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第10章 化学开山祖师——波义耳

恩格斯赞扬英国科学家罗伯特·波义耳,说他是“把化学确立为科学”的伟大人物,原因是他于1661年发表的著作《怀疑派化学家》对化学发展产生了重大影响,奠定了化学的基础。同时,化学史家也都把这一年作为近代化学的开始年代。那么,波义耳是怎样一位科学家?在发展化学科学上作出了哪些突出的贡献呢?为什么会得到这么高的评价和地位呢?

波义耳生于爱尔兰利兹莫城的一个贵族家庭。当时的英国正处于资产阶级革命时期,同时,近代科学也开始萌芽并出现。近代科学伟人如物理学家牛顿、意大利的伽利略、德国的开普勒、法国的笛卡尔都生活在这一时期。可以说,波义耳生活在一个巨人辈出的时代,这使他能够站在巨人的肩膀上,高瞻远瞩,作出重大发现。

家境优裕为他的学习和日后的科学研究提供了较好的物质条件。童年时,他并不显得特别聪明,他很安静,说话还有点口吃。但是比起他的兄长们,他却是最好学的。他酷爱读书,常常书不离手。8岁时,父亲将他送到伦敦郊区的伊顿公学学习,3年之后他到当时欧洲的教育中心日内瓦度过了两年。在这里他学习了法语、实用数学和艺术等课程。1641年,波义耳又在家庭教师的陪同下,游历欧洲,年底到达意大利。旅途中即使骑在马背上,波义耳仍然是手不释卷。就在意大利,他阅读了伽利略的名著《关于两大世界体系的对话》。这本书给他留下了深刻的印象,他对伽利略本人更是推崇备至。

17世纪中期,他父亲在一次战役中死去。家庭情况的突变,经济来源的中断,使波义耳回到战乱的英国。在伦敦,他结识了科学教育家哈特利伯,哈特利伯鼓励他学习医学和农业。当时的医生都是自己配制药物,所以研究医学也必须研制药物和做实验,这就使波义耳对化学实验发生了浓厚的兴趣。

为了研究医学,波义耳翻阅了医药化学家的许多著作,同时为自己创造了一个实验室,整日浑身沾满煤灰和烟,完全沉浸于实验之中。

和当时的许多科学家一样,波义耳首先研究的对象是空气。通过对空气物理性质的研究,特别是真空实验,他认识到真空所产生的吸力乃是空气的压力。他做了一系列实验来考察空气的压力和体积的关系,并推导出空气的压力和它所占体积之间的数学关系。在他的著作《关于空气弹性及其物理力学的新实验》中,他明确提出:“空气的弹性和它的体积成反比”。法国物理学家马略特在此后15年也根据实验,独立地提出这一发现。所以后人把关于气体体积随压强而改变的这一规律称作波义耳-马略特定律。这一定律用当今较精确的科学语言应表达为:一定质量的气体在温度不变时,其它的压强和体积成反比。

在化学实验中,波义耳读了不少前人的有关著作,也了解到当时的一些科研成果。这不仅开阔了他的眼界,丰富了他的思想,同时也为他整个实验的安排提供了指导,使他认识到化学在工业生产中所具有的广泛意义,化学不应只限于制造医药,而是对于整个工业和科学都有着重要作用的科学。为此,他认为有必要重新来认识化学,但首先要讨论的是什么是化学。

波义耳根据自己的实践和对众多资料的研究,主张化学研究的目的在于认识物体的本性,因而需要进行专门的实验,收集观察到的事实。这样就必须使化学摆脱从属于炼金术或医药学的地位,发展成为一门专为探索自然界本质的独立科学。为了引起人们的重视,他进一步强调指出:“化学到目前为止,还是认为只在制造医药和工业品方面具有价值。但是,我们所学的化学,绝不是医学或药学的婢女,也不应甘当工艺和冶金的奴仆,化学本身作为自然科学中的一个独立部分,是探索宇宙奥秘的一个方面。化学,必须是为真理而追求真理的化学”。这就是波义耳在《怀疑派化学家》中所阐述的第一个观点——化学应成为一门独立的学科。

为了确定科学的化学,波义耳考虑到首先要解决化学中一个最基本的概念:元素。古希腊哲学家柏拉图认为万物之源有四种基本要素:火、水、气、土,亚里士多德则进一步明确提出构成万物的四元素说。后来医药化学家们提出的硫、汞、盐的三要素理论也风靡一时。波义耳通过一系列实验,对这些传统的元素观产生了怀疑。他指出:这些传统的元素,实际未必就是真正的元素。因为许多物质,比如黄金就不含这些“元素”,也不能从黄金中分解出硫、汞、盐等任何一种元素。恰恰相反,这些元素中的盐却可被分解。

那么,什么是元素?波义耳认为:只有那些不能用化学方法再分解的简单物质才是元素。例如黄金,虽然可以同其他金属一起制成合金,或溶解于王水之中而隐蔽起来,但是仍可设法恢复其原形,重新得到黄金。元素的定义应是具有相同电荷数的同一类原子的总称。这样,波义耳确立了化学最基本的概念——元素的含义。

至于自然界元素的数目,波义耳认为:作为万物之源的元素,一定会有许多种。

现在看来,波义耳的元素概念实质上与单质的概念差不多。这种科学认识是直到20世纪初才清楚的。这就使化学第一次明确了自己的研究对象。

同时,在《怀疑派化学家》一书中,波义耳还强调了实验方法和对自然界的观察是科学思维的基础,提出了化学发展的科学途径。波义耳深刻地领会了培根重视科学实验的思想,他反复强调:“化学,为了完成其光荣而又庄严的使命,必须抛弃古代传统的思辨方法,而像物理学那样,立足于严密的实验基础之上。”波义耳正是这样身体力行的。波义耳把这些新观点新思想带进化学,解决了当时化学在理论上所面临的一系列问题,因此,我们说,波义耳的《怀疑派化学家》可以作为近代化学的开始,他本人也被人们称为化学科学的“开山祖师”。

在波义耳众多的科研成果中,还有几项不能磨灭的化学成就。波义耳常说,要想做好实验,就要敏于观察。这几项成就都是实验中敏锐观察的结果。

在一次偶然的试验中,波义耳发现五信子水浸液和铁盐在一起,会生成一种不会沉淀的黑色溶液,这种黑色溶液久不变色。由此他发明了制取黑墨水的方法,这种墨水几乎用了一个世纪。

在实验中,波义耳还发现,从硝酸银中沉淀出来的白色物质,如果暴露在空气中,就会变成黑色。这一发现,为后来人们把硝酸银、氯化银、溴化银用于照相术上,做了先导性工作。

晚年的波义耳在制取磷元素和研究磷、磷化物方面也取得了成果,他根据“磷的重要成分乃是人身上的某种东西”的观点,努力地钻研,终于从动物尿中提取了磷。经进一步研究后,他指出:磷只在空气存在时才发光;磷在空气中燃烧形成白烟,这种白烟很快和水发生作用,形成的溶液呈酸性,这就是磷酸,把磷与强碱一起加热,会得到某种气体(磷化氢),这种气体与空气接触就燃烧起来,并形成缕缕白烟。这是当时关于磷元素性质的最早介绍。

波义耳之所以取得这么大的成就,都是因为他勤奋学习、多做实验的结果。

环境对人的成功也是有很重要的作用的。波义耳之所以取得这么大的成就,就是因为他生活在近代科学的萌芽时期,这就使他能够站在巨人的肩膀上,看得更高,望得更远。那么,我们应该怎样做呢?

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