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第15章 化学世界的经典人物(1)

自化学学科建立,化学工业出现以来,很多科学家为化学事业的发展做出了卓越的贡献。他们的发现或发明不但推动了化学学科的发展,而且还引领化工工业及相关学科领域的进步。本部分精选了近代以来在世界上有深远影响意义的十多位化学家,希望读者藉此简单的了解这些著名化学家们传奇人们以及他们非凡的成就。

波义耳——近代化学元素理论的先驱

幼年时期的波义耳

罗伯特·波义耳,1627年生于爱尔兰的利兹莫城,这是英国资产阶级革命的时期,也是近代科学开始出现的时代,更是一个巨人辈出的时代。

波义耳出生在一个贵族家庭,家境优裕为他日后的学习和科学研究提供了较好的物质条件。童年时代的波义耳并没有显得特别聪明,他说话有点口吃,没有哪样游戏能使他入迷,他给人的印象总是特别安静。但是比起他的兄长们,波义耳却是最好学的,他非常喜爱读书,常常书不离手。

在波义耳8岁时,他的父亲将他送到伦敦郊区的伊顿公学学习,在这所专为贵族子弟办的寄宿学校里,波义耳学习了3年。随后,他和哥哥法兰克一起在家庭教师陪同下,来到当时欧洲的教育中心之一的日内瓦生活了2年。在这里波义耳学习了法语、实用数学和艺术等课程。

波义耳与化学

波义耳自幼体弱多病,但是由于对医生有抵触情绪,即使有病他也不愿意找医生医治,并且开始自修医学为自己治病。由于当时的医生都是自己配制药物,所以研究医学也必须研制药物和做实验,这样的经历使波义耳对化学实验产生了浓厚的兴趣。

在化学实验中,波义耳读了不少前人的相关著作,也了解到当时的一些科研成果。这不仅开阔了他的眼界,丰富了他的思想,同时也为他整个实验的安排提供了指导。当时德国的工业化学家格劳伯,对金属冶炼、酸碱盐的制取有较多的研究,曾对振兴德国的工业做出了重大贡献。格劳伯的事迹以及他的关于化学实验的著作《新的哲学熔炉》给了波义耳一个重要的启示,使他认识到化学在工业生产中所具有的广泛意义。化学不应只限于制造医药,而是对于整个工业和科学都有着重要作用的科学。

因此,波义耳认为有必要重新来认识化学,他首先讨论的就是什么是化学。波义耳根据自己的实践和对众多资料的研究,主张化学研究的目的在于认识物体的本性,这就需要进行专门的实验,收集观察到的事实。他认为化学应摆脱从属于炼金术和医药学的地位,发展成为一门专为探索自然界本质的独立科学,这就是波义耳在《怀疑派化学家》中所阐述的第一个观点。

晚年的波义耳在制取磷元素和研究磷、磷化物方面也取得了显赫的成就,他根据“磷的重要成分,乃是人身上的某种东西”的观点,顽强努力地钻研研究,终于从动物尿中提取了磷。经进一步研究后,他指出:磷只在空气存在时才发光,磷在空气中燃烧形成白烟,这种白烟很快和水发生作用,形成的溶液呈酸性,这就是磷酸,把磷与强碱一起加热,会得到某种气体(磷化氢),这种气体与空气接触就燃烧起来,并形成缕缕白烟。这是当时关于磷元素性质的最早介绍。

波义耳定律

波义耳定律是波义耳在物理学上的重要贡献,它是波义耳在1662年根据实验结果提出的。他认为在定量定温下,理想气体的体积与气体的压力成反比。具体说来是:“在密闭容器中的定量气体,在恒温下,气体的压强和体积成反比关系。”这一理论后人称之为波义耳定律,这是人类历史上第一个被发现的“定律”。用公式来表示就是:V=k/P,其中V是指气体的体积,P指压强,k为一常数。波义耳定律的伟大意义在于,它是第一个描述气体运动的数量公式,为气体的量化研究和化学分析奠定了基础。该定律是学习化学的基础,学生在学习化学之初都要学习它。

卡文迪什——最富有的学者

背景及早年生平

亨利·卡文迪什,出身于贵族家庭。卡文迪什2岁时母亲去世,他自幼接受身为英国皇家学会会员的父亲的教育,11岁时进入位于海克雷的彼得·纽康姆学校,该校以管理严格和学生优秀著称。

1749年11月,18岁的卡文迪什进入剑桥大学的圣彼得学院就读,接受了严格的数学训练,但在1753年,他即将通过考试拿到学位前夕退学。不久,卡文迪什就开始跟随父亲参加皇家学会会员的聚会。1760年,他被选入皇家学会。他最先的化学研究是关于三氧化二砷,他通过砷酸盐制取和砷酸,同时他也研究了酒石酸盐,制得了酒石酸。但这两份实验报告他都只读给朋友听,并未发表。1764年在皇家学会宣读了自己的第一篇论文《对特内里费发现的某些盐的研究》。

化学研究

1766年,卡文迪什发表了他的第一篇论文《论人工空气》。“人工空气”一词为波义耳首创,用来指存在在某种物质中,通过化学反应可以释放出来的气体。如普利斯特里通过碳酸盐与酸反应生成的二氧化碳。在文章中卡文迪什在严格保持温度和压强条件的前提下,对当时已知的各种气体的物理性质,特别是密度进行了严谨而细致的研究。这篇文章使他获得英国皇家学会的科普利奖章。

卡文迪什于1781年采用铁与稀硫酸反应而首先制得“可燃空气”(即氢气)。随后他测定了它的密度,研究了它的性质。之后当他得知普利斯特里发现在空气中存在“脱燃素气体”(即氧气),就将空气和氢气混合,用电火花引发反应,发现可燃空气可以消耗掉大约1/5的空气。

卡文迪什敏锐地注意到,生成的水中有少量的硝酸存在。他认为这是反应用的氧气中含有新物质(主要是氮气)的原因。一直到1894年瑞利和拉姆赛发现稀有气体氩,才证实了卡文迪什的推测。

最富有的学者,最博学的富豪

据说卡文迪什很有素养,但是没有当时英国的那种绅士派头。他不修边幅,几乎没有一件衣服是不掉扣子的、他不好交际,不善言谈,终生未婚,过着奇特的隐居生活。

卡文迪什为了搞科学研究,把客厅改作实验室,在卧室的床边放着许多观察仪器,以便随时观察天象。他继承了大笔遗产,成为百万富翁。不过他一点也不吝啬。有一次,他的一个仆人因病生活发生困难,向他借钱,他毫不犹豫地开了一张一万英镑的支票,还问其够不够用。

卡文迪什酷爱图书,他把自己收藏的大量图书,分门别类地编上号,管理得井井有序,无论谁借阅,甚至是自己阅读,也都毫无例外地履行登记手续。卡文迪什可算是一位活到老、干到老的学者,直到79岁高龄、逝世前夜还在做实验。卡文迪什一生获得过不少外号,有“科学怪人”、“科学巨擘”、“最富有的学者、最博学的富豪”等。

但是,热衷于实验的卡文迪什却视名利如天上的浮云。有一次,卡文迪什出席宴会,一位奥地利来的科学家当面奉承卡文迪什几句,他听了起初大为忸怩,继而手足无措,终于坐不住站了起来,冲出室外径自坐上马车回了家。卡文迪什为人沉默寡言,对慕名来访的客人常常一言不发陪坐在旁,脑中却想着自己的科学问题,使客人尴尬无比。他一生致力于科学研究,成果丰硕。

学术贡献

卡文迪什公开发表的论文并不多,他没有写过一本书,在长长的50年中,发表的论文也只有18篇。除了一篇在1771年发表的论文是理论性的以外,其余的论文内容都是实验性和观察性的,大部分是关于水槽化学方面的。还有一部分是关于液态物质凝固点的研究和有关地球平均密度的研究。

卡文迪什在热学理论、计温学、气象学、大地磁学等方面都有研究。1798年他完成最后的实验时,已年近七十。他不但在化学方面有很大的成绩,而且在物理方面也是成就非凡。在物理学上他最主要的成就就是通过扭秤实验验证了牛顿的万有引力定律,确定了引力常数和地球平均密度。卡文迪什验证万有引力定律的实验采用自己设计的“扭秤”为工具,后人称为著名的“卡文迪什实验”。

舍勒——早逝的天才化学家

舍勒的短暂而辉煌的一生

卡尔·威廉·舍勒的一生是短暂的,仅活了33年。但是,他所取得的成果之多却令人嘘叹不已,他一生发现的新物质30多种,这在当时是绝无仅有的。在舍勒一生的发现中,最为突出的贡献是发现氧气和氯气。舍勒曾把他的实验结果整理成书,书名叫《火与空气》,此书书稿于1775年送给出版家斯威德鲁斯,但一直到1777年才出版。舍勒还有很多的实验研究成果,在生前未能发表。1892年,在纪念他诞生150周年之际,化学史学者详细整理了他生前的日记和书信。但是,这些整理出来的遗留下来的书稿和研究记录,当时并没有正式发表。直到1942年,纪念舍勒诞生200周年的时候,他的全部实验记录经重新整理之后,才正式发表,共有8卷之多。

舍勒一生中完成了近千个实验,曾因实验吸过有毒的氯气和其他气体,因此身体受到严重的伤害,他还亲口尝过有剧毒的氢氰酸。舍勒视事业为生命,想一刻不停地工作下去,但身体状况的恶化使他常常卧床不起,真是心有余而力不足。

1785年整个冬天舍勒都被风湿病的剧烈发作而折磨得痛苦不堪。命运好像在捉弄他,他一辈子为别人制药,而现在却不能找到医治自己疾病的药物。1786年,舍勒和他的恋人尼古娅,在经历10年的恋爱之后,举行了婚礼。对于这对有情人来说,婚礼有些迟了,因为两天后,舍勒就离开了人间。

氧气最早的发现者

舍勒是氧气的最早发现者,他早在1773年就用两种方法制得了比较纯净的氧气。第一种方法是将硝酸钾、硝酸镁、碳酸银、碳酸汞、氧化汞加热,就会放出氧气。第二种方法是将黑锰矿(二氧化锰)与浓硫酸共热,产生氧气。接着,他还对氧气的性质作了研究。研究发现,当一种物体在这种气体中燃烧后,这种气体便消失了,所以他把这种气体叫做“火气”。舍勒的这一研究成果发表在《论空气和火的化学》中,但这本书由于出版商的延误,直到1777年才得以出版。而英国化学家普利斯特里于1774年发现氧气后,很快就发表了论文,时间比舍勒还要早。现在,化学史上都认为舍勒和普利斯特里各自独立地发现了氧气。由于舍勒是燃素学说的信奉者,所以他认为燃烧是空气中的“火气”与燃烧物体中的燃素相结合的过程,火是“火气”与燃素形成的化合物。因此,舍勒与普利斯特里一样,虽然发现了氧气,但是都未能对燃烧现象作出正确的解释。

发现氯气

舍勒在化学上的另一个重要的贡献,是发现了氯气。18世纪的后期由于冶金工业的发展,开展了对各种矿石的研究。其中有一种叫做软锰矿的,舍勒经过3年功夫,确定它是一种新金属的氧化物,按当时的说法它是“脱燃素的新金属”,舍勒把这种金属定名为锰。舍勒在这种软锰矿的研究中发现了氯气。

他用这种气体作了种种实验,发现它微溶于水,使水略有酸味具有漂白作用,还能腐蚀金属,在这种气体中的昆虫会立即死去,火也立即熄灭。由于他虔信燃素学说,误认为这是由于“脱燃素的锰”(二氧化锰)从盐酸中夺去了燃素而产生了这种气体,因此称它为“脱燃素盐酸”,而没有认为它是一种元素。除了氧气、氯气外,在无机方面舍勒发现的还有氮气、砷酸、钼酸、钨酸、亚硝酸。在有机方面证明植物中含有酒石酸,从柠檬中制取出柠檬酸晶体,从肾结石中制取出尿酸,从苹果中发现苹果酸,从酸牛奶中发现乳酸,曾提纯过没食子酸。

拉瓦锡——近代化学的奠基人

青年时代的拉瓦锡

1743年,拉瓦锡出生在一个律师家庭,1754~1761年在马萨林学院学习。幼年时候的拉瓦锡就对自然科学感兴趣,但他的家人却想要他当律师,1761年拉瓦锡进入巴黎大学法学院学习,获得律师从业证书。课余时间他继续学习自然科学,后来师从化学家伊勒教授,从此与化学结下不解之缘,拉瓦锡接受了系统的化学教育和对燃素说的怀疑。1764~1767年间,他作为地理学家盖塔的助手,进行采集法国矿产、绘制法国地图的工作。在考察矿产过程中,他对生石膏与熟石膏之间的转变进行了研究。接着,拉瓦锡参加了法国科学院关于城市照明问题的征文活动并获得嘉奖。1768年年仅25岁的拉瓦锡成为法兰西科学院院士。

燃烧的氧学说

1774年10月,普里斯特里向拉瓦锡介绍了自己的实验:氧化汞加热时,可得到脱燃的素气,这种气体使蜡烛燃烧得更明亮,还能帮助呼吸。后来,拉瓦锡重复了普里斯特利的实验,得到了相同的结果。但拉瓦锡并不相信燃素气说,他认为这种气体是一种元素,1777年他正式把这种气体命名为“oxygen”,中文译名为氧,含义是酸的元素。

接着,拉瓦锡做了金属煅烧实验,并于1777年向巴黎科学院提出了一篇报告《燃烧概论》,阐明了燃烧作用的氧化学说,其要点为:

1.燃烧时放出光和热。

2.只有在氧存在时,物质才会燃烧。

3.空气是由两种成分组成的,物质在空气中燃烧时,吸收了空气中的氧,因此重量增加,物质所增加的重量恰恰就是它所吸收氧的重量。

4.一般的可燃物质(非金属)燃烧后通常变为酸,氧是酸的本原,一切酸中都含有氧。

拉瓦锡还通过精确的定量实验,证明物质虽然在一系列化学反应中改变了状态,但是参与反应的物质的总量在反应前后是不变的,拉瓦锡还用实验证明了化学反应中的质量守恒定律。拉瓦锡的氧化学说彻底地推翻了燃素说,自此化学开始蓬勃地发展起来。

拉瓦锡之死

1768年,在拉瓦锡成为法国科学院名誉院士的同时,他当上了一名包税官,在向包税局投资50万法郎后,承包了食盐和烟草的征税大权,并先后兼任皇家火药监督及财政委员。

1771年,28岁的拉瓦锡与征税承包业主的女儿结了婚,更加巩固了他包税官的地位。

作为政府官员,拉瓦锡正是当时法国大革命要斗争的对象,1793年他作为包税组织中的一员被捕入狱。当时的学术界震惊了,各个学会纷纷向国会提出了赦免拉瓦锡的请求,但是,被罗伯斯庇尔领导的激进党所控制的国会,对这些请求不仅无动于衷,反而更加严厉地对待拉瓦锡。当时的国会还对外宣称:“共和国不需要学者,而只需要为国家而采取的正义行动!”

汉弗莱·戴维——聪明的“伯乐”

汉弗莱·戴维,英国化学家,是迄今为止发现化学元素最多的化学家,被誉为“无机化学之父”。

电化学的丰硕成果

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