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第16章 化学篇(2)

100.道尔顿研究原子

约翰·道尔顿幼年时家贫,没有钱上学,但他以惊人的毅力,自学成才。道尔顿既具有敏锐的理论思维头脑,又具有卓越的实验才能,尤其是在对原子的研究方面取得了非凡的成果。他被称为“近代化学之父”,是近代化学的奠基人。

1799年,为了把大部分精力投入到科学研究中,道尔顿离开了学院。他在几个富人家里做私人教师,每天教课时间不超过两小时。这样,既能谋生又保证了他的科研工作。他很重视气体和气体混合物的研究。

道尔顿找到两种很容易分离的气体,分别测量了混合气体和各部分气体的压力。结果很有意思,装在容积一定的容器中的某种气体压力是不变的,引入第二种气体后压力增加,但它等于两种气体的分压之和,两种气体单独的压力没有改变。道尔顿由此做出一个重要的结论:气体在容器中存在的状态与其他气体无关。用气体具有微粒结构来解释就是,一种气体的微粒或原子均匀的分布在另一种气体的原子之间,因而这种气体的微粒所表示出来的性质与容器中没有另一种气体一样。从那以后,道尔顿开始研究更多关于原子的问题。

1804年以后,道尔顿又对甲烷和乙烯的化学成分进行分析和实验。在这次实验中,他发现了倍比定律:相同的两种元素生成两种或两种以上的化合物时,若其中一种元素的质量不变,另一种元素在化合物中的相对重量成简单的整数比。道尔顿认为,倍比定律既可以看作是原子论的一个推论,又可以看作是对原子论的一个证明。

1808年,道尔顿的化学著作《化学哲学的新体系》正式出版。书中详细记载了道尔顿的原子论的主要实验和主要理论。自此,道尔顿的原子论正式问世。

原子论建立以后,道尔顿名震英国乃至整个欧洲。他相继被选为柏林科学院名誉院士、慕尼黑科学院名誉院士、莫斯科科学协会名誉会员,还得到了当时牛津大学授予科学家的最高荣誉——法学博士。

101.阿佛加德罗提出分子假说

意大利化学家阿佛加德罗是第一个认识到物质由分子组成、分子由原子组成的人。他的分子假说奠定了原子分子论的基础,推动了物理学、化学的发展,对近代科学产生了深远的影响。那么,阿佛加德罗是在什么情况下,提出了分子假说的呢?

在英国化学家道尔顿正式发表科学原子论的第二年,法国化学家盖-吕萨克提出了一个新的假说:在同温同压下,相同体积的不同气体含有相同数目的原子。当道尔顿得知盖-吕萨克的这一假说后,立即公开表示反对。因为道尔顿在研究原子论的过程中,也曾作过这一假设,后来被他自己否定了。他认为不同元素的原子大小不会一样,其质量也不一样,因而相同体积的不同气体不可能含有相同数日的原子。双方展开了学术争论。

他们都是当时欧洲颇有名气的化学家,对他们之间的争论,其他化学家不敢轻易表态。  但阿佛加德罗对这场争论发生了浓厚的兴趣。1811年,他写了一篇题为:“原子相对质量的测定方法及原子进入化合物的数目比例的确定”的论文,在文中,他首先声明自己的观点来源于盖·吕萨克的气体实验事实。接着,他明确地提出了分子的概念,认为单质或化合物在游离状态下能独立存在的最小质点称作分子,单质分子由多个原子组成,他修正了盖-吕萨克的假说,提出:“在同温同压下,相同体积的不同气体具有相同数目的分子。”“原子”改为“分子”的一字之改,正是阿佛加德罗假说的奇妙之处。这一假说,后来被称为“阿佛加德罗定律”。

102.盖-吕萨克的升空探索

盖-吕萨克是法国著名的化学家,他不仅思维敏捷、实验技巧高超,而且有很强烈的事业心。为了考察不同高度的空气组成是否一样,盖-吕萨克曾冒险乘坐气球升入高空进行观察和实验。

1804年8月的一天,天气晴朗、万里无云,炎热的天气中不见一丝微风。盖-吕萨克和自己的好友、法国化学家比奥用浸有树脂的密织绸布做成一个巨大的气球,里面充进氢气。盖-吕萨克与比奥坐进了气球下面悬挂的圆形吊篮里。气球徐徐上升,他们挥手同欢呼的送行者们告别。

他们在缓慢上升的气球吊篮里,忙着进行空气样品的采集,不断测量地磁强度。紧张的工作使他们顾不上由于高空反应带来的头昏、耳痛等身体不适。他们冻得浑身发抖,仍顽强地坚持这次考察活动,终于取得了大量第一手资料。但是,盖-吕萨克对首次探险的收获并不满足。一个半月以后,他单身进行了第二次升空探索。

为了减轻负荷,提高升空高度,盖-吕萨克尽量轻装。当气球升至7016米时,他毅然将椅子等随身物件扔了下来,使气球继续上升。正在田间劳作的人们看到天上纷纷落下许多东西,都不清楚究竟发生了什么事。这一次,盖-吕萨克创造了当时世界上乘气球升空的最高记录。

两次探测的结果表明,在所到的高空领域,地磁强度是恒定不变的。他们所采集的空气样品,经分析证明,空气的成分基本上相同,但在不同高度的空气中,含氧的比例是不一样的。

1808年,他发表了气体反应体积比定律,也就是盖-吕萨克定律:参加同一反应的各种气体,在同温同压下,其体积成简单的整数比。这个定律对以后的化学发展影响很大。

103.戴维发现化学新元素

汉弗莱·戴维出生在英格兰彭赞斯城附近的乡村。当他读完小学后,父亲送他到彭赞斯城读书,寄养在外祖父家。在城里有一件新鲜事吸引了他,那就是医士配制药物时物质的各种奇异变化。

此后,他时常偷偷躲入顶楼,用碗、杯、碟作器具,学着做起实验来。他偶尔会在实验中惹了麻烦,遭到外祖父的训斥,但这丝毫也没有减弱他对化学实验的热爱。

1806年,他采用新的电解的方法研究化学元素。开始时,他用苛性钾的饱和溶液进行电解,但是并未分离出金属钾,只是把水分解了。戴维决定改变这种做法,电解纯净的苛性钾,但是干燥的苛性钾并不导电。他又将苛性钾烧至熔化,接通电流后,阴极白金丝周围很快出现了燃烧得很旺的淡紫色火苗。戴维还是一无所获。他冷静思考后,判断苛性钾的确分解了,但分解产物在高温下又立刻烧掉了。

后来,戴维在密闭的坩埚中电解潮湿的苛性钾,终于得到了一种银白色的金属。戴维将它投入水中,开始时它在水面上急速转动,发出嘶嘶的声音,然后燃烧,放出淡紫色的火焰。他确认自己发现了一种新的金属元素。

由于这种金属是从钾草碱中制得的,所以,戴维将它定名为“钾”。从那以后,他又用电解的方法制得了金属钠、镁、钙、锶、钡和非金属元素硼,成为化学史上发现新元素最多的人。

104.维勒偶然合成人工尿素

现在,尿素早已在农业生产上大量使用。科学家们也已创造出数以百万计的碳氢化合物,而且每天都在增加新的品种。有机合成化学工业的产品几乎影响到人们生活的每一个角落。可是,谁会想到,人类第一次合成出有机化合物纯粹是偶然事件。

弗里德里希·维勒是德国化学家。他幼时喜欢化学,尤其对化学实验感兴趣。他求学期间,既攻医学也学化学,但他的主要精力却是放在无机化学方面。

在某一次化学实验中,维勒把氰酸和氨放在一起,创造出一种由一个碳原子、一个氧原子、两个氮原子和四个氢原子组成的白色物质。维勒注意到,曾有一个化学家发现过一种物质,原子种类和个数与他所创造的物质相同,但颜色却是蓝的。

两种不同物质的原子种类与数目完全相同,这在当时被认为是不可能的,但实际上却发生了。因此,维勒重复了实验,再一次得到薄薄的白色结晶,证明了自己所创造的物质是与那位化学家发现的物质并不相同。但是这是什么物质呢?维勒认为这就是早年他学医时,从人们小便中分离出来的尿素。可是,当时人们认为尿素是不能人工制造的,但维勒却在这件偶然发生的事上看到了别人忽视的实质现象。

维勒将硝酸加进自然的尿素和他所创造出的白色物质中,得到的结果完全相同。他确信自己成功地做出了前人未能做的事——人工合成尿素。对于这件伟大发明,他在论文中承认,他预先并没有想到会取得这样大的成果。

105.贝采里乌斯提出新概念

琼斯·雅可比·贝采里乌斯是瑞典化学家,现代化学命名体系的建立者,硅、硒、钍和铈元素的发现者,他与道尔顿和拉瓦锡并称为“现代化学之父”。

贝采里乌斯也是开创有机化学研究领域的杰出化学家。1814年,贝采里乌斯通过精确的实验证实,有机物也遵守定组成定律。从那以后,他开始对有机物进行深入研究。

他最早引用了“有机化学”的概念。但由于当时科学条件限制,有机化学研究的对象只能是从天然动植物有机体中提取的有机物,即只能从有机物制造有机物。这给了人们一种错觉,似乎有机物均属“有生机之物”或“有生命之物”,并只有在一种非物质的“生命力”的作用下才能形成,而不能在实验室里用化学方法合成。这种“生命力论”束缚了有机化学的发展。

当维勒人工合成尿素之后,贝采里乌斯受到了极大的启发。他想到自己也曾发现过雷酸银和氰酸银,这是两种组成相同而性质不同的物质,当时误认是由于实验误差造成的。在维勒之后,他发现酒石酸和葡萄酸也有类似情况,于是,他认为必须提出一个新概念。他说:“我建议把相同组成而不同性质的物质称为‘同分异构’的物质。”同分异构现象的发现以及从理论上的阐明,是在物质组成和绪构理论发展中迈出的重要一步,它开始了分子结构问题的研究,促进了有机化学的发展。

106.古德伊尔改良橡胶制品

生活中,橡胶制品很常见,大到汽车轮胎、游泳圈,小到外科医生手术用的超薄的橡胶手套,还有小学生常穿的雨鞋。但是,最初的橡胶制品没有现在这么优良。那么,是谁改良了橡胶制品呢?他就是查尔斯·古德伊尔。

古德伊尔30岁前曾帮父亲经营五金业,后来破产。于是,他改行制作和改良橡胶产品,并为此专心致志、坚韧不拔地奋斗。

最初的橡胶都是没有经过硫化的生橡胶,人们几乎不知道它有什么正当的用处,稍有商业价值的是做涂擦铅笔字迹的橡皮。到了1823年,苏格兰人查尔斯·麦金托什利用它的气密性涂在布上制雨衣。但由于生橡胶的固有缺陷,一到热天就变软、发粘,到冷天又变硬,产品并不理想。

古德伊尔曾用生橡胶制作橡胶高筒靴,这种高筒靴在冬季非常好用,可是一到夏季便发粘变皱。一般的经营主遇到这种情况马上会甩手不干,迅速改行。但古德伊尔决心改进橡胶质量。

有位好心的药剂师赠送他几种药剂,让他进行橡胶的改质研究。当时的有机化学尚处于摇篮期,橡胶的化学结构非常复杂,他没有化学基础知识,只能像当时一些搞橡胶研究的人一样,边摸索边干。

最初,他成功地用氧化镁和石灰水对橡胶进行处理,使橡胶的表面光滑、美观。但问题是,这种橡胶一接触到醋和酸,其光滑的表面便会溃烂。

1839年2月,他将橡胶和硫磺、松节油混溶在一起,将其倒入带把的锅内,边拿着锅,边和朋友交谈。突然,锅从手中脱落,锅中的混合物掉在烧得通红的炉子上。这块橡胶本应受热后溶化,但并未溶化,仍保持原态,最后烧焦。他对这次偶然事件并未放过。他认为:这种烧焦的过程,如果在适当的时候能予以制止的话,那一定会形成不粘的橡胶混合物。

他反复进行了多次试验。为了获得最佳性质的橡胶,他对掺入橡胶的比例、加热到多少温度、何时停止加热等方法弄得一清二楚。在此期间,他试制出了几十种橡胶产品。最终确立了橡胶加硫的新方法,制作出品质优良的橡胶制品,他被称为“橡胶制品的鼻祖”。

107.李比希的“错误之柜”

尤斯图斯·冯·李比希是德国化学家,他最重要的贡献在于农业和生物化学,他被称为“化学之父”。他还发现了氮对于植物营养的重要性,因此也被称为“肥料工业之父”。

取得过很多成就的李比希也曾在科研上犯过粗心的错误。在著名化学家巴拉尔发现元素溴的前4年,李比希曾收到一瓶棕红色的液体,是一位德国商人给他的,据说是海藻灰的滤液。商人希望李比希能分析说明这瓶液体的成分。以当时李比希的实验设备和实验技术,完全有条件从这瓶液体中发现新元素溴。但是,李比希根本就没有做认真的化学分析,只用肉眼看了看,就匆忙断定,瓶中之物是“氯化碘”。然后,他就将这瓶液体放在柜子里,一放就是四年。

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