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第2节

生活化学实验的历史考量

化学科学的发展起源于各种生活实验。在古代和中古时代,人类开始制造陶器、瓷器、玻璃、金属、酿酒、染料、火药等生产和生活工具,这时化学科学开始萌芽。后来,化学科学以炼金术和炼丹术的原始形式出现,又从医药学中脱胎出来。在化学科学从萌芽到独立为一门科学的漫长历程中,化学实验的研究对象和实验原料多为生活中的常见物质,比如空气、氧气、二氧化碳、水、硫磺、汞等。其中,具有里程碑意义的事件是“元素”概念的提出和氧气的发现。这些重要概念和原理的提出都与生活化学实验分不开。篇幅所限,本节只介绍与此事件有关的化学家波义耳、舍勒、普利斯特里和拉瓦锡所做过的生活化学实验。

一、波义耳及其生活化学实验

17—18世纪,学校里的化学教育很不规范,大多数化学家都是自学成才。通过阅读化学书籍、照着书本做实验来掌握化学知识与实验技巧。富有的家庭通过雇佣家庭教师让孩子接受教育。波义耳(Robert Boyle)就是这样成长起来的。他于1627年出生在英国一个贵族家庭,经常参加姐姐家里的著名科学家集会。波义耳在瑞典和意大利进行访学和深造时,接触到世界第一流的化学家,看到他们都有自己独立的私人实验室。在实验室中,自己可以决定做任何科学实验,对此他十分羡慕。当他父亲不幸去世,他将继承的豪华住宅改造成化学实验室。

波义耳的实验多以生活中的常见物质为研究对象或实验原料,比如空气、石蕊地衣、盐类物质、磷、硫磺、金、银、铜、汞等金属等,其中较为著名的科学实验有波义耳石蕊试纸、波义耳墨水、波义耳气体定律、金属焙烧实验、磷的发现等。

波义耳石蕊试纸的发现源自偶然失误。在一次实验中,波义耳不小心把酸液洒在了实验室的紫罗兰上,深紫色的紫罗兰变成了红色。如果是普通人可能就错过这一现象,但是作为科学家的波义耳,很敏感地捕捉到了这一现象,他认为这绝不是一次偶然事件。于是他用不同植物与酸碱反应,发现大部分花草遇酸或碱都能改变颜色,其中以石蕊地衣中提取的紫色浸液最明显。在酸性条件下,它变成红色,在碱性条件下,它变成蓝色。于是,波义耳用石蕊溶液把纸浸透,然后烤干,就制成了实验中常用的酸碱指示剂——石蕊试纸。还有一次,波义耳在用水制取五倍子浸液时得到一种黑色溶液,他发现这种溶液性质稳定,经久不褪色,于是就发明了黑墨水。

波义耳对化学科学的最大贡献在于1661年对“元素”概念的界定。从古代到中世纪,东、西方哲学家一直尝试着揭开世界万物的基本组成,相关学说有我国古人提出的金、木、水、火、土五元素说,古希腊哲学家亚里士多德提出的水、土、火、气四元素说,以及炼金术士提出的硫、汞和盐三元素说。波义耳批判性地分析了前人提出的各种学说,结合自己和前人多年以来的实验成果,对“元素 ”概念做了以下界定:我所说的元素的意思和那些讲得最明白的化学家们说的要素的意思相同。是指某种原始的、简单的、没有杂质的物体。元素不能用任何其他物体造成,也不能彼此相互造成。元素是直接合成所谓完全混合物(化合物)的成分,也是完全混合物最终分解成的元素。与前人提出的三元素、四元素和五元素说相比,波义耳提出的“元素”概念以大量实验事实为证据。“元素”概念的提出使化学真正成为一门科学,为后人研究物质的组成指明了方向。恩格斯认为,是波义耳把化学确立为科学。波义耳始终坚信“空谈无济于事,实验决定一切”,他十分鄙视那些不做实验的空谈者。他在化学科学上取得的成就与其坚定的科学实验信念与严谨求实的科学实验态度密不可分。

二、舍勒及其生活化学实验

火的发现和利用极大地推动了人类社会的发展与进步。化学萌芽期的各种生活实验均离不开火的使用。同时也引发了人们对燃烧现象的思考与研究。在这一研究中,氧气的制取与发现实验是关键。与此有关的化学家分别是舍勒、普利斯特里和拉瓦锡。

早期的化学家并非全是富家子弟。化学家舍勒(Carl Wilhelm Scheele)出生在瑞典的一个贫困家庭中。兄弟姊妹11人,他排行第七。舍勒从小就对制药有了兴趣,14岁在药店当了学徒。他在药店一边学习药学知识,一边做化学实验,并且博览群书。他记忆力非凡,只要有关化学的知识,他读一两遍就能记住。他说,“化学这种尊贵的学问,是我一生的目标。”他主要通过阅读化学著作自学化学知识,同时自己摸索着做实验。经过10年时间的磨砺,他具备了从事近代化学研究的能力。舍勒干了一辈子药剂师工作,做了大量化学实验,对近代化学的确立做了很多奠基性工作。他发现的化学物质之多,在当时是史无前例的。1773年,舍勒通过多种方法制取并收集了氧气,包括加热硝酸盐、加热氧化汞、加热黑锰矿与浓硫酸或浓砷酸的混合物等,但是他受燃素学说的错误指导,将发现的氧气命名为“火气(Fire Air)”。

三、普利斯特里及其生活化学实验

与舍勒同时发现氧气的另一位化学家是普利斯特里(Joseph Priestley)。他于1733年生于英国。6岁时母亲去世,由姑母抚养。长大后成为一名牧师。在业余时间里,他用微薄的工资,购买了各种实验仪器,在自己的宿舍里做各种化学实验。他从隔壁的酿酒厂中收集酿酒的废气,独立进行研究,发现了二氧化碳气体(当时二氧化碳气体被称为“固定空气”)。普利斯特里发现,这种气体一旦溶于水,饮用后可以清神解暑。其实,这就是我们所熟知的汽水。

1774年8月,普利斯特里用聚光镜照射水银灰(HgO),意外地发现一种气体。他将带火的木条放入气体中,木条燃烧得更旺。他将一只老鼠放入气体,“发现它们过得非常舒服后,我自己也受好奇心驱使,亲自加以实验(闻气)……身心一直觉得十分轻松舒畅。”原来,普利斯特里发现的这种气体是氧气,并证明氧气帮助呼吸。但他跟舍勒一样,受到燃素学说的错误影响,将发现的氧气命名为“脱燃素空气”。

四、拉瓦锡及其生活化学实验

舍勒和普利斯特里都分别通过实验制取出了氧气,但是他们在错误的燃素学说指导下,没能正确认识氧气。他们的失误为拉瓦锡(Antoine Laurent Lavoisier)推翻燃素学说,提出燃烧学说做了铺垫。1743年,拉瓦锡生于一个富有的律师家庭。受家庭影响,他最早学习的专业是法律。1763年法律专业毕业,并取得律师从业证书。后来拉瓦锡转行从事地质学研究,之后又转行为化学。拉瓦锡早期法律专业的学习经历使其具有较强的质疑、批判、求证等品质,这些品质在他的化学研究中发挥了重要作用。

在当时,燃素学说已经统治化学100多年,虽然越来越多的化学实验结果难以用燃素学说加以解释,但绝大部分科学家仍然对该学说深信不疑。但是拉瓦锡却不一样,他一直怀疑燃素学说的正确性。1772年,他看到达尔塞撰写的一篇研究报告,“在高温下烧得炽热的金刚石会消失得无影无踪”。这一实验结果使他深受启发。于是就做了另一个实验:把金刚石用调成糊状的石墨厚厚地包上一层,再把这些乌黑的圆球放在烈火中烧得通红,几小时后剥去石墨外衣,里面的金刚石竟然完好无损!拉瓦锡将此实验结果与达尔塞的研究报告中描述的金刚石在高温下消失的实验现象加以对照,认为“金刚石的失踪看起来与空气有关。莫非它与空气发生作用了?”这种想法与燃素学说截然相反。为了进一步验证,他又做了白磷燃烧、锡铅煅烧实验。这些实验的反应物中都有氧气。但在当时,氧气尚未被人们正确认识。拉瓦锡将其命名为“有用空气”。1774年10月,普利斯特里到巴黎访问,拉瓦锡会见了他。普利斯特里告诉拉瓦锡,加热氧化汞时,可得到“脱燃素空气”,这种气体使蜡烛燃烧得更明亮,还能帮助呼吸。拉瓦锡敏锐地意识到,普利斯特里说的“脱燃素空气”可能就是他所认识的“有用空气”。为了进一步验证自己的想法,他重复了普利斯特里的实验,加热分解氧化汞,得到了相同结果。他又用制得的气体重新和汞作用,结果又生成了氧化汞。这时真相大白了。拉瓦锡认为,物质燃烧的过程,就是它与这种气体相化合的过程,并且这种气体是一种元素。1777年,他把这种气体命名为“氧气”。同年9月5号,拉瓦锡向巴黎科学院提交了具有划时代意义的论文《燃烧概论》,建立了燃烧的氧化学说,彻底推翻了燃素学说。在化学史上树立了一座丰碑。回顾拉瓦锡提出燃烧学说的过程不难发现,他所做实验的主要原料大多来源于生活,尤其是看不见摸不着的氧气。 2h7by5pWAYEpmgCCn5e7PV8/mTVSnntE2W6yximWcgoylOM/F+m0J8mR+kJFl6V/

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