这一反应认作对燃素说的致命一击。接着，拉瓦锡很快发现，这种所谓的“脱燃素气体”也恰好是煅烧或燃烧过程中从空气中吸收的那一部分，因此，燃烧过程正是燃烧物与这种空气的化合，而还原反应则是这种空气从化合物中被分解出来。拉瓦锡错误地认为这种空气存在于一切酸里头，因此把它命名为“酸素”（oxygen），现在的日语里就是这么叫的，而中文取滋养生命之意翻译成了氧气。
氧气的发现究竟应该归功于谁是一桩科学史的公案，从制备出这一气体来说，应该是舍勒最早，但他的研究并没有产生影响，普里斯特利的研究才是直接影响拉瓦锡从而推动科学发展的。但普里斯特利基于燃素说，错误地理解了这一气体的性质，拉瓦锡才算是把氧气当作氧气而发现的。
当然我们在这里不需要费神考虑优先权的问题，无论如何，拉瓦锡的贡献是革命性的，拉瓦锡的意义远不止是发现氧气或者说提出氧化还原学说，更关键的是，他奠定了现代化学定量化、标准化、实验化的研究范式。
拉瓦锡还与拉普拉斯合作进行了许多实验研究，例如用冰块量热计测量燃烧过程中释放的热量，定量研究水的分解与合成并命名了氢气。
他还与其他几位化学家一道，提出“化学命名法”，提倡用组成的元素命名化合物，用不同的后缀表示氧化程度，比如硫酸盐、亚硫酸盐等。他还重新确定了化学元素的概念，总结了33种元素，尽管其中有许多其实是化合物，但毕竟确立了化学研究的未来方向。
拉瓦锡曾经投资过一家包税公司，包税公司被认为是路易王朝的腐败产物，剥削人民，人们对之恨之入骨。虽然拉瓦锡本人并没有实际参与运营，但作为包税公司的股东，他被法国大革命的革命党人判处死刑。许多知名人士都为他求情，但可能是由于拉瓦锡当年得罪过马拉，马拉坚持要把他处以死刑，他最后就上了断头台。当时的革命法庭副长官说出了“共和国不需要学者”的名言，而拉格朗日痛心疾首，说“你们砍下他的脑袋只要一瞬间，但他这样的脑袋一百年也长不出一个来。”
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