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第7章 化学家的故事(7)

高空反应使比奥的状况越来越不好,最后,他们勉强采集了一些空气样品,不得不着陆了。

这两位勇敢的研究家忘我升空的消息引起了极强烈的反应,到处都在谈论着这两位航行家。

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,他尽量轻装。当气球升至7016米时,他毅然把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。

这次,盖·吕萨克创造了当时世界上乘气球升空的最高纪录。

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;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。

在气体的实验中,盖·吕萨克发现,氧与氢化合时,氧气的体积差不多,总是氢气体积的一半。于是,他想到这简单的体积关系,可能同物质的原子结构有关。

他往容器里充满等体积的氮和氧,然后让混合物通过电火花。于是就产生了新的气体——一氧化氮。他发现:一体积的氧和一体积的氮,经化合得到了两体积的一氧化氮。进一步研究许多不同气体间的化学反应,使他注意到,在所有参加反应的气体体积和反应后生成的气体体积之间,总是存在着简单的比例关系。由此他发现了一个重要的基本化学定律——气体化合体积定律。

发明制造碱金属的新方法,是盖·吕萨克在无机化学中的又一贡献。

法国人库特瓦在从海草灰中制取钾盐的过程中,发现了一种未知的新物质,库特瓦成功地分离出这种物质,并把它交给化学家克莱曼和德索尔母进行研究,但这位化学家没有发表任何研究成果,就把这种新物质交给了英国化学家戴维。

盖·吕萨克得知这个消息后,非常着急,他对克莱曼说:“你们太轻率了,法国人可以研究出这种新物质,可你们把它交给了一个英国人,这回戴维将会发现这个新元素,为他的祖国争得荣誉。”

为了为自己的祖国争光,盖·吕萨克决心要和戴维比赛一下,他从库特瓦那里取回了偶尔留下的一点那种新物质,开始了夜以继日的研究。

几天以后,盖·吕萨克成功地得到了这种纯净的元素。它是一些小小的鳞片般的东西,像金属一样闪闪发亮,加热时它们很快便蒸发,沉甸甸的深紫色的蒸气充满了烧瓶。

“我们把这种元素叫做碘吧。”盖·吕萨克自豪地看着这些紫色的精灵,碘的意思是紫罗兰。

盖·吕萨克还特别重视把科学理论成果转化为生产力。他对硫酸制造工艺的改进,就是他对硫化物研究成果的重要应用。

19世纪初流行铅室法制硫酸工艺:为了把二氧化硫氧化为三氧化硫,在含有二氧化硫的空气中加入二氧化氮,就会生成三氧化硫和一氧化氮。用水把三氧化硫吸收后,剩余的气体通过高大的烟囱排到大气中去,但是,当这些气体和空气混合在一起时,其中的一氧化氮立即就转变为二氧化氮。二氧化氮是有毒的棕褐色气体,这种棕褐色烟雾从烟囱里冒出,不仅毒害着周围的生物,而且也毒害着工厂里的工作人员,硫酸工厂附近的植物全部被毒死。这些硫酸厂就像在荒漠上的一座座凶险恶毒的火山,永不停息地升腾着毒性的烟团。必须采取紧急措施解决这个问题,一些生产硫酸的工厂主向盖·吕萨克提出了请求。

盖·吕萨克投入了紧急的研究之中。他查明,氮的几种氧化物能溶解在硫酸里,他将这种溶液叫做含硝硫酸,它是无毒的。

“不要让这种废气从烟囱中排出,”盖·吕萨克对厂主解释道,“应当设法化废为利。为此,要建造一座吸收塔,塔高10—15米,塔内有耐酸的材料作衬里,废气从塔的底部进入,将硫酸从塔的上部喷淋下来,当氮的氧化物遇到硫酸时便和它化合,成为含硝硫酸,含硝硫酸向下流去,可以收集起来重新利用,而排向大气的就只有无毒的气体。”

19世纪40年代,盖·吕萨克的想法在实践中被采用,在生产硫酸的工厂里出现了吸收塔,这种塔至今仍然被称作“盖·吕萨克塔”。

除了上述研究,盖·吕萨克还探讨了氰化物并首次制得了氰。他将氰化汞与浓盐酸一起蒸馏,制成无水氢氰酸,开创了对氢氰酸的组成、性质的系统研究。同年,他加热分解氰化汞,发现生成一种可燃气体,经研究确定其组成成分为碳、氮二元素,他命名该气体为“氰”。

72岁时,盖·吕萨克在巴黎逝世。

盖·吕萨克的故事让我们知道,在科学的道路上,处处充满了危险和坎坷,艰难和险阻,有的时候甚至要冒着生命的危险去进行研究,从而取得成就。科学成果的背后是艰辛和磨难。

杰出的贝采里乌斯

雅科比·贝采里乌斯,瑞典化学家。他第一次采用现代元素符号并公布了当时已知元素的原子量表,他发现和首次制取了硅、铣、硒等好几种元素,他首先使用“有机化学”概念;他是“电化二元论”的提出者。他发现了“同分异构”现象并首先提出了“催化”概念。他的卓著成果,使他成为19世纪的一位赫赫有名的化学权威。

贝采里乌斯,出生于瑞典林彻平附近的韦斐松答村。不幸的是,他4岁丧父,母亲改嫁后不久也死去了。继父虽不富裕,但仍给七个孩子请了家庭教师。为了教育的目的,继父常组织郊游。小雅科比十分醉心于研究野外的动植物。继父对雅科比关于植物的精到见解感到惊奇。有一次他说:“雅科比,你有足够的天赋去追随林奈的足迹。”卡尔·林奈是当时著名的科学家,他发表了《自然体系》、《植物学原理》、《植物的种》等杰出著作,勾画出一幅统一的科学世界图。林奈成了瑞典的骄傲。许多家庭的父母都幻想着他们的子女追随着这位知名的学者,在和平的科学园地中扬名流芳,他的继父也是这样幻想的。

雅科比·贝采里乌斯进入中学后,学习不很努力,但对自然科学兴趣广泛。他搜集鸟类、昆虫和植物的标本,醉心于打猎,忘记了严格的校规。其间有一年,他停学做家庭教师以备足学费。17岁,他考入乌普萨拉大学医学院。他一边学习一边教课,这种艰苦的生活培养了他的意志和热爱劳动的精神。为了教课,他开始学法语、德语和英语。

20岁时,贝采里乌斯读到了德文的《反燃素化学基础原理》,这本通俗易懂、面对事实的教科书使贝采里乌斯十分向往化学实验室的工作。由于化学成绩不好,他只好买通工友趁老师不在时进入实验室。一次,老师在他背后观察了他的操作,开始让他做一些简单的工作。贝采里乌斯回忆说:“我对这类枯燥无味的实验很不满意,决定再也不请求指派我做实验了。其实,我还是继续到实验室去,甚至还制作了一些制剂;但老师非常不喜欢我不声不响地工作并且从来不向他们提出任何问题;我竭力通过读书、思考、实验来解答自己的一切问题,不想去请教那些没有真才实学、把自己一知半解的知识给我做出要么是含糊其辞的至少也是不能令人满意的回答的人。”

19世纪初,瑞典化学家贝采里乌斯受道尔顿的原子论的启发,终于为困惑他好久的问题找到了答案。在日记中,他用生动明快的笔调写道:“我明白了,首先应当以最大的精确度测出尽可能多的元素的原子量。不这样,化学理论所望眼欲穿的光明白昼就不会紧跟着它的朝霞而出现。这是那时候化学研究的最重要任务,所以我完全献身于它。”

23岁,贝采里乌斯从医学院毕业后担任斯德哥尔摩大学助教。第二年,他与赫新格尔共同发现铈,这对于24岁的贝采里乌斯意义重大;六年后,他被选为瑞典科学院院士,接着又被选为科学院院长;从39岁直至逝世,任瑞典科学院常任秘书。

贝采里乌斯在许多领域里都有深刻的研究:

(1)发现了三种化学元素;

(2)提出了适用于各种语言,沿用至今的元素符号表示法,如甲烷CH4,水H2O;

(3)测定了大约两千种化合物的组成;

(4)确定了很多化合物的化学式;

(5)测定原子量,发表了三张原子量表。原子量测定的研究耗费了他二十多年的时间和精力。他在简陋的实验室里,用多种简捷严谨的方法测定了大约两千种化合物的质量组成,得出相当精确的数据。这番宏伟艰巨的劳动为精确计算原子量打下了坚实的基础。

(6)创立了电化二元论,认为所有的化合物均由带正电和带负电的两种性质的微粒组成,微粒间作用力的强弱决定了化合物的性质和分类。

(7)发现同分异构现象,并以他对原子论的深刻理解,明确指出组成相同的两种化合物性质不同,是由于其内部原子的排列方式不同。这样,就把有机物内部结构的问题提了出来,启发更多的化学家思考、研究。

贝采里乌斯一生勤奋,在57岁时才感到孤独而结了婚。他从小体质就差,23岁起患偏头痛,常常因为过度疲劳和头痛而不得不放弃工作,这是他最痛苦的事。

康尼查罗评价贝采里乌斯时曾说:“贝采里乌斯从1807年开始的和从1809年以更大力量继续进行的勤奋而恒久的研究,对于原子论的进一步发展和把它应用于化学的各部门来说,做得正当其时。在这方面,这位瑞典化学家比他所有同时代的人做得都多。”

化学研究是一种枯燥和乏味的工作,有些工作甚至需要不断的重复。贝采里乌斯用二十多年的时间和精力进行了原子量测定的工作,他的恒心和耐力是惊人的。或许,这正是他成功的秘诀。

长寿化学家——舍夫勒尔

18世纪80年代的一天,在法国的曼思-卢瓦尔省昂热,伟大的化学家米歇尔·欧仁·舍夫勒尔诞生了。

靛蓝是舍夫勒尔毕业后的第一个研究项目,他将天然靛蓝用水、酒精、盐酸等依次进行提纯而得到红色靛蓝和蓝色靛蓝,同时找出这两种靛蓝转变成无色物质的条件。后来知道这两种靛蓝互为同分异构体,因此,舍夫勒尔是第一位发现同分异构体的人,比贝采里乌斯要早24年。

社会需要颜色鲜艳、图案漂亮的布匹和纺织品,这促使学者对于天然染料的研究发生浓厚的兴趣。舍夫勒尔发现从巴西木、美洲苏木中提取的染色物质和靛蓝不同,而是另一类染料。其一,用这类染料染色前必须将纺织品用媒染剂明矾水浸泡;其二,所染的颜色需经空气氧化后才显现出来,他把这类新的染料分别称作巴西红和苏木蓝(苏木精),他又从榭树、摩岑、黄花木樨中提取一种纯净的黄色物质,此物质借助明矾可产生鲜明的黄色,若配以适量的靛蓝则出现美丽的绿色。

19世纪20年代末,舍夫勒尔已认识到掌握染色过程对生产出美观耐用的有色织品起着重要作用,他将研究成果著成《染料应用化学讲义》一书,于19世纪30年代出版。

染料与染色过程的研究工作使舍夫勒尔想到各种颜色的相互影响问题:各种颜料应当怎样混合?怎样搭配方能和谐美观?以及如何进行反衬相对?这就要求颜料应具备准确、固定的颜色和色调。而做到这一点,除了必须对颜料生产实行严格的检查和控制,还应建立一套适用的标准颜色。舍夫勒尔经过多年的艰苦探索,终于创立了一套标准色轮,这套色轮仍然是目前制定检验颜色方法的基础。舍夫勒尔选用红、黄、蓝三种颜色作为基色,并以等距离排布在同一圆周上,在每两种基色之间又都排布23级深浅不同的色调,共69种色调。此外,他还建立了8个色轮,作为对标准色轮的补充。

舍夫勒尔的这一成就不仅对物理学中的“色度学”起了重大的推动作用,而且对色彩心理学,甚至对印象派绘画都产生强烈的影响。

人类从古代就食用、制备油脂了,但对其组成和性质则知之甚少。19世纪初,舍夫勒尔开始研究油脂。他首先用盐酸处理猪油制成的钾肥皂,得到了一种类似珍珠母的酸性结晶体,称为珠脂酸即十六烷酸,从母液中提取出油酸。9年后,他和布拉孔诺合作把硬脂酸(硬脂酸甘油酯)和软脂精(软脂酸甘油酯)区别开,并且制备了硬脂酸。之后的5年间,他从牛乳脂中取得丁酸、山羊脂中制得己酸和癸酸、海豚脂中提取异戊酸。

通过大量的研究工作,舍夫勒尔证明了油脂的皂化过程产生肥皂和甘油,而肥皂用矿物酸处理则得一种不溶于水的酸性物质——脂肪酸,即肥皂是脂肪酸盐,由此证明脂肪是由脂肪酸和甘油组成的。

那么脂肪是脂肪酸和甘油的混合物还是化合物呢?经过对皂化反应的定量研究,他发现脂肪酸和甘油这两种皂化产物的总重量比原来油脂的重量大,说明油脂分子在皂化过程中发生水解所致,这正是酯类水解的特性。因此,舍夫勒尔指出:油脂是一种化合物——脂肪酸甘油酯。若能用脂肪酸和甘油合成出脂肪则更有说服力。差不多花了两年时间,他制得了三戊酸甘油酯和三丁酸甘油酯。化学家们迅速接受了这种观点。

这样,舍夫勒尔开创了油脂化学,他关于脂肪的组成和性质的研究在化学史上具有重要意义。

早在1815年,舍夫勒尔就从糖尿病患者的尿样中分离出糖,并指出这种物质是葡萄糖。这是人类认识糖尿病是一种糖代谢方面疾病而迈出的第一步。

10年后,舍夫勒尔和盖-吕萨克共同取得一项从脂肪酸制作蜡烛的专利。脂肪酸蜡烛比用旧法制成的牛脂蜡烛硬,火焰基本上不冒黑烟,发光亮,外观漂亮,气味也不太难闻。这在人类照明史上开创了一个新时代。因此,德国著名化学家霍夫曼给予他很高评价:“您用自己的双手,为人类开凿了光明的源泉。硬脂酸蜡烛完全可以和日益普及的煤气照明相竞争而毫不逊色,而且甚至,未来的照明电灯,看样子也不会对它造成任何威胁。”

通过对脂肪的研究,舍夫勒尔提出探索天然产物组成、性质的基本原则,即“近似分析原则”。它是利用一些“惰性”溶剂使有机化合物解体、分割,而不破坏或很小地改变化合物中的各个组分的一种分析方法。另外,他也是最早提出以熔点来鉴定有机物纯度的人。舍夫勒尔还制定了物质分类原则,将物质划分为属、科、种三类。如糖、淀粉和木质素归为一属,现在统称为糖类。他十分强调有机分析对于医学、药学、毒物学、生物学等学科的重要作用。“只有把有机分析全面而完整地应用到实际的药物工作中去,方能避免目前在处方和用药上存在着的不安全、不可靠的缺点。……才能够把那些和药材伴生的种种杂质与药材本身分离开”。

后来,80高龄的舍夫勒尔开始研究化学史,先后出版了许多内容丰富、评价客观公正的论著。他从古希腊的哲学家谈起,一直到拉瓦锡为止,对化学的发展做了全面的论述。

舍夫勒尔还是老年医学的首倡者,他于90岁时提出心理学对老龄者以及衰老对心理状态等影响问题。

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