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第2章 一开天辟地(1)

近代化学的奠基人波义耳

在三百多年化学科学发展的历史上,波义耳是一位名列榜首的化学家。因为,他第一个用实验事实科学地阐明了化学元素的本性,从而使化学走向了科学的道路。波义耳是怎样一个人?他是如何做出这样重大贡献的呢?

自幼酷爱科学

如果翻开那些大科学家们的历史看一看,你一定会发现,他们大都是从小就勤奋学习、酷爱科学的人。英国著名化学家、物理学家波义耳,就是其中的一个。

1627年1月25日,波义耳生于爱尔兰的利斯奠尔城堡。父亲理查德·波义耳,是爱尔兰首府科克郡的伯爵,是个有名的大富翁,共有14个儿女。罗伯特·波义耳是这14个儿女中最小的一个,但在儿子的行列中他是第7位。别看他在这个贵族家庭中排名位置不佳,可自幼就表现出非凡的记忆力和语言才能,有“神童”之称。8岁那年,他结束家庭的初级教育去伊顿上学时,就已经能用希腊文和拉丁文讲话了。在那所贵族子弟学校里,他是一个出色的学生,对自然科学有着极浓厚的兴趣。

他的父亲是个对孩子很严厉的人,但对小儿子想搞科学的愿望很支持。他常对罗伯特·波义耳说:“你要想成为一个科学家,就必须得努力学习。”为此,他给儿子聘请了优秀的家庭教师。

罗伯特·波义耳在伊顿学习到12岁,以后便由家庭教师陪同,到法国、意大利、瑞士等国游学。在这期间,他学习了天文学家伽利略的著作、数学家笛卡儿的著作以及大量的化学、医学、哲学等方面的书籍。在日内瓦,他还受到宗教的感化,但他没有因此反对科学,却认为科学能支持“神的启示”。

1644年,17岁的波义耳回国时,他的父亲已在战争中死亡,给他留下了一份足够他维持生活的遗产。父亲去世后,在家里支持他搞科学的,就算是他的姐姐雷尼拉夫夫人了。

豪华住宅变成了实验室

在姐姐雷尼拉夫夫人的家里,经常有一些科学家、文学家、哲学家在一起聚会,讨论学术方面的问题,气氛十分热烈。波义耳回到伦敦后,也成了这种聚会的积极参与者。

法国著名的数学家和哲学家勒内·笛卡儿是雷尼拉夫夫人家里的座上宾。他也常来参加聚会,并且成了年轻的波义耳辩论的对手。笛卡儿的最大贡献是创立了“解析几何学”。在哲学方面,他主张理论至上,认为清晰明白的概念就是真理。这种错误主张,在当时还得到了许多学者的赞同。

波义耳不同意这种观点,他对这位年长且有很高名望的大学者说:“您把理性放在高于一切的位置是不对的,科学应该是实验科学,理性应该是来自实验。”他特别赞同英国哲学家培根的观点,即“真正的知识,应该建立在实验研究方法的基础上”,“一个哲学家,不应该像蜘蛛一样,把理性花在搞阴谋诡计上;他应该像蜜蜂一样,搜集事实,靠思维把它们酿成蜜。”

波义耳与笛卡儿的学术辩论,一直持续了好几天。在辩论中,还涉及到关于物质的组成问题。当时流行的有毕达哥拉斯的“四元素说”,即物质都是由火、水、气和土四种元素所组成的;还有帕拉塞斯的“三元素说”,即物质是由硫、汞和盐三种元素所组成。波义耳对这两种学说,都持怀疑态度。可是,如何解决这样重大的科学问题呢?他认为:“空谈无济于事,实验决定一切。”为实验方便,他要建立自己的实验室。

波义耳虽出身于贵族家庭,但从不追求豪华享乐的生活,把钱都用在了科学事业上。现在,他要筹建自己的实验室时,立刻就想到斯泰尔桥这个地方。这里是他继承的遗产。他决定把豪华的建筑加以改建,变成实验室,自己的卧室、图书馆也安排在这里。

经过紧张的筹建、施工,实验室于1645年底便建成并开始使用了。

这个实验室的设备相当不错。波义耳还配备了几位助手和技术人员。在这里,他进行了大量的化学及物理学方面的实验。他的实验室还是对外开放的,社会上的化学和物理学爱好者,都可以来这里进行实验研究。不久,这里便成了一个引人注目的实验研究中心。

在化学研究中,波义耳对物质的组成探讨最为深入,成果也最为突出。1661年出版的化学名著《怀疑派化学家》,就是他关于物质组成的成功之作,也是化学发展史上的一个重要里程碑。

怀疑派化学家

《怀疑派化学家》这本书,是采用朋友之间对话的形式写成的。书里的人物共有四位。一位是怀疑派化学家,他代表了波义耳本人的观点;一位是逍遥派化学家,他代表“四元素说”的观点;一位是医药派化学家,他是“三元素说”的代表;还有一位是中立派化学家,他在争论中保持中立。有一天,四位朋友在长尼兹的花园中相会,便讨论起“元素”问题。

逍遥派化学家的观点是,宇宙万物都是由土、水、气和火四种元素所组成。这四种元素又是由四种物性即冷、热、干、湿,两两结合成的。冷与干结合成土;湿与冷结合成水;热与湿结合成气(风);干与热结合成火。四种元素按不同比例结合,就形成各种各样的物质。这样,只要改变四元素的比例,普通金属也能变成黄金。

医药派化学家则认为,万物都是由硫、汞(水银)、盐三种元素按不同比例组成的。认为汞是一切金属的本质,硫是一切可燃物所共有的,硫与汞结合可以得到各种金属。普通金属与黄金、白银的差别,就在于含硫、汞的比例不同和纯度不同。如果找到一种“哲人石”,就可以把金属中的下贱成分除掉,使普通金属变为金、银。

这两派的观点,虽说法不同,但本质上是一样的,他们都为炼金术士们提供了“理论”依据。今天听来这些十分可笑的错误观点,在波义耳时代,却是极为盛行的。

代表波义耳的怀疑派化学家,以大量的实验事实驳斥了他们的观点。波义耳举出了黄金的例子。他说:黄金不怕火烧,经过烈火也未见黄金分解,更没分解出硫、汞和盐,也不可能含有土、水、气和火。但黄金可以跟其他金属形成合金,也可以用王水溶解,溶解后再经处理,底层就会沉淀出一层金粉,其数量和性质跟原来溶解的黄金一样。这说明黄金无论经过什么化学反应,黄金的微粒是不变的。他还举出水银的实验、铜的实验来说明这个观点。

怀疑派化学家在这里还批驳了“火能使复杂物质分解为元素”的说法。他说:砂子和碱混合熔化,会生成透明的玻璃,但玻璃不会再被火分解成原来的物质或更简单的物质。在他列举出许多事实之后,得出的结论是:“化学家从来也没有证明,化合物能通过化学分析正好分解出三种可以当作元素的特定物质。”他断言,物质的形成是复杂的,“四元素说”、“三元素说”都是错误的,就像一个人只认识三四个密码,却要破译一本用大量密码写成的书,这是不可能的。

从大量实验事实出发,他给元素下了一个明确的定义。他说:“我指的元素,应当是不由其他任何物质所构成的原始的、简单的、纯净的物质”,“是具有确定性质的、实在的、可觉察到的实物,是用一般化学方法不能再分解的最简单的实物。”

从现代观点看,他说的元素就是单质。尽管如此,在当时,波义耳关于元素的论证,有力地批判了炼金术士们陈旧的、唯心的元素观,使化学研究走向了科学的道路。

继1661年《怀疑派化学家》这一名著发表之后,第二年,他又发表了以他的名字命名的“波义耳定律”。

波义耳定律的发现

波义耳不仅是一位杰出的实验化学家,还是一位出色的实验物理学家。在物理学方面,使他最感兴趣的,是气体的研究。

首先,他注意到气体有弹性,即可被压缩,液体蒸发时,蒸汽会弥散在整个空间。这使他得出一个合理的推论,那就是气体是由保持一定距离的小微粒组成的。气体有弹性,就是微粒间的距离可大可小。

他还用一个抽掉空气的圆筒,第一次证明一块铅和一根羽毛在没有空气阻力时会同时着地。这正是伽利略的自由落体定律:一切物体在真空中下落的速度相等,而与物体重量无关。

当他知道葛利克制成了研究气体的设备空气抽气机后,便在助手虎克的协助下,自行设计制成了效率更高的抽气泵。这种抽气泵得到的真空,被叫做“波义耳真空”。

利用自制的抽气泵,波义耳多次做了气体的体积与压力有关的实验。在波义耳之前,意大利的科学家托赛利,于1643年就做过空气有压力的实验,但未能发现气体体积与压力之间的定量关系。波义耳就是要在前人的基础上,深入探究这样的问题。

他的实验清楚而有趣地表明:气体的体积与压力是成反比的。当压力增大一倍,体积就减少一半;当压力减少一半,体积又增大一倍。这是他用多种方法、多次实验,通过细心测量得出的结论。不论在压力高于大气压,还是压力低于大气压的情况下,都是如此。这就是著名的波义耳定律,它是1662年物理学上的重大发现。1676年,法国物理学家马略特也发表了一篇论文,说明气体体积与压力成反比的定量关系。所以,这一定律也称波义耳-马略特定律。

在波义耳定律发表的第二年,即1663年,世界知名的英国皇家学会成立了。波义耳被一致选举为该会会员。这时的波义耳名声愈来愈大,到处受到尊敬。不少公司请他任职,甚至还经常应邀入宫。但是,这一切荣耀丝毫也没有引起波义耳的关注,他所全力关注的还是科学事业。这时正是他创造力的极盛时期,一篇接一篇的科学论著,不断发表出来。

1664年,他发表了《关于颜色的试验和思考》;1665年,《酸碱假设的思考》问世;后来,还出版了《矿泉水的自然史简编》。这些都是波义耳在分析化学方面的重大贡献。

紫罗兰变色引发的思考

一天,在波义耳的实验室里,一束深紫色的、非常漂亮的紫罗兰忽然冒起烟来。走近一看,原来是做实验用的浓盐酸溅到花上了。波义耳立即拿起花束,放在水里清洗。结果,魔术般的奇迹发生了!紫罗兰变成红色,成了“红罗兰”。

这一偶然发现,却引起了波义耳的认真思考:紫罗兰若遇到其他的酸溶液,会不会也有这种现象呢?如果不是紫罗兰而是其他有色植物呢?如果有色植物遇到的不是酸,而是酸的对立物——碱,又会有什么结果呢?

波义耳解决这一连串问题的惟一办法,就是实验。于是,他让助手们离开实验室,去花园、去田野搜集各种有色植物。当助手们回来的时候,实验室几乎变成一座花房。这里不仅有上好的紫罗兰,还有玫瑰、樱草、洋红、石蕊、姜黄、苏木、五倍子等等。波义耳和他的助手们先把这些有色植物的浆汁浸渍出来,再将浸液分别与酸、碱作用。有的只在酸作用下变色,有的则遇碱才改变颜色。最有趣的是,紫色的石蕊浸液遇酸变红,遇碱则变蓝。这样一来,不就可以用这些植物浸液来辨认什么是酸,什么是碱了吗?这些浸液就是酸碱指示剂。为了使用方便,波义耳还想出了用吸收浸液后又烤干的纸,来检验酸碱的办法。至今还在使用的石蕊试纸,就是当年波义耳的发明。

在这项研究中,他还进一步了解到,除酸碱反应外,还有许多化学反应可以生成有颜色的物质。利用这些颜色的变化,就可以检验更多的物质。例如,硝酸银溶液与盐酸相遇,就会产生白色沉淀(即氯化银,当时波义耳称它为“月牙”)。碳酸钾溶液(植物中的碱)与氯化汞作用,则产生黄色沉淀。铜盐溶液中加些氨水,蓝色就会明显变深,如果醮点铜盐在火上烧一烧,火焰就会呈现绿色,等等。

分析化学,就是检验分析物质的成分和含量的。波义耳的上述发现,为分析化学的发展打下了很好的基础。所以,人们都尊敬地称他是分析化学的奠基人。

一个科学家,哪怕是一个最伟大的科学家,在科学工作上,也不可能没有缺点和错误。波义耳在研究燃烧现象时所提出的“火微粒说”,就是一例。

错误的“火微粒说”

波义耳的燃烧实验,最初是同虎克共同完成的。虎克是波义耳的最得力的助手,也是一位出色的物理学家。年轻时曾在牛津基督教堂当过合唱队员,后来做科学研究工作,他研究弹性物体发现了著名的“虎克定律”。他自称发现万有引力定律比牛顿还要早。1666年伦敦大火后,他参加了伦敦的重建工作,担任测量检查员,发了大财。他把大量钱财紧锁在铁箱里,死后才被人发现。他一生发明了许多科学仪器和设备。波义耳实验室里那个可以抽真空的空气泵,就是他协助波义耳设计制造的。利用这个空气泵,不仅做了大量的气体压力的实验,从而发现了波义耳定律,还做过许多有关燃烧的实验。

硫黄在空气中燃烧,会产生蓝色火焰。可是,当用空气泵把玻璃罩内的空气抽走,硫黄受热却只见冒烟不见着火。蜡烛的火焰、氢气的火焰,离开空气也会熄灭。这说明,空气是物质燃烧不可缺少的。

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