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第17章 化学篇(3)

1826年8月,巴拉尔宣布发现了新元素溴,这种元素性质介于氯和碘之间,这一发现震惊了化学界。李比希看到了巴拉尔的报告以后,顿时想起四年前被他放到柜子里的那瓶“氯化碘”。他赶紧翻箱倒柜,找出了那瓶棕色液体,认真地进行了化学分析,分析结果使他激动又痛心。

原来,那瓶棕色液体既不含有氯,也不含有碘,更不是他猜测的“氯化碘”,其成分正是巴拉尔发现的新元素溴。如果4年前,李比希采取严格的科学态度,认真分析那瓶棕色液体,那么发现元素溴的不是巴拉尔,而将是李比希。

李比希与一个重大的科学发现失之交臂,他懊悔极了,恨自己粗心大意,恨自己进行了大半辈子的化学研究,却缺乏严格的科学态度。为了警诫自己,他将那瓶棕色液体放在原来的柜子里,并将柜子搬到大厅中,在上面贴上一个工整的字条——错误之柜。李比希要用“错误之柜”警惕自己,教育学生。

108.巴拉尔发现溴

1802年9月30日,巴拉尔出生于法国的蒙彼利埃。他出身于一个普通的家庭,父母都是制酒的,但他的教母发现他很聪明,因此一心培养他,让他受教育。

1824年,巴拉尔将从大西洋和地中海沿岸采集到的黑角菜烧成灰,然后用水浸取得到了一种灰汁。他往灰汁中加入氯水和淀粉,溶液就分成了两层。溶液的下层显蓝色,这是因为淀粉与溶液中的碘生成了加合物;上层显棕黄色,这是一种从未被别人观察到的现象。

对于这样的现象,巴拉尔认为可能有两种解释:第一,氯与灰汁中的碘形成了化合物;第二,上层的棕黄色溶液中含有一种新元素,可能是氯从灰汁中将它置换出来的。于是,巴拉尔采用种种方法,企图将这种物质分解,但都没有获得成功。巴拉尔断定这种物质不是氯化碘,而是一种与氯和碘都相似的新元素。

巴拉尔又发现,如果用乙醚和苛性钾与这种棕黄色溶液一起充分振荡(其中的溴已变成溴化钾),再往其中加入浓硫酸和二氧化锰,将此混合物蒸馏,就会产生一种红棕色的气体,它被冷凝以后,成为一种液体。根据这种现象,巴拉尔推断这是一种在室温下呈液态的元素,他将这种元素定名为muride。

法国科学院于1826年8月审查了巴拉尔的新发现,由盖-吕萨克等3位著名的化学家共同审查。他们不赞成使用muride这个名称,而将它改称bromine(中译名为溴),含义是恶臭。最后,他们签署了意见:“关于溴是否是一个极简单的个体,今日我们更有知道的必要,我们已经做过的不多几次的实验也许还不足以证明它确实是极简单的个体,然而我们认为至少是很有可能的。巴拉尔先生的报告作得很好,即使将来证明溴并不是一个单体,他所罗列的种种结果还是能够引起人们绝大的兴趣的。总之,溴的发现在化学上实为一种重要的收获,它给了巴拉尔在科学事业上一个光荣的地位。我们认为这位青年化学家完全值得受到科学院的鼓励。”

109.本生创立光谱分析法

1852年,著名化学家罗伯特·威廉·本生在海德堡任教授,从事化学教学和研究。本生很擅长做实验仪器,他制成了本生电池、水量热计、蒸气量热计、滤泵和热电堆等实验仪器。

他研制的实验煤气灯,后来被称为“本生灯”,一直到现在,许多化学研究人员在实验室中还使用这种灯。不同成分的化学物质,在本生灯上的烧时,出现不同的焰色,这一点引起他极大的注意,成了他以后建立光谱分析的机遇。

本生在他发明的灯上的烧过各种化学物质,他发现,钾盐灼烧时为紫色,钠盐黄色,锶盐洋红色,钡盐黄绿色,铜盐蓝绿色,钙盐砖红色。起初,他认为,他的发现会使化学分析极为简单,只要辨别一下它们的烧时的焰色,就可以定性地知道其化学成分。但后来经过研究发现,事情绝不那样简单,因为在复杂物质中,各种颜色互相掩盖,使人无法辨别,特别是钠的黄色,几乎把所有物质的焰色都掩盖了。本生又试着用滤光镜把各种颜色分开,效果比单纯用肉眼观察好一些,但仍不理想。

1859年,本生和物理学家基尔霍未开始共同探索通过辨别焰色进行化学分析的方法。他们决定制造一架能辨别光谱的仪器。他们将一架直筒望远镜和三棱镜连在一起,设法让光线通过狭缝进入三棱镜分光,这就是第一台光谱分析仪。

“光谱仪”安装好以后,他们就用它系统地分析各种物质,本生负责烧各种化学物质,基尔霍夫负责观察、鉴别和记录。他们发现用这种方法可以准确地鉴别出各种物质的成分。

1860年5月,本生和基尔霍夫用他们创立的光谱分析法,在狄克海姆矿泉水中,发现了新元素铯;1861年2月,他们在分析云母矿时,又发现了新元素铷。此后,光谱分析法被广泛采用。1861年,英国化学家克鲁克斯用光谱法发现了铊;1863年德国化学家赖希和李希特也是用光谱法发现了新元素铟,以后又发现了镓、钪、锗等。

110.热衷于研究炸药的诺贝尔

闻名世界的“诺贝尔奖”是以一个人的名字命名的,他就是瑞典化学家、发明家和炸药的发明者——诺贝尔。

诺贝尔的父亲是一位颇有才干的发明家,倾心于化学研究,尤其喜欢研究炸药。受父亲的影响,诺贝尔从小就表现出顽强勇敢的性格,他经常和父亲一起去实验炸药。多年随父亲研究炸药的经历,也使他的兴趣很快转到应用化学炸药方面。

1862年夏天,诺贝尔开始研究硝化甘油。这是一个充满危险和牺牲的艰苦历程,死亡时刻都在陪伴着他。他在一次进行炸药实验时,发生了爆炸事件,实验室被炸的无影无踪,5个助手全部牺牲,连他最小的弟弟也未能幸免。此后,政府不准诺贝尔在市内进行实验。

诺贝尔将实验室搬到市郊湖中的一艘船上继续实验。经过反复实验,诺贝尔发明了硝化甘油炸药。当时,矿山开发、河道挖掘、铁路修建及隧道的开凿,都需要大量的烈性炸药,所以,硝化甘油炸药的问世受到了普遍的欢迎。但是,这种炸药本身有许多不完善之处。存放时间一长就会分解,强烈的振动也会引起爆炸,在运输和贮藏的过程中曾经发生了许多事故。针对这些情况,瑞典和其他国家的政府发布了许多禁令,禁止任何人运输诺贝尔发明的炸药,并明确提出要追究诺贝尔的法律责任。

面对这些考验,诺贝尔没有被吓倒,他又在反复研究的基础上,发明了以硅藻土为吸收剂的安全炸药,这种被称为“黄色炸药”的安全炸药,在火烧和锤击下都表现出极大的安全性。这使人们对诺贝尔的炸药完全解除了疑虑,诺贝尔再度获得了信誉,炸药工业也很快地获得了发展。

在安全炸药研制成功的基础上,诺贝尔又开始了对旧炸药的改良和新炸药的生产研究。两年以后,一种以火药棉和硝化甘油混合的新型胶质炸药研制成功。这种新型炸药不仅有高度的爆炸力,而且更加安全,既可以在热辊子间碾压,也可以在热气下压制成条绳状。

胶质炸药的发明在科学技术界受到了普遍的重视。诺贝尔在已经取得的成绩面前没有停步,当他获知无烟火药的优越性后,又投入了混合无烟火药的研制,并在不长的时间里研制出了新型的无烟火药。

诺贝尔一生的发明极多,获得的专利有200多种,其中仅炸药就有100余种。在他生命的垂危之际,他仍念念不忘对新型炸药的研究。

111.门捷列夫与化学元素周期表

门捷列夫是著名的化学家,他从小热爱劳动,喜爱大自然,学习勤奋。23岁时,他成为彼得堡大学最年轻的一位副教授。

当时,大多数科学家都热衷于研究物质的化学成分,尤其是醉心于发现新的元素,对化学变化数量方面的知识远远超过对其本质方面的研究。门捷列夫认为:单纯地收集和积累事实不是科学的方法。他确信杂乱无章的现象绝不是自然的本来面目,只是人们对它的规律性还缺乏认识而已。他决心找出化学元素性质变化的规律。

面对当时已知的63种元素,他经过反复探索和比较,发现只有按照元素的原子量来编排元素是最理想的。接着,他又确定用元素的化合价,来比较元素的性质。

门捷列夫做了很多卡片,在每一张卡片上都写上了元素的名称、原子量、化合物的化学式和主要性质。之后,他把卡片加以系统整理。他先是把卡片分成3组,按元素的原子量大小排列,但毫无结果。

他打乱了这种组合,又把它们排成几行,再把各行中性质相似的元素排成横行,这一次,出现了完全没有料到的情况。每一行元素的性质都是按照原子量的增大而自上而下地逐渐变化着。门捷列夫在化学元素符号的简单排列中发现了规律,他把其他工作都放到了一旁,集中力量解决元素的排列问题。

1869年,门捷列夫正式发表了世界上第一张化学元素周期表,取得了具有划时代意义的重要发现。门捷列夫的周期表一印再印,仍供不应求。一些反对过他的人也向他道贺:“俄国科学界随着您闻名世界了!”

荣誉和赞扬纷至沓来。世界上许多著名的大学和学术团体授予他荣誉称号,一些著名的国家科学院选举他为本院的院士,他还荣获了戴维金质奖章。门捷列夫成了举世闻名的化学家。

112.尊重事实的范特霍夫

1901年,诺贝尔化学奖的第一道灵光降临在荷兰化学家范特霍夫身上。这位一生痴迷实验的化学巨匠,不仅在化学反应速度、化学平衡和渗透压方面取得了骄人的研究成果,而且开创了以有机化合物为研究对象的立体化学。

在科学研究中,范特霍夫始终以尊重事实为第一规则。而他能在化学领域中取得成功,很重要的原因就是他尊重事实。过去的有机结构理论认为有机分子中的原子都处在同一个平面内,这一理论与很多现象是矛盾的,使很多现象都无法得到合理的解释。范特霍夫通过多次精心的实验,首先提出了碳的四面体结构学说,与旧的有机结构理论相抗衡。

新的理论遭到了当时一些权威人士的反对,德国的有机化学家哈曼·柯尔比就是其中一个。这位老科学家撰文将范特霍夫斥责了一顿。不仅如此,他还不远千里,从德国来到荷兰,要和范特霍夫一见高下。

当柯尔比气势汹汹地冲进范特霍夫的办公室时,范特霍夫已经恭恭敬敬地等候他了,范特霍夫相信自己有足够的事实证据使这位老先生信服他的理论。待柯尔比的火气稍稍减退之后,范特霍夫平心静气地向他陈述了自己的观点,条理清楚、论证有力。范特霍夫讲完后,非常诚恳地请柯尔比用事实来批评自己的理论。

这位老权威暗暗吃了一惊,他觉得眼前这个年轻人不可小视,讲述观点时有条有理,论证时周密严谨,很有大家风范。至此,柯尔比被折服了,刚来时的火气完全消失了,他还力邀范特霍夫去普鲁士科学院工作。

范特霍夫就是凭着实事求是的态度,让人们心悦诚服地接受他的理论。他永远都注视着事实,他的视野里只有这一样东西。

113.奥斯特瓦尔德制作烟花

奥斯特瓦尔德是德国著名的化学家,也是物理化学这一学科的创始人之一。

11岁时,奥斯特瓦尔德偶尔看到一本制作烟花的书。书中提到的化学药品除惯用名和学名外,还标注了化学式。奥斯特瓦尔德向老师询问化学式的意义,老师只是告诉他,到五年级时就会明白的。他只好在无人指导的情况下自己动手摸索、制作烟花。

父母对他的举动都很支持。母亲把省下的零用钱全交给他,让他购买硝石、硫磺、锑等化学药品,还把厨房的研钵、筛子、器皿让给他用。父亲将地下室的一间屋子腾了出来,供他实验。

即使这样,他还是没有足够的钱去购买用于制取浓硝酸的曲颈瓶、玻璃管等器具。奥斯特瓦尔德一方面利用寒假到建筑工地干零活挣钱,一方面作贴花画筹措铜币。在备足了起码的药品和仪器后,他按照书中的说明和图示精心操作、反复试验,终于成功地制出了他渴望已久的烟花。望着五彩缤纷的焰火冲向夜空,奥斯特瓦尔德真是喜出望外。

制作烟花的成功,鼓舞了奥斯特瓦尔德,引发了他对化学实验的兴趣。在实验的过程中,他不仅提高了实验化学的技能,而且在实验的过程中悟出了一些书上没有讲的,解决问题的途径和简便方法,这些活动使奥斯特瓦尔德一生受益匪浅。

114.能斯特提出热力学第三定律

化学热力学,主要是吉布斯和范特霍夫在19世纪后半期建立起来的,这一领域后来由德国化学家W·能斯特于1906年提出的热力学第三定律而得到发展。

1906年,能斯特在研究低温条件下物质的变化时,将热力学的原理应用到低温现象和化学反应过程中,发现了一个新的规律,这个规律被表述为:“当绝对温度趋于零时,凝聚系(固体和液体)的熵(即热量被温度除的商)在等温过程中的改变趋于零。”1912年,能斯特又将这一规律表述为绝对零度不可能达到原理:“不可能使一个物体冷却到绝对温度的零度。”这就是热力学第三定律。

当时,要想检验这一定律的有效性是不容易的。能斯特不得不亲自收集大部分必需的数据,花了很长的时间才证明他的理论是正确的。这一理论对化学的发展有重要的意义。由于在热力学方面的成就,能斯特获得了1920年诺贝尔化学奖。

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