现代人类的日常生活离不开纸,纸早已是人类社会生活中的必需品,造纸工业已是许多国家的重要企业,一个国家纸的产量和消费量是衡量其文化发展水平的一种尺度。文化水平越高,纸的消费量越大。当人们享受着纸的好处和方便时,都不会忘记一千八百多年前,中国的一个伟大发明家——蔡伦,是他发明了造纸术。
在没有发明纸以前,人们想出许多办法来记录文字和传播文明,如利用树叶、树皮、麻布、兽皮、岩石等记录文字和图画。在中国古代,我们的祖先也曾用龟甲、兽骨、石碑、石鼓、竹简、木牍、缣帛、铜、铁等材料来刻写和铸造文字。但这些记录文字的材料使用起来都有一定的局限性和无法避免的缺点,使知识和文化的传播受到很大的限制。就拿古代使用最普遍的竹简来说吧,在竹简上刻字,是一项浩大的工程,为了能够长久保存,刻完后必须用火烤出水分,叫做“煞青”。然后还要用麻绳或牛皮绳一片片串起来,一长串的竹简卷起来存放,称为一“卷”或一“册”,阅读时从一头展开。不过,那时一卷书的信息量比起现在的一卷书可差远了,因为一卷书要适合人们拿在手中阅读,太重了不方便,所以一部字数有限的书,刻在竹简上就要分好多卷。古时的书可是庞然大物,战国时的思想家惠施外出游学,随身携带的书就装了五车,故有“学富五车”的典故。汉代的思想家东方朔写了一篇文章献给汉武帝,用了三千多片竹简,进呈时,由两个身材高大的太监吃力地抬进宫去。汉武帝每晚阅读时,命太监搬上来一堆竹简在龙书案上展开。这些竹简和木牍用绳子串起来,天长日久,绳子磨断了,简片就会散乱;几部不同的书堆在一起,一旦散开,整理起来也非常麻烦。
缣帛当然比竹简木牍便于携带和保存,但这种以蚕丝为原料的东西太昂贵,一般读书人根本用不起。
汉王朝是我国古代社会经济文化空前发展,空前繁荣的时代之一。在这样一个科学文化大发展的年代,竹简、木牍早已满足不了记录和传播文化知识的需要,全社会都在呼唤着一种物美价廉、使用方便的新型材料的诞生。
蔡伦正是为了满足社会的这一强烈需求而发明了纸。造纸术的发明和推广,使得蔡伦的名字进入了科学巨匠之列。纸的出现和传播,迅速替代了传统的书写材料,使知识得到迅速而广泛的传播,文明获得空前的发展;所以说纸的发明,是人类文化史上一件了不起的大事。蔡伦对于世界文化的贡献是无法估量的。
蔡伦(?~121),字敬仲,湖南耒阳县人。东汉明帝永平末年(约公元75年前后),蔡伦开始在洛阳京城皇宫内当差。和帝刘肇即位后(89),蔡伦做了中常侍,实际上就是皇帝的侍从宦官,传达诏令,掌管文书,有时也参与国家的军政机密大事。他聪明能干,很有才学,敦厚正直。以后又担任高方令,掌管和监督制造皇宫用的刀剑及各种器械。蔡伦认真负责,精益求精,他监造的刀剑器械无不精良、坚固,为后世仿效。
蔡伦是个爱动脑筋肯钻研问题的人,他注意到用竹简、木牍记载文字太不方便,就下决心研制一种新型的书写材料。据说,有一次地方官向宫中进献荔枝,蔡伦望着包荔枝的“絮纸”出了神。事后,他深入民间了解到,这种包果品的“絮纸”是一种自然成型的丝质薄纸,是制造丝棉的下脚料。在养蚕区,质量高的蚕茧用来抽丝纺织,质量差的蚕茧用来制取丝棉。
制丝棉采用漂絮法,工匠们将煮过的蚕茧放在透水容器中,浸泡在水里反复捶打,将茧打烂使蚕丝连成片状,摊在竹席上晾干后揭下,就制成了丝棉。丝棉作为寒衣的填充物,穿起来又轻又暖。取下丝棉后,一般竹席上还会粘有薄薄的一层短纤维,工匠们称为敝棉(或恶絮),干燥后揭下,就是那种包装果品的“絮纸”。
后来,蔡伦又考察了加工麻的过程。在棉花未传入我国的时候,达官贵人穿的绫罗绸缎是丝织品,而普通百姓穿的布衣则是用麻制成的。要想将麻的茎皮加工成可供纺织的纤维,需要将麻放在池塘中沤制。阳光使不流动的塘水温度升高,而那些以麻中的果胶为食物的真菌就会繁殖起来,果胶被真菌吃光后,就剩下可作纺织材料的纤维缕,这就是“沤麻”。
考察漂絮和沤麻的过程,使蔡伦受到很大启发,他决心造出一种价格便宜,方便书写的纸来。他考虑到丝棉和麻价格太贵,不能作为造纸原料。要想造出一般平民百姓都用得起的纸,必须找到价格便宜,料源充足的造纸原料。经过反复试验,蔡伦选用破布、破鱼网、烂绳头等为原料,粉碎捣烂成浆糊状,再把浆状物捞在细竹帘上,漏去水分,留在帘子上的纤维薄片定型干燥后便成了纸。这种纸质地坚韧,书写方便,价格便宜,很受人们欢迎。为了扩大造纸原料来源,蔡伦大胆地在原料中加入树皮,而树皮是木质韧皮纤维,不同于麻类的草本纤维,要离解木质韧皮纤维,工艺技术上要复杂得多,困难得多。经过深入研究,反复试验,蔡伦发明了加入石灰等碱性物质高温烹煮的办法。这是一项了不起的发明,它使造纸的制浆工艺从沤麻这一生物过程中脱胎出来,变为碱液制浆的化学过程。起初的雏形纸是自然成型的,纤维交织不紧密,干燥后会皱起来,无法书写。为了解决这一难题,蔡伦还首创了竹帘抄纸和定型干燥的技术,逐渐形成一套完整的工艺,使雏形的纸产生了质的飞跃,成为物美价廉的可供书写用的纸。有志者事竟成。蔡伦虚心向劳动人民学习,总结了制雏形纸的零散经验,经过自己创造性的劳动,终于发明了一整套系统的、具有重大生产和实用价值的造纸技术,完成了人类文明史上的一项勋业。
公元105年,蔡伦把自己造出的纸呈献给汉和帝,和帝很重视,赞许了他的才能,下令推广他的造纸法。公元114年,蔡伦被封为龙亭侯。他利用自己的地位,借助政府的力量,使造纸术和纸张的使用在全国普及,受到人们,特别是读书人的广泛欢迎。世人怀着对蔡伦的景仰之情,将这种纸称为“蔡侯纸”。
蔡伦在宫廷中当太监长达四五十年,难免不被卷入宫廷内部政治斗争的漩涡,以致在建光元年(121),已经年过花甲的蔡伦被迫服毒自尽了。一个伟大的发明家就这样成了封建皇权斗争的牺牲品。蔡伦死后,汉安帝取消了他生前的一切官职和封号。
蔡伦虽然死去了,但他发明的造纸术却受到世界上其他国家和民族的广泛欢迎。它首先传到朝鲜,又由朝鲜传到日本。往西传到中亚的撒马尔罕,后来又传到巴格达、大马士革、埃及与摩洛哥。
公元1150年,阿拉伯人统治下的西班牙建起了欧洲第一个造纸厂。这时离蔡伦造纸术的发明已经一千多年了。直到18世纪末,世界各地的造纸工艺几乎全和蔡伦发明的造纸术差不多。
现代造纸工业已改用机器打浆和抄纸,但其基本原理,仍不出中国旧法。造纸原料绝大部分已为木浆,但造高级印刷纸、卷烟纸、宣纸等仍大多采用蔡伦造纸的那些原料。
造纸术的发明,利在天下,蔡伦因此受到人们永久的纪念,民间的造纸作坊都要供奉蔡伦为祖师。在他的故乡耒阳县城的东南,有一座幽静古朴的蔡侯祠,那是公元1300年,耒阳知州陈宗义在民间募捐修建的。在蔡伦的墓地,陕西省洋县龙亭铺,也有一座蔡伦庙,1986年得到政府重修,并在此举办蔡伦及造纸史文物陈列。在世界各地,蔡伦受到不同种族、不同肤色的人们的敬仰:在美国的博物馆里,有蔡伦发明造纸术的事迹展览;在法国建有蔡伦纪念馆;在日本有蔡伦宫……人们永远怀念和尊敬这位伟大的发明家。
近代化学奠基人波义耳
罗伯特·波义耳(Robert Boyle,1627~1691)是英国著名化学家,世界近代化学的奠基人。
他对世界化学界的重大贡献是,用实验事实科学地阐明了化学元素的本质,把化学确立为一门科学,使化学走上了科学的道路。波义耳之所以能成长为一位著名的化学家,对人类科学事业作出了重大贡献,有他独特的成长道路和经历。
酷爱科学的少年
波义耳生长在英国大资产阶级工业革命爆发时期。工业革命的蓬勃发展,对近代科学技术的发展和社会的进步起到了不可估量的推动作用,工业革命的浪潮波及到英国全社会。
1627年1月27日,波义耳诞生在爱尔兰西南的利兹莫镇一个富裕的贵族家庭。父亲查理·波义耳是爱尔兰首府科克郡的伯爵,是个有名的大富翁,有15个孩子和大片的庄园。波义耳在这些子女中排行最小。波义耳的父亲很重视对孩子的教育。因此,波义耳幼年就接受了启蒙教育,智力得到了较早的开发。在他很小时,就表现出记忆力和语言方面的才能,有“神童”之称。
波义耳8岁那年,进入贵族子弟学校—伊顿公学读书,那时他已经能用希腊文和拉丁文讲话了。波义耳学习勤奋刻苦,成绩优秀,尤其是对自然科学产生了极浓的兴趣。
波义耳的父亲是个尊重孩子,但又不娇惯孩子的人,看到波义耳自幼酷爱科学,作为父亲,他表现出极大的关注和支持。他常常勉励波义耳要勤奋刻苦地学习,将来成为一名科学家,对人类的科学事业作出贡献。因此他还为波义耳请来了优秀的家庭教师。
波义耳12岁时,在家庭教师的陪同下,到欧洲作长期旅行。他们去了法国、意大利、瑞士等国。在意大利,他废寝忘食地阅读了许多著名科学家的著作。广泛的阅读为他以后进行科研工作开阔了眼界,奠定了一定的理论基础。
5年后,17岁的波义耳回到英国。不幸的消息正等着他:他的父亲在战争中死去了。临终前给波义耳留下一笔供他生活的遗产。父亲去世后,波义耳的生活由他姐姐照顾。
几年的异国游学,波义耳眼界大开,他对自然科学的兴趣越来越强烈,他深感自己还很年轻,渴望与当时著名的科学家交流、沟通、学习,共同探讨当时的学术热点,以拓宽自己的思路,增长自己的知识和才干。
与著名学者的交流
波义耳从国外回到伦敦住在他姐姐家里。他姐姐雷尼拉夫人对波义耳酷爱自然科学,给予了热情的支持。在他姐姐家里,经常有一些著名学者、科学家、文学家、哲学家在此聚会,讨论一些学术问题。波义耳自然也就成了这个聚会的参加者。
法国著名数学家和哲学家勒内·笛卡尔,是雷尼拉夫人家的座上客。他经常参加这种聚会,久而久之就成为波义耳的交谈对象。笛卡尔在数学方面的贡献是创立了解析几何,在哲学方面的建树是写出了著名论文《科学中的正确运用理性和追求真理的方法论》(简称《方法论》)。《方法论》片面强调科学和理性,反对经院哲学和实验。
波义耳对这一片面的观点提出了自己的反对意见。他向这位著名科学家阐述说,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,理性应来自实验。
波义耳很早就是美国哲学家培根的忠实信徒。他比较赞同培根的观点,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。”
波义耳和笛卡尔的学术思想交流,一连进行了好几天。波义耳从中受到很大启迪,内心感到异常兴奋。他们的学术交流话题很多、很广,涉及了不少当时流行的学术热点。
比如,物质组成问题。对于这一问题的讨论,当时有“四元素说”和“三元素说”等观点。
“四元素说”是以毕达哥拉斯为代表的,他主张物质是由火、水、气和土四种元素所组成的。“三元素说”是以帕拉塞斯为代表的,他主张物质是由硫、汞、盐三种元素所组成的。这两种说法到底哪个正确?波义耳对此产生了疑问。他认为要想得出正确的结论,解决这一科学难点问题,只有靠实验,实验是解决一切问题的办法,空谈无济于事。波义耳萌生了一个强烈的愿望,要有一个实验室,要建立起自己的实验室,尽快开展实验研究。
豪华住宅改建的实验室
年轻的波义耳为了建立实验室想了许多办法,他不敢向姐姐请求在物质上的帮助,他想到了斯泰尔桥庄园,这是他父亲留给他的遗产,那里有一所豪华的住宅。他决定把住宅改建成自己需要的实验室。自己的生活起居室、图书馆也建在这里。经过一段紧张的施工建设,波义耳的实验室于1645年竣工,开始交付使用。
波义耳又花了一笔钱,为实验室配备了相当好的实验设备仪器,并聘请了几位有水平的实验技术员。波义耳在实验室里进行了大量的物理、化学方面的实验。为了吸引社会上志同道合的朋友,波义耳把自己的实验室对外开放,当时社会上对化学和物理具有浓厚兴趣的朋友,都前来参加这里的实验研究。不久,波义耳的实验室成了一个具有特色并颇受科学界关注的实验研究中心。
元素概念的确立
波义耳的化学实验研究中心,对物质的组成最为感兴趣,研究非常深入,成果显著。波义耳经过十几年的努力奋斗,于1661年出版了他的化学名著《怀疑派化学家》。这是他对物质组成的科学论著,是近代化学史上的重要文献。
全书摹仿科学名著《新科学对话》的风格,用对话体写成,对当时占统治地位的元素说进行了全面的批判。
书中共有四位人物,一位是逍遥派化学家,他代表了“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;一位是怀疑派化学家,他代表了波义耳本人的观点;还有一位是中立派化学家,他保持中立。
逍遥派化学家认为,宇宙万物是由土、水、气和火四种元素组成,四种元素按不同的比例组合,就会形成各种各样的物质,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、汞和盐三种元素按不同比例组成的。汞是一切金属的本质,硫是一切可燃物所共有的,硫和汞结合就可以得到各种金属。普通金属与黄金、白银的区别,就在于含硫、汞的比例不同和纯度不同,如果除掉金属中的下贱成分,普通金属也可变为黄金和白银。
这两种观点就是当时社会广泛流传的,物质组成的“四元素说”和“三元素说”。
怀疑派化学家代表了波义耳的观点。他根据自己多年的大量实验结果,驳斥了这两种观点。
波义耳举了黄金的例子。他说,黄金溶解在王水里,肉眼看不见,但金子还存在于溶液里,这不是元素;要进一步分解,得到更原始的微粒子,这才是元素。黄金不怕火烧,不管烈火怎样燃烧它,都看不见它的分解,更没有分解出硫、汞和盐,也不可能含有土、水、气和火。这就是说,黄金无论经过什么化学反应,黄金的微粒是不变的。
波义耳代表怀疑派化学家,在列举大量事实后得出结论,他认为物质的形成是复杂的。“四元素说”和“三元素说”是错误的。波义耳根据自己大量的实验事实,给元素下了一个明确的定义:元素是不由其他任何物质所构成的最原始的、最简单的、最纯净的物质,元素是有确定性质的、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。
波义耳所说的元素,按现代的观点是单质。波义耳对于元素的论证,彻底批驳了存在至少两千余年的陈旧的唯心主义的“四元素说”、“三元素说”的观点,确立了科学的元素概念,使化学走上了科学研究的道路。
紫罗兰变红的启示
波义耳在自己的化学实验研究中心,和助手们一起,攻克了当时化学界长期争论的难关。他的科研热情越来越高涨,灵感的火花不断地迸发出来。
一天,一位园丁把一束紫罗兰放在实验桌上,波义耳无意中把一滴盐酸滴在一朵紫色花瓣上,他马上把花拿起来,放到水里去冲洗。结果,奇怪的现象发生了:紫罗兰花变成了红色。
偶然的发现令波义耳感到十分惊奇,也引起了他的认真思考;要判别溶液是不是酸,只要用紫罗兰花瓣放进溶液试一试就清楚了。既然酸能使紫罗兰改变颜色,那么碱是不是也能使紫罗兰改变颜色呢?经过一系列实验,他终于发现碱也能使紫罗兰改变颜色,变成蓝色。
波义耳又想如果不是紫罗兰,而是其他有色植物呢?有色植物遇到酸而不是碱会怎么样呢?波义耳决定对玫瑰、地衣、五倍子、树皮、石蕊、姜红等有色植物进行实验。它们分别与酸、碱作用,有的在酸作用下改变颜色,有的在碱作用下改变颜色。有趣的是石蕊和地衣,酸能使它们变成红色,碱能使它们变成蓝色。波义耳从石蕊制取浸液,把纸片放进浸液中浸透,再晾干。把这种纸片放进溶液里,只要纸片改变了颜色,就可以鉴别出溶液是酸性还是碱性。波义耳把这叫做酸碱指示剂。现在仍在广泛使用的石蕊试纸,就是当年波义耳的发明。
波义耳在研究五倍子浸液时发现,这种溶液和铁盐在一起,就会形成一种黑色的溶液,这种溶液可以当墨水用。波义耳仔细研究和配制了墨水的原料配方,后来人们沿用这个配方,生产了高质量的墨水达一个世纪之久。
波义耳还发现硝酸银溶液与盐酸相遇,会产生白色沉淀(即氯化银),波义耳称为“月牙”。
碳酸钾溶液(植物中的碱)与氯化汞的作用,产生黄色沉淀。铜盐溶液加些氨水,蓝色就会变深,如果蘸点铜盐在火上烧,火焰就会变成绿色等等。
波义耳在实验中发现了许多化学反应可以产生有颜色的物质,利用这些颜色的变化,可以检验更多的物质。波义耳使用了一种新的工作方法,即“分析法”,完成上述实验。这种分析法实际上就是分析化学的雏形,它对分析化学的发展起到了推动作用。波义耳成为分析化学的奠基人。
平静安宁的晚年
时光流逝,波义耳已进入晚年。在他年轻时身体就不太好,经常闹点毛病,因此当他50多岁时,身体健康情况急剧下降,开始恶化,他不能在实验室工作了,也不能参加研究活动了。
他不得不离开实验室,搬到祖传的庄园去生活。波义耳为了晚年的生活平静、安宁,他毅然拒绝了担任英国皇家学会主席的建议。
波义耳的晚年生活很自由。他有时去剑桥和牛津与老朋友见见面,交谈沟通,有时去伦敦和哲学家会面。但他没有完全休息,他的大部分时间用于著书立说,他把自己35年的研究工作加以阐述总结,写了不少有价值的科学著作和论文。有些成果是在这位科学家逝世后才发表的。
1691年12月21日,波义耳因病逝世,享年64岁。他留给后世的不是一大笔钱财,而是丰富的科学遗产。波义耳作为一位伟大的科学家,在几十年的科学工作中,不可能没有缺点错误,但是瑕不掩瑜。他以自己多年的实验研究,确立了科学元素的概念,宣告了近两千年来占统治地位的“炼金时代”的结束,把化学从医学分离出来,使化学成为一门新的独立的科学,开创了化学的新纪元。波义耳把许多显色反应和沉淀反应加以系统化,为分析化学打下了基础。波义耳无愧是近代化学的奠基人。
斯德哥尔摩广场上的雕塑
卡尔·威廉·舍勒(1742~1786),瑞典杰出的化学家。
1742年12月19日,舍勒生于瑞典的斯特拉尔松。家境贫寒,家口众多,舍勒只勉强上完小学,年仅14岁就到哥德堡的班特利药店当了名小学徒。
药店的老药剂师马丁·鲍西,是一位好学的长者。他整天手不释卷,孜孜以求,因而学识渊博,同时又有高超的实验技巧。马丁·鲍西不仅制药,而且还是哥德堡的名医。他的高明医术,在广大市民中,像神话一样地流传着。
名师出高徒,马丁·鲍西的言传身教,对舍勒产生了极为深刻的影响。舍勒在工作之余也勤奋自学,他如饥似渴地阅读了当时流行的制药化学著作,还学习了炼钢技术和燃素理论的有关著作。他自己动手,制作了许多实验仪器,晚上在自己的房间里做各种各样的实验。他曾因一次小型实验爆炸,引起药店同事的非议,但由于受到马丁·鲍西的保护,没有被赶出药店。
舍勒在药店里边工作、边学习、边实验,经过5年的努力,他的知识和才干大有长进,从一个只有小学文化的学徒,成长为一位知识渊博、技术熟练的药剂师。同时,他也有了自己一笔小小的“财产”——近40卷化学藏书,一套精巧的自制化学实验仪器。正当他准备大展宏图的时候,生活中出现了不幸:马丁·鲍西的药店破产了。药店负债累累,无力偿还,只好拍卖包括房产在内的全部财产,舍勒就此失业了。他带着自己的40卷化学和制药学方面的书籍以及自制的化学实验仪器,只身一人在瑞典各大城市四处漂泊,曾多次变换工作,但都没有离开过制药这一行当。后来,舍勒在马尔默城一家大药店找到了一份工作,药店老板很理解舍勒,给他安排了一套房子,支持他搞实验研究。舍勒和他的书籍及实验仪器从此结束了流浪生活,有了安身之所。从此,他又重操旧业,继续他的科学研究和实验。马尔默城学术气氛浓厚,离丹麦哥本哈根很近,离瑞典著名的鲁恩德大学也不远,这使舍勒能够买到最新出版的化学专著和文献,并能和大学里的教授们进行广泛的接触,这对他的学习和研究非常有帮助,使他获益匪浅。
两年之后,斯德哥尔摩一位很有名气的药房主沙伦贝格慕名聘请舍勒到他那里去工作,答应给他提供更优越的工作条件并设法帮助舍勒进入斯德哥尔摩皇家科学院所属的化学实验室搞科学研究,他欣然前往。在那里舍勒还可以充分利用瑞典最大的图书馆——科学院图书馆和皇家图书馆的藏书和文献。所有这些大大开阔了青年舍勒的科学视野,为他提供了施展才华的大舞台。
舍勒一边从事药剂师的工作,一边着手他的化学研究,他注意到从意大利运来的酒桶内壁上,沉积着一层厚厚的红色硬壳,工人们称其为酒石。舍勒用工具刮下这层奇怪的沉积物仔细研究,发现将其和硫酸一起加热,就会溶解,冷却后可以形成漂亮的透明晶体。舍勒研究了这种晶体的各种性质,发现其类似于酸。舍勒把这种晶体称为酒石酸。
舍勒还仔细地研究了萤石。将萤石与硫酸作用时,会生成一种令人窒息的气体,实验用的玻璃器皿表面则失去了透明度,说明这种气体能够腐蚀玻璃,舍勒改用蜡制的容器小心收集这种新物质,发现它能溶解沙子,并生成四氟化硅。这种气体就是氟化氢。1771年,舍勒成功地制取了氟硅酸。
短短的几年中,舍勒有了大量的科学发现,研究的范围也很广,涉及的领域有药物学、化学、植物学等。他研究从各种植物的根、茎、叶和果实中提取溶液,发现其中的一些新物质,他将这些物质纯化、结晶,仔细研究它们的性质,认为它们都是各式各样的酸。根据植物来源的不同,舍勒称这些酸为柠檬酸、苹果酸、草酸、五倍子酸、乳酸……舍勒还研究了大量的矿物质。将As2O3氧化制成砷酸,用胆矾和砷酸作用制成漂亮的绿色染料(砷酸铜),商业名称为“舍勒绿”。舍勒研究过辉钼矿和白钨矿,制备出MoO3和WO3,详细研究过它们的性质,断言这两种矿物里含有某种新元素,他的杰出工作为后人发现钼和钨铺平了道路。为纪念这位伟大的化学家,人们称白钨矿为“舍勒矿”。
他将橄榄油和氧化铅一起加热,首次制取了一种浅黄色有香味的物质——甘油;他用锌与亚砷酸作用,首次制取了砷化氢;他首次查明了动物骨骼里含有磷酸盐,并成功地提出了如何从骨头里提取磷的方法;他首次发现锰的化合物,并制备了高锰酸盐;他用二氧化碳、煤和氨为原料,成功地制取了氢氰酸,实际上这是在维勒之前40年实现的第一次人工合成的有机物!
舍勒在化学上的首次发现太多了,这些发现和成果,在化学界反响很大,得到了学术界的极高评价。1775年,年仅33岁的舍勒就被选为瑞典皇家科学院院士。虽然有几所有名大学慕名邀请舍勒去担任教授,但都被他拒绝了,他认为他的药房是很好的研究场所,而不愿意离去。
纵观舍勒一生的科研成果,当数氯气、氧气的发现和银盐的感光性实验证明。氯气是由舍勒在1774年发现的。当时舍勒正埋头研究软锰矿(主要成分是MnO2),深入研究过软锰矿的性质。当他把浓盐酸倒进盛放黑色软锰矿石的烧瓶中加热时,会飘逸出一种黄绿色的气体(是他首次实现了下面的反应:MnO2+4HClMnCl2+Cl2+2H2O),这种气体有强烈的刺激性气味,会使人剧烈咳嗽,舍勒感到很难受。但他确信自己发现了一种从未被人们所认识的新气体,他由衷地高兴和激动。舍勒决定仔细研究这种新气体的性质,并用动物膀胱收集这种气体。于是,他从猪肉店里买来了一些猪膀胱,晒干后插上玻璃管,将氯气收集在里面。舍勒把氯气溶解在水里后,发现这种溶液对纸张、纺织品都有永久性的漂白作用。他还发现这种气体的性质十分活泼,能与许多金属氧化物发生反应。舍勒把他的研究成果发表在瑞典科学院院刊上。
舍勒的第二项有重大影响的发表是氧气的制取,并对氧气性质进行了深入的研究。这要追溯到18世纪70年代初他对硝酸钾的研究。起初他通过加热硝石得到一种他称之为“硝石的挥发性”物质,这种气体遇到烟灰中的余烬就会燃烧起来,放出耀眼的光芒。这种现象引起了舍勒的极大兴趣,他对这种气体的研究到了痴迷的程度。他曾对朋友说:“为了解释这种新的现象,我忘记了周围的一切,因为假使能达到最后的目的,那么这种考察是何等的愉快啊!
而这种愉快是从内心中涌现出来的。”舍勒曾反复多次做了加热硝酸钾的实验。他说:“我意识到必须对火进行研究,假如不能把空气弄明白,那么对火的现象就不能形成正确的看法。”舍勒的这种观点已经接近了“空气助燃”的观点,遗憾的是他没有能够沿着这条路深入研究下去,终生笃信“燃素说”不疑,导致当真理碰到鼻尖时也没有发现真理。
舍勒正式发现氧气是在1773年,比普利斯特里早一年。他制氧气的方法较多,主要有:①加热氧化汞(HgO);②加热硝石(KNO3);③加热高锰酸钾(KMnO4);④加热碳酸银(Ag2CO3)和碳酸汞(HgCO3)的混合物。对空气的研究,舍勒设计过许多巧妙而出色的实验。
第一个实验是把湿铁屑放在倒置于水中的密闭容器中,几天以后,铁屑生锈,空气大约减少了1/4,容器中剩下的3/4空气,可以使燃烧的蜡烛熄灭。
第二个实验是把一小块白磷倒放在水中的密闭容器中,让白磷在密闭容器中燃烧,器壁上沉积了一层白花,水面上升了1/5。对此他曾定性地说明:“空气是由两种性质不同的流体组成,其中一种流体表现出不能吸引燃素,即不能助燃;而占空气总量1/3到1/4的另一种流体,则特别能吸引燃素,即助燃。”舍勒把不助燃的空气称为“浊空气”,把助燃的空气叫做“火空气”。舍勒还做过“浊空气”和“火空气”的生物实验。他把老鼠和苍蝇放在密封的“浊空气”中,过了一段时间老鼠和苍蝇都死掉了,换成“火空气”则不然,这些小生物会活得好好的。舍勒的结论是:“火空气”能助燃,能维持生命,“浊空气”不能助燃,不能维持生命。他对这两种空气性质的认识是深刻的,只可惜他未能由此进行创造性发挥,摆脱燃素理论的束缚,被错误的理论牵着鼻子走。由于他在理论上墨守成规,使他的许多发现都黯然失色。
舍勒的第三大发现是在25岁时完成的。他把硝酸银溶液倒进盐酸中,本来各自澄清的溶液一下子变得混浊不堪(生成了氯化银沉淀)。舍勒惊讶地发现,在阳光照射下,白色的氯化银很快变黑,光使氯化银分解了,游离出金属银。这项重大发现具有意想不到的重大意义,它奠定了现代摄影技术的基础。现在,我们日常生活中司空见惯的变色玻璃和变色眼镜就是根据这一光学原理制成的。
读书和做实验是舍勒毕生的两大爱好。化学是以实验为基础的科学,舍勒正是因为勤于实验,才有那么多的重大发现。据统计,舍勒一生设计的实验有近千个。他经常通宵达旦,长年累月超负荷地工作,并且在实验过程中过多地吸入了各种有毒气体,使他的身体受到了严重的伤害。人们在他的日记中发现,他甚至亲口尝过剧毒物氢氰酸,“这种物质气味奇特,但并不讨厌,味道微甜,但嘴发热,刺激舌头”。如此伤身的行为在这位化学家的笔下竟描述得如此平淡。早年,舍勒的实验条件简陋,没有通风设施,但实验时产生的气体常常有毒,因此舍勒常常不得不在室外做实验;即使是在严寒的隆冬,舍勒仍然经常在室外坚持做实验,北欧冬天那凛冽的刺骨寒风使他患上了风湿病。30几岁他就觉得浑身关节酸痛,双腿疼痛难忍。舍勒一辈子为别人制药,但他却找不到医治自己疾病的药物。
1786年的春天,随着天气的渐暖,舍勒的心情和身体都觉得好了一些。于是他又开始做硝酸的光学性质实验,然而实验还没有做完,他又病倒了。躺在床上的舍勒,仍然念念不忘那个未做完的实验,他对妻子说:“到了夏天,我将重做光线对于硝酸的实验。”谁知他那虚弱的生命已坚持不到夏天了。1786年5月21日,年仅43岁的年轻科学家——舍勒,因患严重的风湿病辞世。
巨星陨落,国人含悲。瑞典人民十分怀念他,在舍勒逝世150周年和200周年诞辰时,在斯德哥尔摩广场他的塑像前,人们举行了隆重的纪念活动。
推动18世纪化学革命的拉瓦锡
距今二百多年前,世界科学界爆发了一场革命,那就是被后人誉为18世纪科学发展史上最辉煌的成就之一的“化学革命”。在这场举世瞩目的科学革命中,统治化学界长达百年之久的燃素说被彻底推翻了,建立了以氧为核心的科学的燃烧理论;化学物质命名一片混乱不堪的状况结束了,代之以化学物质科学系统的命名原则以及质量守恒定律的发现。这些划时代的成就都和一个伟大的化学家的名字——安东尼·罗朗·拉瓦锡(Antoine Laurent Lavosier,1743~1794)紧紧地联系在一起。
从律师到院士
1743年8月26日,拉瓦锡出生于巴黎一个富有的律师家庭,不幸的是小拉瓦锡刚满5岁,母亲就因病去世了,从此他就在姨妈的照料下生活。望子成龙的父亲给他请了家庭教师,希望他长大以后能够继承父业,成为一个著名的律师。拉瓦锡自幼勤奋好学,聪颖过人,他就读的马沙兰学校是当时巴黎的名牌学校。拉瓦锡在那里学习拉丁文、希腊文、数学、物理、天文学、地质学,受到良好的教育和扎实严格的基础训练。他刻苦努力,成绩优异。1761年,荣获“优秀毕业生”称号的拉瓦锡中学毕业了,按照父亲的愿望考入法政大学攻读法律。在大学里,年轻的拉瓦锡对自然科学产生了浓厚的兴趣。他主动拜一些著名的科学家为师,大量阅读科学名著,对波义耳的著作,拉瓦锡反复精读了好几遍。他一面坚持上法学专业的课,一面抽时间去听法国著名的实验化学派创始人鲁埃尔教授的课。当他学到的化学知识越来越多的时候,他也就越加感到化学中有许多问题有待人们去解决。年轻的拉瓦锡对科学有着广泛的兴趣,而且善于思索,他从20岁开始,坚持每天进行气象观测,还曾利用假期跟随地质学家格塔尔去进行地质考察旅行。
1763年春天,拉瓦锡顺利地在法政大学毕业,荣获学士学位并取得律师资格。父亲的律师事务所热烈地欢迎他。然而,奇妙的化学和地质学仍然强烈地吸引着他。他感到躲在自己的房间里研究化学问题和整理那些采集到的矿物标本要比呆在律师事务所和司法会议厅愉快得多。经过慎重而认真地考虑,拉瓦锡终于做出了令他父亲大为失望的决定:放弃成为名律师的前途,献身科学研究工作。
年轻科学家格塔尔与拉瓦锡交往密切,他们常常在一起,长时间地讨论有关化学和地质方面的各种问题,并很快在实验工作中取得了进展。1765年,拉瓦锡发表了第一篇化学方面的研究论文“关于石膏的分析”。从这篇论文中,可以看出拉瓦锡与其他研究者的不同之处,他特别注重准确的测量。拉瓦锡把石膏加热除去水分,然后用天平准确地称量,以测出水分的质量。通过反复研究,拉瓦锡得出结论:硬硬的石膏中含有一定量的水分,它是由硫酸和石灰化合而成的。
当时,巴黎的街道照明很成问题,一到夜里,大街上一片漆黑,法国科学院重奖征集一种既明亮又经济的城市照明方案,22岁的拉瓦锡勇敢地参加了竞赛,他的方案荣获国王颁发的金质奖章,并在科学院的杂志上发表。这项活动给年轻的拉瓦锡很大的鼓舞,使他更热情地投入到科学研究的事业中。1766年3月,他又向科学院提交了第二篇关于石膏的研究论文。拉瓦锡选择的另一个研究课题是用科学的实验方法验证日常的水能否变成土。当时,许多化学家顽固地相信古老陈旧的“四元素说”中关于水土互变的说法,认为水能变成土。他们也确实发现,在容器中长时间煮沸水会有沉淀物生成。但拉瓦锡对这一观点一直持怀疑态度,要正确回答这个问题,惟一可靠的办法就是实验。为此,他精心设计了一个验证实验,他采用一种欧洲炼金术中使用过的很特别的蒸馏瓶,它可以使水蒸气在上端全部凝结为液态水,仍旧流回到瓶中。他先将很纯的蒸馏水和蒸馏瓶分别准确称重,然后将蒸馏水注入蒸馏瓶中,加热保持微沸状态。两个星期过去了,水还是清的,未见有沉淀析出。他决心继续实验下去,一定要看个水落石出。到第八个星期,蒸馏瓶中有沉淀生成。实验一直进行了101天,蒸馏瓶中产生了明显的白色沉淀物。这种白色沉淀物是不是水变成的“土”呢?冷却后,拉瓦锡首先称了总质量,发现总质量与实验前没有变化;他又分别对蒸馏水、沉淀物和蒸馏瓶进行准确称重,他惊喜地发现蒸馏水的质量没有变,蒸馏瓶的质量减少了,而蒸馏瓶所减少的质量恰好等于沉淀物的质量。拉瓦锡的朋友,瑞典化学家舍勒对这种白色沉淀物进行了仔细的分析,证明它的确是玻璃蒸馏瓶被热水侵蚀的产物。据此,拉瓦锡撰写论文驳斥了水能转化为土的谬论。但是,按照当时流行的“四元素说”,水还是构成物质的一种基本元素。根据波义耳科学的元素概念,其正确性显然是值得怀疑的。拉瓦锡又全力以赴地研究这一问题,在别人研究的基础上,他通过自己的实验,终于证明了:水可以分解为氢气和氧气,而干燥的氢气和氧气经燃烧又可以化合成水。至此,流行一百多年的“水能变成土”和“水是一种基本元素”的错误观点都被彻底推翻了。
拉瓦锡的才华逐渐引起科学界的注意,许多科学家都称赞拉瓦锡实验的准确性,高度评价他那一丝不苟的科学态度。1768年,年仅25岁的拉瓦锡被选为法国科学院院士,获得了法国知识界的最高荣誉。
揭开燃烧之谜
关于人们司空见惯的燃烧现象本质的解释,当时广泛流行的是德国化学家贝歇尔在17世纪末首先提出的“燃素学说”。燃素学说认为,物质燃烧时会释放出一种被称为“燃素”的东西。例如,燃烧金属时,金属就放出“燃素”,变成了金属灰(实际是金属氧化物);若将金属灰和木炭共燃,金属灰就吸收了木炭放出的“燃素”,又变为原来的金属。由于燃素说能够解释当时已知的一些化学现象,因此,很快得到绝大多数化学家的认可。燃素说成了18世纪不可动摇的占统治地位的化学理论。尽管随着科学的进步,燃素说已暴露出一些与事实相矛盾的问题,但大多数化学家还是没法调和这一矛盾,致使燃素学说得到维持。比如,如果金属锻烧后放出了燃素,那么燃烧后的金属的质量应该比锻烧前的金属的质量小,而实验的结果恰恰相反,人们却多次发现金属灰的质量比锻烧前的金属质量增加了。对这个无法解释的大难题,一位忠实信奉燃素说的化学家,竟然提出了一个“燃素有负重量”的谬论,认为燃素跟一般物质不同,它不但不受地心的吸引,反而受到地心的排斥,所以它的重量是负值。
因此,金属失去燃素后,重量就增加了。拉瓦锡认真研究了化学史和前人的研究成果之后,决心向统治化学界百年之久的“燃素学说”提出挑战。
从1772年9月开始,拉瓦锡花了5年的时间,做了多种物质的燃烧实验。他首先对金刚石的燃烧现象进行了研究,在放大镜聚焦的太阳光下,金刚石灼烧后竟然完全消失了。按照常理,物质燃烧后总会有灰渣生成,为什么金刚石燃烧后连一点灰渣也没有呢?拉瓦锡经过深入分析,认为空气与燃烧现象有密切关系。拉瓦锡用耐火材料将金刚石严密包裹起来,然后加热灼烧至很高温度。冷却后,剥掉涂层,惊喜地发现里面的金刚石完好无损。可以肯定,金刚石燃烧后消失得无影无踪,一定是和空气中的某种成分结合在一起了。这一实验结果令拉瓦锡兴奋异常,他立即决定用易燃的硫和磷再深入进行燃烧实验研究。
他先用天平准确地称量出白磷的质量,然后让白磷在空气中受热燃烧生成浓密的白烟。他发现白烟是微细的固体小颗粒分散在空气中形成的,拉瓦锡设法将烟全部收集起来并成功地称量其质量,他发现,白烟的质量比燃烧前的白磷质量增加了。拉瓦锡更加相信白磷是与空气化合了。
那么白磷是与全部空气化合了,还是只和空气中的某些成分化合了呢?拉瓦锡巧妙地设计了下面的实验。他把准确称量的白磷放在一个小盘中,再把小盘放在水银的液面上。用烧红的金属将白磷点燃后,迅速用一个玻璃罩将其罩住。
这样,就把一部分空气与大气隔离开来,如果白磷是与空气化合,玻璃罩内的气压下降,水银的液面就会上升。上升的高度标志着消耗空气量的多少。实验结果表明,无论白磷的量怎样增大,玻璃罩内被燃烧的白磷的质量总是一定的,水银面上升的高度也是一定的,只占空气体积的五分之一。拉瓦锡改用硫做这个实验,也得到了相同的结果。随后,拉瓦锡又用锡、铅、铁等多种金属的燃烧现象进行了更精确的实验研究,都得到了相同的结论。
很显然,空气并不是纯物质,而是两部分气体的混合物,一部分可以维持燃烧并与可燃物化合,这部分气体占空气总体积的五分之一;另一部分不能维持燃烧,占空气总体积的五分之四。
那么,与可燃物相结合的空气成分究竟是什么呢?拉瓦锡又投入到深深的思索之中。1775年,英国化学家普利斯特里发表了关于氧元素的论文,拉瓦锡恍然大悟,原来空气中这种特殊的成分是一种新的气体元素!拉瓦锡迫不及待地重复了普利斯特里关于氧化汞的合成和分解实验,并对这种新元素的化学性质进行深入研究,发现其除了助燃、助呼吸外,还能与许多非金属物质化合生成各种酸。为此,他建议将这种新元素命名为“Oxygene”,希腊文“酸素”的意思。
1777年9月,拉瓦锡总结了他五年多潜心研究燃烧现象的大量实验结果,向巴黎科学院提交了一份划时代的研究报告,系统地提出了“燃烧氧化理论”这一科学论断,彻底推翻了燃素说,揭开了争论多年的燃烧之谜。
运用这个科学的燃烧氧化理论,拉瓦锡弄清了碳酸气(CO2)是碳与氧元素的化合物。他根据一般的有机物在空气中燃烧都生成碳酸气和水的实验事实,建立了有机化合物的组成元素的定量分析方法,将一定量的有机物在一定体积的空气或氧气中燃烧,用苛性钾或苛性钠溶液来吸收产生的碳酸气,再从残留物中计算出生成的水量,由此就可确定有机化合物中碳、氢、氧三种元素的质量比。
根据燃烧氧化理论,拉瓦锡发表论文指出,动物的呼吸也属于一种燃烧氧化现象,即:吸入氧气,呼出碳酸气。
值得指出的是,在拉瓦锡之前也有不少化学家做过金属燃烧的实验,但他们都没能从中得到科学的结论。拉瓦锡的成功之处就在于他始终注重称量和对实验现象的缜密分析。他以准确、无可挑剔的实验结果还清楚地证明了又一个科学结论:在化学反应中,反应前物质的总质量与反应后物质的总质量总是相等的。这就是我们熟知的化学反应中的“质量守恒定律”或称“物质不灭定律”。这种质量守恒的思想在他1789年出版的《化学纲要》中,作了系统清晰的阐述,这是他对近代化学发展的突出贡献之一。从此,化学便由对物质的定性研究,进入到了定量研究的新阶段。正如一位法国著名化学家评价拉瓦锡时所说:“他使化学发生了全面的革命。”
1778年,拉瓦锡成为法国皇家科学院有表决权的18名核心院士之一。1785年,他被推选为科学院的秘书,成为科学院的实际负责人。
永无止境
面对辉煌的成就和荣誉,拉瓦锡没有满足,更不会枕誉不前,他那双科学家的慧眼总是盯着科学领域中那些有待解决的课题。
当时,科学家们对“元素”这个概念没有统一的认识,虽然波义耳当时已经提出了比较科学的元素概念,但并没有被大多数化学家认可。拉瓦锡在总结自己多年科学研究实践经验的基础上,系统地发展了波义耳的元素概念,做了更具体、更科学的阐述。据此,拉瓦锡研究分析了大量的物质,确认了33种元素,并将它们分成四类排列成表。1789年,在他的名著《化学概论》一书出版发行时,这张化学元素表就与世人见面了。现在看来,这张表显得过于简单,也存在错误和不妥之处,但它却是世界公认的化学史上第一张化学元素表,对于当时化学的发展,起了很好的推动作用。
拉瓦锡的另一大贡献是对化学物质的科学命名法。由于长达千年之久的炼金术时代的影响,当时许多化学物质的名称混乱不堪,缺乏系统性和规律性,常常与物质本身的组成和性质毫不相干。随着化学的发展,科学家们觉得越来越不方便。拉瓦锡联合了几位著名化学家,组成了“巴黎科学物质命名委员会”。经反复研究讨论,一致同意做出如下规定:每种物质必须有一个固定的、通用的名称,不得各自任意命名;单质的命名应尽可能表达出它的特征;化合物的命名要反映出其组织;对碱、酸、盐各类物质的命名,还做了具体的规定。他们建议对过去被称为金属灰的物质依照它们的组成命名为金属氧化物;酸类和碱类物质要使用它们所含的元素来命名;盐类则用构成它们的酸碱来命名。例如,“汞灰”应称为“氧化汞”,“矾油”应叫做“硫酸”等等。拉瓦锡和命名委员会的专家们合作编写了《化学命名法》一书,该书出版后,很快被译成多种文字,在世界各地迅速传播开来,得到了各国化学家的好评和赞誉,在实际工作中广泛采用这个新的命名法。拉瓦锡及其同事们的这项开创性的工作奠定了现代化学术语命名的基础,给化学带来了前所未有的系统性和条理性。从此结束了化学物质命名长期混乱的局面。就是二百多年后的今天,许多化学物质的命名,还是按照当时的规则确定的。
科学的悲剧
拉瓦锡在科学研究领域取得一个又一个辉煌的成就,事业如日中天。然而,他万万没有想到,一场灭顶之灾正悄悄向他袭来。
1768年,在拉瓦锡当选为科学院院士的同时,他还谋到了一个临时包税官的职务。在三年之后,28岁的拉瓦锡与征税承包业主的女儿,14岁的少女玛丽·安娜结了婚。在岳父的支持和帮助下,拉瓦锡不久就成了正式的包税官,每年收入大约10万法郎。所谓征税承包业,就是把国家的部分征税承包下来,先向政府交出一笔巨额款项作税金,再向百姓征收税款,超出税金的款项归为己有,从中谋取一定的利润。所以,包税官们无不横征暴敛,人民对他们都非常痛恨。虽然拉瓦锡从未直接从事过征税活动,只是负责编制收支表,但他毕竟挂上了包税官头衔。
1775年,32岁的拉瓦锡又就任了皇家火药监督这一官职。从此他移居到火药局兵工厂内,用当包税官赚来的钱建造了一座规模宏大的实验室,这座著名的实验室建成后,法国许多著名科学家,常常定期在这里聚会。拉瓦锡不但精力充沛,而且工作非常勤奋。他每天天不亮就起床,六点到八点做研究工作,八点以后是他从事官职和去科学院工作的时间,晚上和星期日他都专门用于实验研究工作,每天工作长达十五六个小时。在这座他非常喜爱的实验室里,拉瓦锡在化学领域,完成了大量具有划时代意义的研究工作。
拉瓦锡以为他所选择的既做科学家又当官的路,一定是一条前程似锦的坦途,但事情的发展恰恰相反。1789年,正当拉瓦锡的重要著作《化学概论》在巴黎正式出版时,法国爆发了资产阶级大革命,改君主制为共和国。不久,包括拉瓦锡在内的60人组成的征税承包商集团成了革命的对象。拉瓦锡失去了包税公司的工作,又离开了火药局和他心爱的实验室,携妻子搬到了一个很小的住所中,化学研究工作也被迫停止了。到了1793年11月24日,新政府又下令逮捕所有的包税官。拉瓦锡在被捕时高声抗辩:“我做包税官所得的收入,已经全部用于科学研究。我是科学家,应该给予我不受审讯的权利!”然而前来逮捕他的人竟粗暴地回答:“共和国不需要科学家!”
在狱中的日子无疑是艰难和痛苦的,但拉瓦锡还是充分利用时间,撰写了八卷化学著作。他的妻子四处奔走,希望能使丈夫免于审讯。然而,让她绝望的是到处都是礼貌的拒绝。
最后的审讯到来了,法庭仅用15分钟的时间就做出了判决:包括拉瓦锡在内的28名包税官被判处死刑。拉瓦锡没有再为自己做任何辩护,只要求法庭能再给他两个星期的时间,让他把中断的一项重要研究完成,作为对祖国的最后奉献。然而,他的要求遭到了严词拒绝。
1794年5月8日,断头台的屠刀无情地让这位天才的科学家身首异处了。当时的拉瓦锡年仅50岁零8个月。人类失去了一位最杰出的、贡献卓著的伟大化学家!
多么悲惨的结局!全世界的科学家都在为之叹惜。著名数学家拉格朗日悲叹道:“他们砍下拉瓦锡的头,只是一瞬间的事;而他那样的头脑,一百年也长不出一个来!”
拉瓦锡死后不久,人们为了纪念这位伟大的科学家,在法兰西的土地上为他塑了像,他生前用过的大部分实验设备和仪器,至今陈列在巴黎国家科学博物馆中。
道尔顿创立科学原子论
约翰·道尔顿(John Dalton,1766~1844)是英国近代杰出的化学家。一个多世纪以来,英国人民和全世界热爱科学、从事化学研究的人们,一直怀念这位伟人。
道尔顿对人类科学的突出贡献是他创立了原子论,由此化学走出了杂乱无章、反映不出内在联系的阶段,进入了现代化学新时代。更重要的是科学的原子论为整个自然科学的发展提供了一个基础,使后人对物质结构的认识有了突飞猛进的发展。道尔顿的伟大功绩赢得了人们的崇敬。
身处逆境不放弃
约翰·道尔顿生活在英国资产阶级工业革命时期。当时社会生产力有了巨大进步,而在这场革命中受益最大的是社会上层,是贵族和资本家。社会仍是富人的天堂,穷人的地狱,穷苦人仍然充满着失望和痛苦。金钱和黄金流向富人的腰包,穷人要获得微薄的收入,需要付出巨大的艰辛,穷人的日子不好过。在1766年9月6日,英格兰北部的一个叫伊格尔斯菲尔德的穷乡僻壤,降生了一个瘦弱的男婴,他就是道尔顿。生儿育女本是件欢庆的喜事,但道尔顿贫穷的家又多了一张吃饭的嘴,哪里庆贺得起来。
道尔顿的父亲是个贫苦的农民,以耕地为生,又兼作织毛呢的手工活。那时毛呢生产遍及英国各个城市及农村。上层富裕的作坊主通过残酷的手段压榨下层小作坊工人而致富,广大下层劳动者艰辛地劳作,挣不了几个钱。道尔顿的母亲整天奔忙于家务活中,还要抽空帮丈夫种田。
道尔顿家经济相当拮据,本来已经有了五个孩子,这时又增加一个,老道尔顿夫妇肩上的担子更重了。尽管如此,他们还是下定决心,就是忍受再大的苦难也要把孩子抚养成人。他们多么希望自己的孩子能出人头地,改变命运,能生活得好些啊。
童年的道尔顿就是在这样的困难家庭挣扎着,生长着。尽管如此,当道尔顿长到六岁时,他父亲还是想方设法让他上了当地的农村小学。在学校里,道尔顿的成绩平平,没有引起人们的关注。但他深思好学,有股韧劲,解不出的难题决不罢休,不轻易问老师,也不请别人帮忙,而是自己独坐一边,苦思冥想。直到自己独立解答出来,因此他的老师大加赞赏,认为他今后一定会有出息。
后来,道尔顿因家庭经济困难,交不起学费,被迫中途辍学。12岁的道尔顿居然办起了教育,开办私塾教书,同时又帮助别人干些农活,过早地担起生活重担。艰辛的童年生活使道尔顿身处逆境,但他仍坚持自学,不懈地努力。
良师益友在道尔顿成才的路上,有两位重要的良师益友,影响了他的一生。一位是启蒙良师伊莱村·鲁宾逊,一位是盲友约翰·格夫。
鲁宾逊是道尔顿家乡的一位教会纟甲士,他非常有学问,是一位自然科学爱好者。当时道尔顿孜孜好学的精神影响了方圆百里的父老乡亲。鲁宾逊很快看中了道尔顿,他欣赏道尔顿的谦逊和勤奋,宁愿放弃晚上休息时间,给道尔顿讲数学、物理等方面的知识。
鲁宾逊平生酷爱观测气象,自己动手制作了各种精巧的仪器,他开始指导道尔顿进行气象观测。少年道尔顿的心被大自然的美妙景象深深拨动了。他细致地观测自然中的大气压力、温度、空气湿度、风力、降水量等,并努力探究出它们之间的微妙关系。这一切活动不仅引人入胜,而且对人们的生活有着现实意义。少年道尔顿面对各种气象仪器,细致地观察,常常陷入沉思。他想,如果能发现支配自己现象的复杂规律,不就可以预报气象了吗?这对于农民种田,海员航海以及各行各业人们的生活,会带来多大便利啊。少年道尔顿那时并没意识到观测气象就是他科学研究的开始,以及会为他今后建立科学原子论奠定了坚实的基础。
后来为生活所迫,道尔顿从15岁开始走上了外出谋生的道路。他不得不告别家乡,告别他的启蒙良师鲁宾逊,来到肯代尔镇,在他表兄办的寄宿学校当助理教员。从1781年~1793年,整整12年,他一边工作一边读书,从自然科学到社会科学,他都广泛涉猎,特别是前人对原子论的见解,他都作了详细的研究。这12年里他读的书比他后50年读的书都要多。
他在知识的海洋里,拼命地吸取营养,同时不放弃气象观测,在校园里安装上鲁宾逊临别时赠送给他的雨量计,在办公室的桌上摆满了各种各样的观测仪器。面对眼前的一切,他思绪万千,自然科学之谜是那么深不可测,要进行下一步的科学实验,该从何入手呢?如果有位高师指导或有志同道合的朋友相助,该有多好啊。他希望有导师的指点,自己能更上一层楼。
道尔顿的第二位益友、导师约翰·格夫是他在肯代尔镇遇到的。
约翰·格夫是位盲人,他管理的学校实验室井然有序、干干净净,使道尔顿惊叹不已。
格夫曾在两岁时因患天花而失明。正是这位盲友创造了把天才与毅力结合起来的典范。格夫懂得好几个国家的语言文字,精通天文、化学和医学。不仅如此,他还能依靠自己的头脑,解决生活中的种种困难。
在盲师的辅导下,道尔顿学习了数学、哲学、自然科学,又学习了拉丁文、希腊文和法文。
在学习中,希腊的自然哲学、有关元素和原子论的种种学说对他启发很大。此外,格夫还指导他记气象观测日记,开始对自然界进行系统观察。从1787年起,道尔顿一直坚持气象观测57年,从未间断,写下了记录二十多万条。他从第一篇观测日记便开始了对大气的观测与思考。
1794年,在他27岁时,出版了第一部学术著作,这部著作的出版引起了学术界对道尔顿的关注。这一年,道尔顿在曼彻斯特学院申请到讲师职位,但由于大部分时间用于教学活动,他的气象研究活动受到限制。于是,他毅然辞去讲师职务,一心投入到他热爱的气象科研中去。他做实验,参加讲演,宣读他的论文。他以强烈的事业心和拼搏进取精神,迎来了他事业的光辉时期。
创立科学原子论
道尔顿在科学的道路上锲而不舍地追求着。他从观测气象开始,进而研究空气的组成、混合气体的扩散与分压,总结出气体分压定律。接着他又敏锐地发现,原子间的化学结合存在着某种量的关系,这就是倍比定律。这一重要的化学定律,只有用原子论的观点才能解释。道尔顿发现并解释了倍比定律,这为他创立原子论奠定了基础。
新发现令道尔顿振奋,他像着了迷一样进行他的研究实验。经过数月鏖战,他又探索了原子相以质量问题,测算出各种不同元素原子的相对质量,并考察了其他化学家的大量实验数据,完成了第一张原子相对质量表。
道尔顿的新发现引起了当时的科学界,尤其是化学界的广泛重视。尽管他的新发现与现代科学水平有相当的距离,但由于道尔顿首次把原子论的概念引入化学,才使化学真正走上了定量发展的阶段。
道尔顿的科研热情日益高涨,他深知前进路上还有许多事情要做。现在他要把他的气象学、物理学转移到化学领域。他清醒地看到,当时化学领域相当杂乱,材料的堆积多于材料的整理,化学的基本定律——当量定律和倍比定律虽已发现,但还没有用一个统一的理论来阐明。道尔顿决心用原子论的观点,去构造整个化学新体系。
1808年,道尔顿发表了他的代表作《化学哲学新体系》。这是他几十年来理想奋斗的结晶,也标志着他事业的巅峰。该书全面系统地阐述了他的原子论。这部著作分为两卷,上卷精辟详细地阐明了自己科学原子论的由来与发展,并结合丰富的化学实验事定,运用原子理论阐述基本元素和二元素化合物的组成及性质。下卷重点论述金属的氧化物、硫化物、磷化物及合金等的性质及其规律性,把原子论的思想作了进一步地发挥。
道尔顿的原子论使得化学从单纯积累素材,走向系统化、科学化的道路,为化学开辟了一个新天地。例如:原子论的建立、原子量的测定工作、元素概念的进一步加强,大大加速了人们对新元素的发现。大量元素的发现,为俄国著名化学家们捷列夫发现元素周期律提供了重要的实验基础。恩格斯在《自然辩证法》中高度评价说:“在化学中,特别是由于道尔顿发现了原子量,现已达到各种结果都有序和相对的可靠性,已经能够有系统地差不多是有计划地向还没有被征服的领域进攻,就像有计划周密地围攻一个堡垒一样。”道尔顿所做出的贡献,无愧于恩格斯对他的高度赞誉——“近代化学之父”。
高尚的品格
道尔顿一生热爱科学、追求科学。经过几十年的不懈努力,终于取得辉煌成就。他的科学原子论在英国,及至在整个欧洲科学界引起了极大的关注和崇拜。许多国家级档次的学术机构,纷纷聘请道尔顿加入该团体组织。
1816年,道尔顿被选为法国科学院通讯院士。
1817年,又被曼彻斯特文字、哲学学会选为会长。他在学会一共作了一百多次报告,引起了极大震动。
当时欧洲一些国家,像法国、德国、意大利、瑞典以及俄国的科学家,都关注道尔顿的成就。然而令大家不能理解的是:道尔顿在世界上享有如此崇高的成就和荣誉,竟不是英国皇家学会会员。英国皇家学会迫于世界舆论的压力,后来终于吸收道尔顿为该组织会员,道尔顿对此事曾说,对科学来说,一个科学家摆在哪里都无关紧要,重要的是他对科学作出的贡献。
几年后,英国皇家学会授予道尔顿金质奖章,以此表彰他在化学、物理学方面的贡献,特别是创立科学原子论的贡献。
自此道尔顿先后被选为柏林科学院名誉院士,莫斯科自然科学爱好者协会名誉会员,牛津大学授予道尔顿法学博士学位,这是该大学最高褒奖。在当时自然科学界,只有著名科学家法拉第,获得过这样的荣誉。
面对种种荣誉,道尔顿表现出一位伟人的谦逊。他清醒地知道自己的力量,正确地估价自己的实阶价值;至于荣誉,他认为应留给后人评说。他不慕虚名,坚持不懈地追求科学真理,其优秀品质为后人树立了学习的榜样。
道尔顿一生过着俭朴、清贫的生活。年幼时期的他因家庭生活贫困,过早地走出家门,步入社会,独立谋生。成名之后他的生活也并不富裕。但是,道尔顿却将名利看得很淡。英国政府曾用重金聘请他参加某项活动,却被他婉言谢绝了,他考虑这会分散他的精力,影响他的科研工作,他离不开自己的实验室。
道尔顿的成就誉满国内外,普遍受到同行们的赞扬,许多著名的学者,如戴维、法拉第、布朗、拉普拉斯、歌德等,都和他有通信和联系。他们对道尔顿的贫困生活状况,都感到震惊和意外。直到道尔顿晚年,迫于科学界的呼吁,英国政府才不得不关心他的生活,给了他一笔菲薄的养老金。
尽管如此,道尔顿毫不在意,仍旧对科学研究充满了热情,几十年如一日,进行气象观测,努力建立科学原子论。他终生未婚,一直过着独身生活。他的无比乐趣在于对科学的追求,他的真正满足和欢乐在于最终建立科学的原子论。
道尔顿对世界科学的贡献,受到世人的崇敬,他的伟大品质,得到世人的称赞。1833年,英国曼彻斯特全体市民,为表达对道尔顿的感激和敬意,由市政府通过决议,在市政大厅树立了道尔顿的塑像。
1844年7月27日,道尔顿因年迈、体弱多病,与世长辞了。噩耗震动了整个曼彻斯特,市民们强烈要求,授予道尔顿公葬市民的荣誉。市政府通过了这一决议。8月12日,在肃穆的哀乐声中,上百辆马车护送着道尔顿的灵柩,长长的送葬队伍缓缓移向墓地,热爱着他的市民们聚集在街道两旁,向道尔顿告别致哀,表达了他们对这位伟大科学家的永远怀念。
与日月同辉的诺贝尔
提到艾尔弗雷德·诺贝尔,无人不知晓,这是一个与日月同辉、万古流芳的名字。他用自己的智慧创造发明的几百项重大成果造福人类,他以自己的崇高品德昭示后人,他把自己亲手创造的巨额财富全部献给了人类的和平、幸福和进步的事业。
艾尔弗雷德·诺贝尔,1833年10月21日生于瑞典斯德哥尔摩。他从小就体弱多病,那浓郁的双眉下面晶莹闪耀的两个大眼睛,表明他虽然瘦弱,却是一个意志坚强的人。尽管他上学时断时续,常常因病缺课,但是他每次都能把最好的成绩拿回家。幼年时代的艾尔弗雷德绝大部分时光都是在母亲身边度过的。在身体不好的时候就不去学校,在家里读书,画画,写作文。他充满着旺盛的求知欲和好奇心。他在回忆往事时曾写下了一首自传体诗:
我的摇篮像死神的铺板,
母亲怀着深沉的爱,
长年累月守在我身边,
她要救活我这个小生命,
希望的灯火一直在她心中点燃。
我连吮出乳汁的气力都没有,
抽搐过后又是一阵痉挛。
上帝在让我体验离开人世前的痛苦,
我微弱地挣扎着,
犹如苟延残喘。
好不容易长成少年,
病弱仍把我陪伴。
在这个世界上,
我是个与众不同的人,
小伙伴们玩得热火朝天,
我却只有默默地站在一旁观看。
我这颗与少年的欢乐无缘的心,
只能朝着未来,
把希望寄托给明天。
即使天气和身体都很好,能够到学校去,回到家后的艾尔弗雷德也已经没有到处去嬉戏的精力了。他没有朋友。渐渐地,他开始喜欢一个人到田野、丘陵、河边去,静静地把自己融化在大自然中。听小河低语,看风云变幻,看草长鸥飞。艾尔弗雷德虽然生活不幸、孤独,可是也因此培养了他观察自然的爱好,从中体验到了无穷的乐趣。他曾经说过:“我在少年时代研究了自然这本最好的教科书。”
九岁时诺贝尔去了彼得堡,和阔别五年之久的父亲团聚了,结束了他贫困的童年生活。
庆幸的是,父亲在经济上已经充实起来,能够为孩子们聘请优秀的家庭教师,使得这位只上过几个月学校的人,能够享受着人类的文明财富。老师除教授语言、历史、数学外,还教他们兄弟三人科学知识。他们个个聪明伶俐,都非常喜爱学习,能够感受到学习的乐趣。诺贝尔三兄弟虽然在学校没呆多长时间,但是因为有好的家庭教师在身边,从而学到了丰富的知识,而且都有很好的教养。诺贝尔在语言和化学方面显示出他的天赋,他非常喜爱文学。
到彼得堡一年后,诺贝尔也做哥哥了,弟弟埃米尔诞生了。兄弟几个一有空就去父亲的工厂,缠着老爸,问这问那,父亲总是不放过机会教导他们。父亲那种勇敢拼搏、在逆境中奋起、不向困难低头的精神,深深扎根在他们的心中,父亲的渊博知识和创造发明精神,哺育着他们健康地成长。老爸研制的地雷试验成功了,兄弟几个欢呼雀跃:“父亲真了不起”,“我长大也要当个像父亲那样的发明家。”17岁那年的一天,父亲决定送他出国,向世界有名望的科学大师们学习。诺贝尔十分振奋。艾尔弗雷德有一股向未知世界挑战的强烈欲望,并且对自己充满信心。他很小的时候起就常常一个人思考一些与他年龄不相称的大问题。艾尔弗雷德对他当时出国的心情是这样写的:“那时我很年轻,充满自信心,我离开了家,只身周游到列国。尽管展现在我面前的是漫无边际的浩瀚大海,可奇怪的是,对我来说并没有什么新鲜感。因为在这之前,在我的幻想中,已经描绘了一个比这更加广阔的海洋。”
历时两年的世界旅行,他到过德国、意大利、法国、美国。白天,他去拜访大学研究所,参观各种实验,同结识的科学家、学生及教授们热心交谈,共享学习的乐趣。勤奋好学的诺贝尔想尽量多地、尽快地了解发达国家的科学新成果。他常常默诵自己在巴黎时作的诗:
人生是大自然赐予的一块高雅的宝石,
人在漫长的岁月里对它精琢细磨,
只有那些不辞辛劳的人,
才能使它发出耀眼的光辉。
两年前,诺贝尔离开彼得堡时还是一副少年的身材和面孔,现在他19岁了,长成大人了,并确定了自己今后前进的道路:当科学家,做研究发明工作,从事别人未曾做过的事。
游子回到了父母的身边,那种亲情狂热自在情理中。更令诺贝尔振奋的是父亲的工厂大大变样了,规模扩大了,机器更新换代了。这次他要协助父亲研制出爆炸威力更大的炸药。
制造武器是为了消灭战争,这是诺贝尔父亲的心愿。他们生产武器不是为了出去打仗,而是为了发生战争时,用来保家卫国,最终带来和平。
1854年那场克里米亚战争,因为俄国人用了诺贝尔工厂生产的水雷才得以侥幸获胜,工厂的扩建是自然的事。此时的诺贝尔集中精力协助父亲研制新的炸药。一心要制造出一种威力更大的火药。一天,儿时的家庭教师,有名的化学家尼古拉·吉宁等人找上门来,要求他们研制新型炸药。吉宁博士从皮箱里取出一个小瓶,小心翼翼地放在手掌心上。瓶里装着粘稠油状液体。“这不就是硝化甘油吗?”“不简单,现在知道硝化甘油的人还寥寥无几。”
尼古拉接着做起了实验。吉宁博士拿起小瓶,往一块铁板上倒了一小滴硝化甘油。用火点了一下,硝化甘油“呼”地一下子燃烧起来;然后又往铁板上倒了一滴硝化甘油,用铁锤轻轻地砸了一下,只听得“啪啪”几声,引起了猛烈的爆炸。“厉害!”诺贝尔父子同声称赞。
“看到了吧,硝化甘油有极强的爆炸力。然而,不幸的是,发明了硝化甘油的索布雷罗先生却因为实验时硝化甘油爆炸而受重伤。当时,实验室被全部炸毁了。从此以后,他停止了实验。因为对硝化甘油的恐惧,至今也没有人再去研究它。”“硝化甘油很不稳定,很容易发生危险,这点必须注意到。但是,我们认定你有勇气和才能,希望你能研究下去。”从来不把危险放在心上的老诺贝尔当然想接受这个请求。可是还未等他说出口,诺贝尔便抢先说道:“博士,把这项研究交给我吧!”“谢谢你,诺贝尔!这些硝化甘油全部送给你,祝你成功!”从此,诺贝尔走上了一条曲折、悲壮而又辉煌的研究发明道路,与炸药结下了不解之缘,他把自己毕生的心血献给了人类的科学事业。正如他自己所说的那样:“研究是妻子,发明是儿女。”他为了人类的永久和平,终生未娶妻室,他的后半生是在科研和寂寞中度过的。
当时在欧洲,劈山,开隧道,修公路,采矿等大规模工程,仍旧使用着黑火药。各个国家都希望有一种威力更大的炸药。因此,西方大国都在各自用新办法研究炸药。但是,他们之中没有一位化学家研究硝化甘油炸药。只有诺贝尔·诺贝尔,在彼得堡的一个角落里,不惧危险,不断地向硝化甘油发起挑战。如果把岩石凿个洞,把硝化甘油注进去再引爆,那么岩石就会被炸得粉碎。但是,人不能走进去点火或去砸它。如果那么干,人也会同岩石一起粉身碎骨。硝化甘油是威力极强的爆炸物,这是毫无疑问的。问题是如何才能引爆它,又安全。诺贝尔在思索着。他因此而发明了雷管引爆技术。
在他的硝化甘油研究正处于研究之中,俄国已战败投降了。工厂破产,父亲黯然神伤地离开了彼得堡,回到瑞典。诺贝尔也大病一场。幸好有哥哥的精心照料,才渐渐地恢复了元气。病情好转,他又一头扎进了硝化甘油的研究之中。诺贝尔虽然冥思苦想还是不得其解,他把自己研究的经过写信告诉父亲,同父亲商量如何突破难关。远在千里之外的老爸不久来信说:“在黑火药中拌上硝化甘油,然后引爆,这也许是一个好办法。”诺贝尔确信有道理,他立刻进行了实验,可是仍然不行。他一天到晚就琢磨着这个难题,实验做了一次又一次。有一天他突然想到孩童时期因玩火药而受到斥责的事情。当时他把火药装在一个罐子里,把盖子塞紧,爆炸时就比一般状态下威力大得多。硝化甘油是否也是这样呢?他立刻进行实验。他在一个小玻璃管中装上硝化甘油,再把玻璃管放入一个白铁皮罐,在周围塞满黑火药,再联上导火线。一切准备就绪的诺贝尔同哥哥一同来到河边。把导火线点着之后,诺贝尔用力把那个白铁皮罐扔了出去。轰地一声巨响,河中掀起一个高高的水柱。兄弟俩拥抱在一起,庆贺成功。诺贝尔成功地找到了使硝化甘油引爆的方法。剩下的问题是再找到一种办法,即不管用多大剂量的硝化甘油,也不管在什么场合下都能精确无误地爆炸,那么硝化甘油炸药就可以实用了。恰巧这时父亲来信说:“我一直在进行炸药研究,现在已经取得了成果,在黑火药里掺进10%的硝化甘油,发明了一种威力很大的新炸药。
我想立刻投入生产,你们兄弟中是否能有谁回瑞典帮我一下忙。”而立之年的诺贝尔告别了第二故乡——俄国,回到了瑞典,投到父亲的麾下继续进行炸药的研究工作。
诺贝尔回到瑞典才知道,诺贝尔家的邻居们都在背后议论诺贝尔家的事情。他们对老诺贝尔无病却整天呆在家里很是看不惯。诺贝尔夫妇对此早有觉察,只是听之任之。诺贝尔热爱和尊敬自己的父母,父亲把贫困和别人的议论置之度外,潜心于研究;而母亲十分勤俭善良。埃米尔已上大学了。在这之前他们家还没有人读过大学,埃米尔不负大家的期望,进了乌普萨拉这所名牌大学。他的学习成绩优异,也非常喜欢化学。埃米尔放暑假回来了,他特别尊敬这位体弱多病的哥哥,感情较之其他哥哥更深厚。父子三人在一起共同探索新炸药。尽管研究的目的相同,然而父子的性格却迥然不同。父亲是个乐天派,性子很急,而诺贝尔却小心谨慎,很有耐性。父子俩也经常发生意见分歧。诺贝尔认为父亲加紧制造的“强力新炸药”远远没有达到实际使用阶段,而父亲却坚持早日公开实验。诺贝尔不赞成。性急的父亲强调种种有利条件,在积极地进行准备。结果还是让诺贝尔言中了,实验了三次都失败了,军官们嘲讽地说了一通,夹着皮包走了。老诺贝尔很恼火,一言不发,颓丧地一屁股坐到地上。诺贝尔一边扶父亲起来,一边极力安慰他。
自从公开实验失败以后,老诺贝尔情绪不佳,闷闷不乐。以此为开端,父子俩开始各自用自己感到正确的方法进行研究。父子俩不管怎样也无法抛开这条向着人见人畏的物质挑战的道路,而且冒着生命危险,每天像生活在火山顶上一样,不知哪一天火山会爆发。诺贝尔首先引起一个小的爆炸,以这种小的爆炸产生的热和冲击力作为起爆的能量,使硝化甘油发生更大规模的爆炸。为了找到引起这种小规模的爆炸的最好方法,诺贝尔进行了50多次实验,因此而发明了雷管。诺贝尔仅仅因为这项发明,也足以在炸药的发明史上留下光辉的一页。诺贝尔决定带着雷管和硝化甘油液体,到花岗岩采掘场进行实验。他把硝化甘油液体注入岩缝中,再用雷管爆破岩石。前来观看的人很多。在众目睽睽之下进行的实验获得巨大成功。爆炸的威力是空前的,那巨大而坚固的岩层被炸得粉碎。观众赞叹:“这么大规模的爆炸实在可观!”“我们的工程也想用这种炸药。”诺贝尔为满足各方面的要求,到各处进行实验。炸药用于矿山爆破,这在世界上还是首次。诺贝尔把这种新炸药起名为“硝化甘油炸药”。不久,这种新炸药,在瑞典、法国、英国、比利时、德国都取得了专利。
诺贝尔在他家附近找了间很小的空房子,在那里生产硝化甘油炸药。订货迅速增加,必须扩大生产,必须买进大量原料和药品。人手紧张,正在这时,埃米尔放假回来了,他立刻成了诺贝尔的得力助手。正当他们为钱犯愁时,斯德哥尔摩一家实业老板对硝化甘油炸药表示关心,决定对建设工厂进行援助。父子三人高兴得手舞足蹈。这样,诺贝尔一家在事业方面又兴旺起来了。可是有一天发生了一件意想不到的悲惨事故。那是1864年9月3日,诺贝尔和父亲为了签订一份重要的合同,到斯德哥尔摩去了。临走前,诺贝尔和父亲都叮嘱埃米尔在家要当心。然而不幸的事还是发生了。“工场爆炸引起大火,速归!”的消息传到了斯德哥尔摩。等他们赶回来,为时已晚。映入眼帘的是一幕惨不忍睹的悲惨景象,工厂成为瓦砾,母亲抱着埃米尔的尸体,呼天抢地,哭干了血泪。诺贝尔悲痛懊悔,真想大哭一场,但是他有泪不能流,他有悲无处泄,现在需要他用理智和感情去安慰父母。报纸对这次事故进行了大量报道。诺贝尔也被警方多次传讯。与化学和发明无缘的人们像对待杀人犯那样,对诺贝尔一家白眼相待。年老的父亲经不起这个打击,这匹不知疲倦的老马病倒了,至死也没有离开过病床。母亲每日郁郁寡欢,勉强支撑着照看老诺贝尔。更为严重的是国家宣布禁止建设硝化甘油制造厂。卧床不起的父亲,年老的母亲,巨额的借款,人们的责难,无望的前程……这许多难题如千斤重担,一下子全部压到了诺贝尔的肩上。从不向困难低头的诺贝尔在寻找着机会。尽管政府明文规定不准建硝化甘油工厂,诺贝尔还是寻找到了场地,在湖上建工厂。这是个好主意。经过曲折过程,他在汉堡建起了硝化甘油炸药工厂。可是,新的难题又在向诺贝尔袭来。许久没有发生的爆炸事故突然又在各地频繁地发生。原因是使用新炸药的国家和人在增加,越来越多的人忘记了硝化甘油的危险,使用时越来越粗心。他们放松了警惕性,早已把发明者说的安全细则置于脑后。事故不断,人们对此十分恐慌。诺贝尔每想到许多死难者和弟弟的惨景,就深感不安。此时,他最得力的助手和朋友温克勒尔也想离开诺贝尔了。他要振作起来,他要研制出安全炸药。他对朋友说:“现在就是走遍世界也找不到比硝化甘油炸药更有威力的炸药。只要我们能够度过目前的困境,公司决不会倒闭。”“你太天真了,诺贝尔。现在已经有那么多国家禁止使用硝化甘油炸药,它的威力再强,没有人用不是白费吗?”“当然,像现在这种硝化甘油是不行的。只要制成安全的硝化甘油炸药,一定会有人用的。为了人类的进步,威力大的炸药是绝对必要的。我一定要用新办法实现这个理想。”
温克勒尔被说服了。
诺贝尔开始全力以赴地研究“安全硝化甘油炸药”。必须想出一个办法,使硝化甘油炸药既不减弱爆炸威力,又能安全地搬运。因为,所有的事故几乎都发生在运输途中。诺贝尔已经感到,为了便于运输又安全,应该把液体的硝化甘油炸药制成固体的。“把液体硝化甘油冷冻如何?”温克勒尔建议道。“这样恐怕不行,熔化后还是液体,在比较热的国家就没有办法用。”诺贝尔想:如果用一种物质把硝化甘油吸进去怎么样?他顺着这条思路进行试验。经过反复实验,他选中了硅藻土。硅藻土多孔,具有很强的吸进硝化甘油的能力,实验效果很好。温克勒尔高兴极了。他脸上那种灰心丧气的表情顿时云消雾散,眼睛里闪烁着期待的光辉。“这回再试验一次爆炸威力吧!”诺贝尔内心感到紧张,他十分担心这最后的实验失败。试验结果非常成功。这种吸进了硝化甘油的硅藻土发生了剧烈的爆炸,把岩石炸得粉碎。“怎么摔打都不爆炸,不淌不流,重量轻而容易搬运,易于保管,性能稳定,爆炸力与硝化甘油炸药不相上下。好极了,诺贝尔,真有你的!”温克勒尔兴奋得上前同诺贝尔拥抱起来。“我日思夜想的安全炸药终于研制成功了!”他立刻把这个消息告诉了父母、哥哥和朋友们。“祝贺你,诺贝尔!”“诺贝尔先生,给这种炸药起个名字吧!”最后定名为达纳炸药。“达纳”在希腊语中是“力量”的意思,“达纳炸药”就这么传世了。订单从四面八方飞来,专利走遍西欧。诺贝尔并不因此而满足,又在着手改良这种达纳炸药。因为使用炸药的人请求“制出一种威力更大的炸药”。达纳炸药的成分因拌有硅藻土,爆炸威力不会再大。硅藻土毕竟是土,它本身既不能燃烧,也不能爆炸。他想:如果把硅藻土换成某种有爆炸性能的物质,那不是爆炸力更大吗?他按着这样的想法开始了新一轮的研究工作。诺贝尔又拿出了他那股顽强的劲头,从早到晚,有时忘记了吃饭,也忘记了睡眠,埋头研究新的达纳炸药。
有一天,诺贝尔的手被试管给划破了,助手给他贴了一块名叫硝棉胶的创伤膏。那天夜里,很晚了诺贝尔的手指还是很痛。到此时他还没有想出硅藻土的替代物,他躺在床上陷入了沉思。他有点奇怪,这么点伤,手指为什么痛得这么厉害?是否有什么物质通过硝棉胶渗到伤口中去了?诺贝尔好像突然悟出了什么,立刻从床上爬起来,跑进实验室。诺贝尔取出硝棉胶液,把它同硝化甘油混合到一起。试验着各种比例,最后形成一种最合适的状态,如药膏一样的稠状物质。它像是浆糊状的硝化甘油。
爆炸力肯定不错。终于找到了!诺贝尔很兴奋,一直凝视着盛在玻璃器皿里的刚刚诞生的炸药。一束阳光照在实验台上,它好像是特意来祝贺诺贝尔的成功。上班的助手看到诺贝尔穿着睡衣呆在实验室里,吃了一惊。“先生发生了什么事?”诺贝尔笑容可掬地说新炸药试制成功了。“您说什么?是找到代替硅藻土的物质了?”“年轻人,是你给我贴的药膏启发了我。”他把自己的思路和实验过程向助手讲了一遍。“您真伟大!一夜之间又做出了新发明。先生该给这种炸药起个名字。”“就叫胶质炸药吧。”胶质炸药于1878年发明,立刻在英国、法国、德国取得了专利权。这种炸药不怕砸也不怕摔,点火也不燃烧,所以无论运输和使用都十分安全。“从各个方面看,胶质炸药是最好的炸药,最安全的炸药。”
诺贝尔对自己的发明总不满足。不管周围人怎样称赞他的优秀发明,他都认为还有改进之处,并且一直在琢磨着改进的实验。这是因为他从未丢掉作为一个发明家的高尚品德——由衷地希望人类幸福。
几年之后,诺贝尔又在着手研究起无烟火药。全世界的科学家都十分关注这项研究。据说当时,在德国、英国、法国等已经取得了相当大的进展。诺贝尔一旦着手研究,就决不急于求成,而是专心致志,一步一步、扎扎实实地进行。他坚信在科学上来不得半点虚伪。他以一般人难以想像的毅力,反复进行实验,不怕失败和挫折。用了七年的时间,他终于研究出了“无烟火药”。助手们十分佩服这项发明。这种新炸药不仅爆炸时无烟而令人折服,它还能弄薄切断,可以像做面条似地弄成各种形状,可以用刀切,用起来十分方便。
诺贝尔不愧为一位伟大的发明家,他的一生有350多项专利。不仅仅是炸药,还涉及电化学、生物学、纤维、医学、生理学等,范围极广。有益于安全方面的就有汽车的煞车,人造橡胶,不爆炸的锅炉,煤气表,等等。他作为事业家,在世界各地建工厂,发展事业,他所创造的财富由每年发给诺贝尔奖得主的利息中,就可以推算出有多少了。他更不愧为是一位具有远见卓识的科学家和政治家。您阅读了他的遗嘱,自然会被他的伟大人格所感染。他认为:人的欲望无止境,不依靠别人的财产,而靠自己的能力生活是非常重要的;如果我的侄儿及亲戚们继承了我的全部遗产,一定会产生惰性,丧失自立心,这反而会成为可悲的事情。于是,诺贝尔·诺贝尔作了如下遗嘱:
请把我的全部财产作为基金,以其利息作为奖金。把奖金分成五等分,作为五种奖金。即物理、化学、文学、生理学或医学以及和平事业。它每年奖给为人类作出了最卓著贡献的人……1896年12月10日,63岁的艾尔弗雷德·诺贝尔在意大利圣雷莫逝世。他的英名和诺贝尔奖一样,万古流芳。
给元素王国立法的门捷列夫
1869年是科学史上永远值得纪念的一年。这一年俄国化学家门捷列夫天才地将当时发现的63种元素按原子量递增顺序排列制成了元素周期表,结束了化学元素杂乱无章的历史。它是化学发展史上的一座丰碑,元素周期表堪称美的杰作。一个多世纪以来,在研究元素的性质及其变化规律、新元素的发现、新材料的寻找、高效催化剂的形成、新农药的合成等许多领域,元素周期表指导着科学家们取得了一个又一个的胜利和成功。恩格斯曾评价说:门捷列夫不自觉地应用黑格尔的量转化为质的规律,完成了科学上的一个勋业,这个勋业可以和开普勒行星三定律居于同等地位。开普勒给行星立法,门捷列夫给化学元素立法。
1834年2月7日,门捷列夫诞生在西伯利亚托博尔斯克市,他是家里的第十七个孩子。门捷列夫不到周岁,他父亲因双目失明而失业,家庭生活一下子陷入绝境。母亲开始接手经营哥哥给她的一个濒临倒闭的小玻璃厂。意志坚强的门母日夜操劳,苦心经营,终于使小玻璃厂有了起色,全家人生活才勉强得以维持。
1841年,门捷列夫在母亲的多方努力下,进入一所学校读书。虽然他是班里年龄最小的学生,但他表现出了非凡的记忆力和数学才能,自然科学方面的功课也学得很好,时常得到老师的夸奖。他喜爱大自然,善于在实践中学习,经常远足考察自然,搜集了很多岩石、植物和昆虫标本。
1847年,一连串的灾难突然降临到门捷列夫家。先是父亲病故,后是大姐英年早逝,随之而来的一场大火吞没了一家人赖以生存的玻璃厂。坚强的母亲并没有被灾难所吓倒,她决心要让聪明的小儿子像他父亲那样能接受高等教育。1849年夏天,门捷列夫中学毕业了,母亲毅然变卖了全部家产,带上15岁的门捷列夫和小女儿丽莎,乘着马车,千里迢迢地向莫斯科进发。因为出身低微,又来自边远的西伯利亚,门捷列夫的求学处处碰壁。一心想让儿子上大学的母亲又带上孩子去了彼得堡,不想彼得堡大学以不接受外地考生为由,拒绝了门捷列夫的报考。母亲只好求助于亡夫当年的同学和朋友,才使儿子考进了彼得堡高等师范学校。当时在这所学校任教的有好几位著名的科学家。有物理学家楞次、俄罗斯化学之父斯伏克列辛斯基,他们对门捷列夫的学习和成长产生了重要的影响。大学第一学期门捷列夫学习很吃力,成绩平平,但他知难而进。为了不辜负母亲的期望,门捷列夫发奋读书,一边学习功课,一边温习基础知识。边远的乡村教育与大城市的教育差距是巨大的,经过一番拼搏,门捷列夫成为班上的优秀学生。然而,厄运又向门捷列夫袭来。慈祥的母亲与他永远地别离了。门捷列夫还没有从失去母亲的悲痛中恢复过来,姐姐丽莎又抱病身亡。举目无亲、孑然一身的门捷列夫把对亲人的思念埋在心底,化悲痛为力量,学习更加勤奋刻苦。大三这年病魔也将他击倒了,他面容憔悴,痰中带血,常常发烧。学校准备把他转到气候温和的基辅大学学习,但是门捷列夫不愿离开他所崇拜的斯伏克列辛斯基教授,学校只好把他送进医院治疗。尽管连遭不幸,病魔缠身,但是门捷列夫意志坚强,从没有消沉过,住院期间也没有中断过学习。母亲临终遗言始终激励着他:“不要幻想,要勤奋工作,不懈地寻求科学真理。”四年的大学生活,门捷列夫是在不断地抗争和奋斗中度过的,他以常人难以想像的毅力克服了物质上、精神上和身体上的重重困难,顽强刻苦地学习,1855年,门捷列夫以第一名的优异成绩在彼得堡高等师范学校毕业。
一份耕耘一份收获。大学时代的刻苦学习,给门捷列夫打下了深厚扎实的知识功底。早在1854年,这位不满20岁的大学生就撰写了一篇矿石化学成分的科研论文,深得恩师斯伏克列辛斯基的赞赏和肯定,这位教授评价说:“这一分析做得很出色,值得在俄罗斯矿物学会的会刊上发表。”此后不久,门捷列夫又带病完成了《从鲁基拉到芬兰的辉石》及《论同晶现象与结晶形状及其组成的关系》两篇论文,都深得专家们的好评。大学毕业时,学校授予门捷列夫“一级教师”称号和金质奖章。一位院士称赞门捷列夫出众的才华,希望他能在化学方面得到进一步的深造。不久,门捷列夫考入彼得堡大学读研究生。在彼得堡大学,门捷列夫作了“论含硅化合物结构”的学术报告。1856年,他顺利通过论文答辩,校学术委员会一致同意授予他物理化学硕士学位。时隔不久,彼得堡大学破格聘任门捷列夫为副教授。年仅23岁的门捷列夫登上了俄罗斯最高学府彼得堡大学的讲台。门捷列夫心潮起伏,感慨尤深,往日渴望报考这所大学被拒之门外的情景,还历历在目。
1859年,门捷列夫获得了到德国海德堡大学本生实验室进修的机会,为期两年。德国当时是世界化学研究中心,实验条件十分优越,海德堡大学有一些著名的科学家,这些对求知若渴的门捷列夫来说是极富吸引力的。他珍惜着这里的分分秒秒。在进修的头一年,他就取得了丰硕成果,连续发表了三篇科研论文:《论液体的毛细现象》、《论液体的膨胀》和《论同种液体的绝对沸点温度》。第三篇论文解决了当时科学上的一大难题。当时科学家们普遍认为,只要外加足够的压力,任何气体都能被液化。然而对氧气和氮气则不然,采用超高压也无法使它们液化。科学家们一时无法给出合理的解释,就冠以“永久气体”之名。门捷列夫在论文中明确指出:当气体温度高于临界温度时(临界温度概念由他提出),无论施加多大的压力都不能使其液化。门捷列夫的观点使人们幡然醒悟。实验结果证明,在临界温度下,无论什么气体都能液化。
1851年,门捷列夫回国。同年,他编著出版了《有机化学》教科书,该书注重从本质上探讨化学反应过程,特别注意介绍当时化学上的新成果,受到同行的好评和认可,并荣获俄罗斯科学院的奖金。该书的出版,使门捷列夫声名鹊起,好几所大学同时聘请他讲课。门捷列夫博学多才,讲课富有激情,风趣生动,旁征博引,挥洒自如。学生们说:过去学习化学,觉得零乱无序,机械记忆,难以接受。听了门捷列夫讲课后,才开始认识到化学是一门丰富生动的科学。
早在彼得堡大学任教时,门捷列夫就为怎样讲解化学课煞费苦心。当时教科书中的化学知识是孤立的,看不到联系,元素化合物知识更是杂乱无序,内容枯燥无味,教师教得辛苦,学生学得吃力。门捷列夫下决心整理出头绪。他经常思考的一个问题就是如何把化学元素加以分类把握,以便找出元素之间的规律,使学生学习时有章可循。他是个有心人,处处留心。
在德国进修时的一次国际科学大会上,各国科学家的精彩报告给门捷列夫启发很大,影响是深远的。门捷列夫后来回忆说:“我的周期律的决定性时刻在1860年,我参加了卡尔斯鲁厄代表大会,在会上我聆听了意大利化学家康尼查罗的演讲,正是他详尽论述了原子量,给了我很大启发。一种元素的性质随原子量的递增而呈现周期性变化的基本思想冲击着我。”从此,他确立了自己的研究方向和目标,为此付出了毕生的努力,也铸就了辉煌。
道尔顿提出科学的原子论之后,许多化学家都把主要精力集中在元素原子量与性质之间关系的研究上,期望能找出原子量与性质之间的联系。1829年,德国化学家德贝莱纳提出了“三元素组”观点。他把当时已知的44种元素中的15种分成5组,指出每组三元素的性质相似,而且中间元素的原子量等于较轻元素和较重的两元素原子量的算术平均值。如钙、锶、钡;氯、溴、碘;锂、钠、钾。这样的分类有许多令人不满意的地方,所以并没有引起化学家们的重视。
1862年,法国化学家尚古多提出了一个“螺旋图”的分类方法。他将已知的62种元素按原子量大小顺序标记在绕着圆柱体上升的螺旋线上,这样某些性质相近的元素恰好出现在同一母线上。他第一个指出了元素性质的周期性变化,可惜的是他的报告无人理睬。
1864年,德国化学家迈尔在他的《现代化学理论》一书中刊出了“六元素表”。他明确地指出:“在原子量数值上具有一种规律性,这是毫无疑义的。”可惜他制的表中只列出了已知元素的一半。
1865年,英国化学家纽兰兹提出了“八音律”之说。他把当时已知的元素按原子量递增顺序排列在表中,发现元素的性质有周期性的重复,第八个元素与第一个元素性质相近,就好像音乐中八音度的八个音符一样,有相似的重复。纽兰兹的工作同样被否定,有的学者曾挖苦他说:你为什么不按元素的字母顺序排列呢?那样也许会有意想不到的美妙效果。
“三元素组”、“六元素表”、“八音律”虽然都存在这样或那样的错误,但是应该看到,它们也都从不同的角度,逐步深入地探讨了各元素间的某些联系,揭示了局部的规律性,使人们一步步逼近了科学的真理。
这期间,门捷列夫也在倾注精力探索原子量与元素性质之间的内在联系,并紧紧抓住原子量作为各种元素的基本特性去探讨元素性质的演变规律。他对所掌握的大量资料进行比较、核对和验证,做了一番去粗取精、去伪存真的整理工作,对有疑问的原子量,他根据其化学性质并利用原子价、当量、原子量之间的关系作了大胆修订。他对各种元素分类方案,诸如根据元素对氧和氢的关系所作的分类、按金属与非金属的分类、根据化学活性的顺序分类、根据原子价的分类、根据元素的综合化学性质的分类都一一作了认真的研究。在深入研究原子量与原子价时,门捷列夫对各种元素的原子量可以相差很大而原子价的变动范围较小这一情况有很深的印象,而且有许多元素具有相同的原子价,也恰恰是这些元素的化学性质彼此非常相似。他注意到一价元素都是最典型的金属,七价元素都是典型的非金属,四价元素的性质恰好介于金属与非金属之间。这就使他坚信各种元素之间一定存在着统一的规律性。他将元素按原子量的大小顺序排列起来,看到氯和钾的原子量相差不多,但性质截然不同;而钾与钠原子量相差颇大,但性质酷似。在钾以后的元素随原子量的增加其性质又显示出从钠到氯的相似演变。这些现象使他坚信各种元素的性质间存在着周期性变化规律。
1869年2月,门捷列夫发表了第一份关于元素周期律的图表,不久又作了进一步的修正,把自己的思想写在《元素属性和原子量的关系》的论文中,阐述了元素周期律的基本论点:
(1)按照原子量大小排列起来的元素,在性质上呈现明显的周期性。
(2)原子量的数值决定元素的特征。
(3)应该预料到还有许多未发现的元素,例如会有分别类似铝和硅,原子量介于65~75之间的两个元素。现在可以由已知元素的某些性质,去预测它们的同类元素,从而发现它们。
(4)当我们掌握了某些同类元素原子量之后,可借此修正该元素的原子量。
门捷列夫在这张表中初步实现了使元素系统化的任务,把已发现的63种元素全列进表中。全表有67个位置,尚有四个空位只有原子量而没有元素名称,门捷列夫预示必有与其相对应的尚未发现的元素存在。根据他的周期律,他还先后修正了十多种元素的原子量,实践证明都是正确的。
为什么其他人只发现了元素的周期性而门捷列夫却发现了比周期性具有更大理论价值的周期律呢?主要是门捷列夫在三个方面干得比他人更出色。
首先,他不是机械地利用已知的原子量,而是小心地把可疑的原子量找出来,一一加以校正。别的研究者在这方面比较大意,完全沿用已有原子量数据,导致按原子量排列的元素顺序出现不少差错。第二,门捷列夫觉得别人研究元素分类时,只重视原子量却忽视了对元素的各种性质的综合研究。这使他们所排的元素经常错位。门捷列夫排列元素位置时非常重视对多方面性质的综合考虑。为此他曾把当时已知元素的相关信息制成63张卡片,反复琢磨,在玩着特殊的牌,以至于有些人误认为他不务正业。第三,门捷列夫周期律不但能演绎出当时已知元素的性质,而且还能预言未知元素的性质。当他在根据原子量递增呈现周期性变化遭到破坏和中断时,这位卓越的科学家坚信自然界不可能有这样的断层。于是他大胆地预言自然界中必有尚未被发现的元素存在。他根据大自然应有的和谐规律,准确预言了这些尚未被发现的元素属性。他在一篇文章中写道:“紧接着锌后面,应该是具有原子量接近68的一种元素。因为这种元素在第Ⅲ族,紧接在铝下面,所以我把它叫类铝。它处在铝和钅因之间的位置上,因此具有接近这两种元素的性质,它在金属状态时比重接近6。这种金属性质在各方面应该是从铝的性质向钅因的性质过渡。完全可以设想,这种金属将比铝具有更大的挥发性,因此可望在光谱的研究中发现。”四年后,法国化学家布瓦德朗在用光谱分析锌矿时发现了一种新元素,正是类铝,即镓。门捷列夫获悉布瓦德朗发现镓的报告后,立即寄去了一封信。说镓正是类铝,不过镓的比重不是4.7,应在5.96~6.0之间。看完信,布瓦德朗十分震怒,镓是他首先发现的,远在千里之外的异国他乡的门捷列夫却武断地指责镓的比重测量不准确!严谨的科学作风促使他又重新提纯了镓,结果是5.94,这使他惊讶不已。门捷列夫所预言的类硅在1886年由德国化学家文克勒所发现。他把这种元素命名为锗。当文克勒看到自己发现的锗与门捷列夫预言的类硅性质十分吻合时,惊叹不已(比较见下表)。他说,再也没有比“类硅”的发现能这样雄辩地证明元素周期律的正确性了。它不仅证明了这个有胆识的理论,还扩大了人们在化学方面的眼界,而且在认识领域里也迈进了一步。
元素类硅(1871年)锗(1886年)
原子量7272.32
比重5.55.47
原子体积13.013.22
原子价44
比热0.0730.076
氧化物比重4.74.703
氯化物比重1.91.887
四氯化物沸点100℃以下86℃
乙基化合物沸点160℃160℃
乙基化合物比重0.961.0
门捷列夫题为《元素性质和原子量的关系》的文章,就像但丁神曲。他科学地预言道:“按原子量的大小排列起来的元素在性质上呈现明显的周期性变化”,“原子量的大小决定了元素特征”,“应该预料到许多未知元素的发现”,“知道了某些元素的同类元素以后,有时可以修正该元素的原子量。”
门捷列夫认为,科学的目的是要在多样性中追求统一性。化学的目的不但要描述化合物的多样性,而且还要揭示隐藏在复杂现象中的统一性。科学研究中单纯地积累事实是很不够的。
关键要对世界的和谐性有一个完整认识,要善于把局部知识协调组织起来。门捷列夫将丰富的感性材料加以去粗取精、去伪存真、由此及彼、由表及里地改造制作,归纳出一个自然界的规律——元素周期律。周期律的巨大魅力触发了人们探索新元素的激情。周期律就像原子世界的地图,指导着人们去发现新元素,研究新问题。在元素周期律的指导下,新元素以惊人的速度投入化学家的怀抱。短短的28年中人类就发现了十多种新元素,太令人振奋了。
由于元素周期律的巨大成功,门捷列夫几乎被各种荣誉淹没了。但他却泰然处之,仍然勤奋地工作,不懈地进行科学探索。他说:“对于我来说,最好的休息就是工作。停止工作,我就会烦闷而死。”
1907年2月2日,这位勤奋工作了一生的伟大科学家在自己的写字台旁与世长辞。除了不朽的元素周期律外,他还给世人留下了500多种科学著作。为了永远纪念这位伟大的科学家,1955年美国科学家把新发现的101号元素,命名为钔(Md)。
生物化学的创始人费歇尔
费歇尔是德国近代最有名的有机化学家之一。他发现了苯肼,对糖类、嘌呤类有机化合物的研究和合成取得了突出的成绩,因此荣获1902年度的诺贝尔化学奖。他是第二个荣获此项荣誉的化学家,可见科学界对他的推崇。
对于大多数诺贝尔奖获得者来说,获奖的成果往往是他一生中在科学上最主要的贡献。对费歇尔而言,他在科学征途上更令人敬仰的成就,却是在他获得诺贝尔奖之后完成的。他对科学发展的重大贡献,归纳起来,主要有四个方面:一是对糖类的研究;二是对嘌呤类化合物的研究;三是对氨基酸、多肽和蛋白质的研究;四是在化工生产和化学教育上的贡献。他的研究领域集中在对有机化学中那些与人类生活、生命密切相关的有机物质的探索。因此,可以说他是生物化学的创始人。
艾米尔·费歇尔1852年10月9日出生于德国科隆市郊的一个小镇。两个哥哥早年夭折,余下的六姐弟中他是年龄最小,又是家中惟一的男孩,在家里受到大家的宠爱是自然的事。他父亲是个很有经营之道的富有商人,除经营葡萄酒、啤酒外,还兼啤酒厂、毛纺厂、钢管厂、玻璃厂及矿山企业的董事长,富甲一方。费歇尔从小就在蜜罐中长大。在费歇尔少年时代,他父亲正倾注全力发展毛纺厂,亲自动手建立了一个小染坊,把买来的染料反复调和进行试验。由于缺乏化学知识,试验总是不顺心,为此他常常自言自语:“如果家里有一个化学家,这些困难便好解决了。”后来相继建立的钢铁厂、水泥厂更迫切需要化学知识,致使他父亲对化学这门科学更加崇拜。父亲的这一思想给费歇尔留下了深刻印象,他暗暗下定决心,将来一定要做一名化学家。
1869年,费歇尔以第一名的成绩从中学毕业,他没有忘记父亲过去的嘱咐“要把自己的一生献给科学,你就应该选择化学”,毅然决定投考大学化学系。他把自己的想法告诉父亲时,父亲却犹豫了,那么大的家产和企业由谁来继承?只有费歇尔。于是老爸改变了主意,动员费歇尔从商:“你还不满17岁,这么小的岁数就入大学也没有什么意思,是不是花一年半载时间学点经商之道?”费歇尔听从了父亲的劝告,到姐夫家一个经营木材的公司见习。
此时的费歇尔心里只有化学。他来到木材场后,很快就自己建了一个简易的化学实验室。整天泡在实验室做实验,什么商业买卖,他根本就没有放在心上。说他做生意,那才是笑话。
账目让他记得一塌糊涂,往往是一钻进他的小实验室,整天不出来。一会儿发出爆炸声,一会儿又发出呛人的气味,他却做得津津有味。姐夫拿他没办法,决定将他交回去。他姐夫不得不把费歇尔的见习情况如实地向老岳父汇报:“费歇尔这孩子在商业上是不会有出息的。您还是让他安心读他的书吧!”面对现状,老爸也拿他没有办法,只好作出让步:“既然你不愿意做买卖,就还是去上学吧!”费歇尔终于如愿以偿,进入波恩大学化学系。
在波恩大学,费歇尔拜凯库勒为师。凯库勒的讲课水平很高,给学生们留下深刻的印象,但是该校的化学实验室却非常简陋,对此,费歇尔十分不满,他认为学习化学就必须做化学实验,只有掌握了高超的实验技术才能成为一个有作为的化学家。他的这一观点几乎贯穿在他一生的治学活动中。他对于创立一整套假说或某一学说不感兴趣,而是致力于发现新现象和阐明新的实验事实,依靠坚忍不拔的毅力和出类拔萃的实验技巧,开辟有机化学研究的新领域。为此,他在波恩大学学习了一年之后,就忍痛离开了他尊敬的教师凯库勒,转学到斯特拉斯堡大学,从学于实验有机化学家拜尔。拜尔教授很快发现了这位勤奋好学的年轻人的才能,并精心地加以培养。
当时,正是德国以染料为中心的有机合成工业蓬勃发展时期,许多化学家都把合成染料的研究选作自己的课题。拜尔当时的主要研究对象就是曙红、靛蓝等有机染料。费歇尔在拜尔指导下所做的许多实验大多与染料有关,他的毕业论文就是关于酚染料的研究。在拜尔的指导下,费歇尔不仅全面掌握了化学最基础的知识,同时获得了化学实验技巧的严格训练。1874年,他完成了《有色物质的荧光和苔黑素》论文,获得了博士学位,这时他才22岁,成为该校有史以来最年轻的博士。
斯特拉斯堡大学一向以严格求实著称,在这样的学校获得博士学位是要经过严格考核的。在隆重的毕业典礼上,大学总监也抑制不住内心的激动,他颇为骄傲地大声宣布:“本校自创建307年以来,本届出了一位最年轻的博士,他就是艾米尔·费歇尔。”从此以后,“最年轻的博士”就成为费歇尔的另一个名字。1875年,他以优异的成绩从大学毕业,并有幸留校做拜尔的助手。这年拜尔应聘去慕尼黑大学,接替刚去世的李比希留下的职务。留恋自己教师的费歇尔也随同恩师到了慕尼黑大学,在那里开始研究碱性品红。由于成绩突出,1878年他被任命为讲师,第二年被提升为副教授。
1882年,费歇尔接受了艾尔兰根大学的聘请,出任化学教授。两年后又转到维尔茨堡大学任教。他之所以选择这所大学,是因为这里为他创造了较好的实验研究条件。在完成教学任务之后,就可以专心致志地从事他所喜爱的实验研究。1883年,德国最著名的化学企业——巴登苯胺和纯碱公司曾以超过任何大学教授收入的年薪10万马克的高薪聘请费歇尔出任公司的研究室主任,尽管他对染料工作很感兴趣,但是不喜欢受拘束地进行科学研究的费歇尔还是拒绝了。在维尔茨堡大学的10年中,他在糖类和嘌呤类化合物的研究中取得了突破性的成就。
1892年,柏林大学化学教授霍夫曼去世。柏林大学是当时德国的最高学府,化学教授一职必然是聘请德国化学界最有威望的教授出任,谁来接替霍夫曼的职位是化学界所关注的。合适的人选有凯库勒或拜尔,这两位化学界泰斗均因年事已高,都不愿意离开原来工作的学校。
柏林大学和教育当局热情地邀请费歇尔前去就职。然而费歇尔对自己在维尔茨堡的工作环境很满意,无意离开。父亲和妻子极力鼓动他去柏林大学任教。经多方面做工作,费歇尔最后答应了柏林大学的聘请。不惑之年的费歇尔成了德国化学界的最高权威。关于蛋白质和氨基酸的研究就是在这里开始的。
作为柏林大学化学教授,除了完成本校教学任务外,还必须兼任军医学院的化学教授,必须参加许多社会公务活动,这些繁忙的工作和事务花费了他不少的精力。为了不中断科研,费歇尔不得不躲避各种社交活动,牺牲休息时间和个人享受。在这段时期内,他对氨基酸、多肽和虫白质的研究取得了重大突破。
费歇尔临终前仍念念不忘化学的发展,在遗嘱中他吩咐从他的遗产中拿出75万马克,献给科学院,作为基金提供给年轻化学家使用,鼓励他们为发展化学而努力。
费歇尔最初的研究领域是染料,其中最主要的成绩是对品红的研究。1885年,霍夫曼曾用四氯化碳处理粗的苯胺,得到一种红色染料,他称它为碱性品红。它可以直接染毛、丝棉织品,还是鉴别酮和醛的试剂。但是碱性品红究竟是什么?霍夫曼没有解答。费歇尔仔细研究了品红的性质,为合成这一染料提供了实验基础。
在研究各种染料的过程中,他发现了化合物苯肼,它是联氨(H2N—NH2)中氨原子被苯基取代的生成物(NHNH2),通过进一步研究,费歇尔还发现它是鉴别醛酮的好试剂,这为他以后的研究提供了一种重要的手段。
在染料的研究中积累一定经验后,费歇尔把研究对象转向碳水化合物,因为他觉得碳水化合物与人类生活关系密切。碳水化合物最基本的物质是各类低碳糖,其次是淀粉和纤维素。费歇尔对糖类化合物开始研究时,科学家仅知道有葡萄糖、果糖、半乳糖和山梨糖四种单糖,它们的分子式都是C6H12O6,双糖有蔗糖、乳糖,其分子式为C12H22O11,还知道淀粉、纤维素水解的最终产物是糖类。但是由于相当多的糖类在不纯时不易取得结晶而妨碍了对糖类的鉴别和进一步的深入研究。
费歇尔在糖类研究方面花了十年时间,系统地研究了各种糖类。他还发现并总结出将糖类还原为多元醇,将醛糖氧化为羧酸羟基酸等研究糖类的新方法,在此基础上他得心应手地合成了50多种糖分子。通过研究,费歇尔确定了许多糖类的构型,并首次对立体结构以投影的方式加以表征,即费歇尔投影式。费歇尔投影式最大的优点在于,用二维平面来表征三维立体结构,能够较好地唤起人们的空间想像,成为有机化学中的重要的化学用语。由于费歇尔的杰出工作,人们终于探明了单糖的本性及其相互间的关系。
费歇尔根据他所掌握的有关糖类的丰富知识,还提出了一个有关发酵机理的著名假说。他认为糖类物质由于酶的存在而发生分解,而不同的糖需要不同的酶的作用才能分解,这可能因为糖和酶的分子结构有某些共同点,犹如锁头与钥匙的关系。
对于双糖类的研究,费歇尔也取得了很大的成绩,对于淀粉、纤维素等多糖的研究,未能如愿,因长期与苯肼接触而慢性中毒,不得不停止接触这一试剂。从1882年~1906年,第二类研究对象就是嘌呤碱类物质。涉及的物质有可可碱、茶碱、咖啡碱等有生理活性的物质,因为它们都能起兴奋作用,因此费歇尔决定研究它们。
费歇尔的研究从尿酸入手,尿酸是人们最早认识的嘌呤化合物中的一种。通过深入研究,他逐个地确定了上述物质的组成和结构,还合成了上述物质的母体化合物——嘌呤及其许多衍生物。他制备了当时尚未被认识的嘌呤衍生物,他发现了催眠药二乙基巴比妥酸。他还探索了嘌呤类化合物与糖类及磷酸的结合,指出由它们能够得到构成细胞的主要成分——核酸,从而为生物化学的发展奠定了基础。
1899年开始,费歇尔选择了一个更难的课题,即对氨基酸、多肽及蛋白质的研究。蛋白质与人类的生活、生命关系更为密切。蛋白质的结构非常复杂,一个分子往往有几千个原子。面对这一难题,费歇尔充满信心地说:“关于有机合成的这项研究,由于先辈们留下了宝贵的经验方法,在短短的62年内征服了尿素、脂肪、多种酸类、染料等,并进而征服了尿酸和糖类。从而可以断言对任何活着的有机物体产物,我们都不必胆怯。”
对蛋白质的研究,费歇尔决定从它的基本组成氨基酸开始。为了认识所有的氨基酸,他发展和改进了许多分析方法,一一将各种氨基酸分离出来进行鉴别。由于他的辛勤劳动,人们认识了19种氨基酸。自然界中有几十万种蛋白质,而它们都是由20种氨基酸以不同的数量比例和不同的排列方式结合而成的。在进一步探索蛋白质的组成和结构及合成方法时,他发现将氨基酸聚合,首先得到的不是蛋白质,而是以他命名为多肽的一类化合物。将蛋白质进行分解,首先得到的也是多肽一类化合物。根据这一实验事实,1902年他提出了蛋白质的多肽结构学说。他指出:蛋白质分子是许多氨基酸以肽键结合而成的长链高分子化合物。两个氨基酸结合成二肽,三个氨基酸分子结合成三肽,多个氨基酸结合成多肽。随后他合成了100多种多肽化合物,由简单到复杂,开始只采用同一氨基酸使其链逐步增长,发展到采用多种氨基酸使其氨基酸双链伸长。1907年,他制取由18种氨基酸分子组成的多肽,成为当时的重要科学新闻,并于1914年第一个合成了核苷酸。他又被提名为诺贝尔生理学及医学奖候选人。
由于积劳成疾,身体状况恶化,也由于第一次世界大战的爆发,费歇尔不得不中断了这一重要的研究。
用现在的观点看,“蛋白体”实际上就是蛋白质和核酸的复合体。鉴于这一点,可见费歇尔研究工作的重要意义,他为现代蛋白质和核酸的研究奠定了基础。
加之第一次世界大战的爆发,他的健康每况愈下。1919年7月15日,这位德国有机化学大师的心脏停止了跳动,享年67岁。
高分子化学奠基人施陶丁格
施陶丁格是德国有机化学家和高分子化学的奠基人。他自幼爱好哲学和自然科学,特别是植物学,酷爱化学实验。1903年,他获得化学博士学位。1912年,他在瑞士苏黎世联邦高等工业学校任教,讲授有机化学。1926年任德国弗莱堡大学教授,1940年任该大学高分子化学研究所所长。
施陶丁格首先提出高分子化合物概念,预言了高分子化合物与人体的重要关系。他提出了高分子化合物粘度跟高分子化合物相对分子质量之间的关系式,即施陶丁格方程,迄今仍为测定高分子化合物相对分子质量的基本方法。他首创的高分子理论直到今天仍然是合成高分子工业的理论基础。他是缩聚反应的发现者,是第一个合成能与天然橡胶媲美的人工合成橡胶。一生发表关于有机化学高分子方面的论文600多篇,出版了划时代的著作《高分子有机化合物》。他还是《高分子化学》杂志的创办人。由于他在高分子领域中的卓越贡献,曾获1953年诺贝尔化学奖。
棉、麻、丝、木材、淀粉都是天然高分子化合物,从某种意义上讲,人体本身也是一个复杂的高分子体系。在过去漫长的岁月里,人们虽然天天与天然高分子打交道,但是对它们的本性却一无所知。现在我们知道什么是高分子,并建立了许多大规模的高分子合成工业,生产出五光十色的塑料、精美耐用的合成纤维、性能优异的合成橡胶,可以毫不夸张地说,人类今天的衣、食、住、行、家用电器、建材、电子、化工、冶金、农业、交通、国防,小到一颗螺丝钉,大到航天飞行器,没有哪一样能离开合成高分子。我们身上穿的是聚酯衬衫、脚下踩的是聚丙烯地毯,用的是聚酯软盘……合成高分子材料已与金属材料、无机非金属材料构成材料世界的三分天下局面。人们生活在高聚物时代,享受着高聚物时代的物质文明,我们不能不缅怀高分子化学的奠基人德国化学家施陶丁格。
高分子是由许多结构相同的单体聚合而成的,相对分子质量往往是几万到数十万甚至百万。
结构、形状也很特别,如果把普通分子看成珍珠,那么高分子由单体彼此连接成的长链就是项链。有些高分子长链之间又有支链相结而成网状。由于大分子与大分子间存在引力,这些长链不但各自卷曲而且相互缠绕,形成了既有一定强度,又有不同程度弹性的良好可塑性固体。正是这种内在结构,使它具有包括电绝缘与导电性在内的许多特性,成为新型的优质材料。人们对它们的组成、结构的认识和合成方法的掌握经历了一个实践——认识——再实践的曲折过程。
1812年,化学家用酸水解木屑、树皮、淀粉等植物的实验中得到了葡萄糖,证明淀粉、纤维素都由葡萄糖组成。1826年,法拉第通过元素分析发现橡胶的单体分子式为C5H8。后来人们测出C5H8的结构是异戊二烯,人们逐步了解了构成天然高分子化合物的单体。
1839年,有个名叫德意尔的美国人,偶然发现天然橡胶与硫磺共热后明显地改变了性能,使它从硬度较低变为富有弹性的材料。这一发现的推广应用促进了天然橡胶工业的建立。天然橡胶这一处理方法,在化学上叫做高分子的化学改性,在工业上叫天然橡胶的硫化处理。
进一步试验,化学家们将纤维素进行化学改性获得了第一种人造塑料——赛璐珞和人造丝。
1889年,法国建成了最早的人造丝工厂,1990年,英国建成了以木浆为原料的粘胶纤维工厂。天然高分子的化学改性,大大开阔了人们的视野。1907年,美国化学家在研究苯酚和甲醛的反应中制得了最早的合成塑料——酚醛树脂,俗名电木。1909年,德国化学家以热引发聚合异戊烯获得成功。在这一实验启发下,德国化学家采用与异戊二烯结构相近的2,3-二甲丁二烯为原料,在金属钠的催化下,合成了甲基橡胶,开创了合成橡胶的工业生产。
上述对高分子化合物的单体分析、天然高分子的化学改性的实践和合成塑料、合成橡胶方面的探索,使人们深切地感受到必须弄清高分子化合物的组成、结构及合成方法。对于这个基础理论问题人们所知甚少,这一理论发展得缓慢与高分子本身的复杂性有关。化学家一直搞不清它们的相对分子质量究竟是多少,它为什么难于透过半透膜而有点橡胶体?它为什么没有固定的熔点和沸点,不易形成结晶?这些独特的性质以当时的化学观来看是很难理解的。
早在1861年,胶体化学奠基人格雷阿姆曾将高分子与胶体进行比较,认为高分子是由一些小的结晶分子形成的,并从高分子溶液具有胶体性质着眼,提出了高分子的胶体理论。该理论在一定程度上解释了某些高分子的特性。
人们将支持格雷阿姆的高分子胶体理论的称为胶体论者。他们拿胶体化学理论来套高分子物质,认为纤维是葡萄的缔合体。所谓缔合体即小分子物理聚合。他们还因当时无法测出高分子的末端基团,而提出它们是环状化合物。在当时只有德国有机化学家施陶丁格等少数几个人不同意胶体论者的上述看法。施陶丁格发表了《关于聚合反应》的论文,他从研究甲醛和丁二烯的聚合反应出发,认为聚合不同于缔合,它是分子靠正常的化学键结合起来的。天然胶应该具有线性长链的价键结构式。这篇论文的发表,就像在一潭平静的湖面扔进一块石头,一场激烈而又严肃的学术争论从此拉开序幕。
1922年,施陶丁格进而提出了高分子是由长链大分子构成的观点,动摇了传统胶体理论的根基。胶体论者坚持认为,天然橡胶是通过部分价键缔合起来的,这种缔合归结于异戊二烯的不饱和状态。他们自信地预言:橡胶加氢将会破坏这种缔合,得到的产物将是一种低沸点分子烷烃。针对这一点,施陶丁格研究了天然橡胶的加氢过程,结果得到的是加氢橡胶而不是低分子烷烃,而且加氢橡胶在性质上与天然橡胶几乎没有什么区别。结论增强了他关于天然橡胶是由长链大分子构成的信念。随后他将研究成果推广到多聚甲醛和聚苯乙烯中,指出它们的结构同样是由共价键结合形成的长链大分子。
施陶丁格的观点继续遭到胶体论者的激烈反对,有的学者认为根本不可能有大分子存在。施陶丁格没有退却。他更认真地开展有关课题的深入研究,坚信自己的理论是正确的。他曾先后在1924年及1926年召开的德国博物学及医学会议上,详细地介绍了自己的大分子理论,与胶体论者展开了面对面的辩论。
辩论主要围绕着两个问题展开:一是施陶丁格认为测定高分子溶液的粘度可以换算出其相对分子质量,相对分子质量的多少可以确定它是大分子还是小分子。胶体论者则认为粘度和相对分子质量没有直接联系。当时由于缺乏必要的实验证明,施陶丁格显得比较被动,处于劣势地位。施陶丁格没有退却,通过反复的研究,终于在粘度和相对分子质量之间建立了数学关系式,这就是著名的施陶丁格方程。辩论的另一个问题是高分子结构中晶胞与分子结构的关系。双方都使用X射线衍射法观测纤维素,都发现单体(小分子)与晶胞大小很接近。对此双方的看法截然不同。胶体论者认为一个晶胞就是一个分子,晶胞通过晶格力相互缔合,形成高分子。施陶丁格认为晶胞大小与高分子本身大小无关,一个高分子可以有许多晶胞。对同一实验事实有不同解释,究竟谁是谁非?科学的裁判是实验事实。正当双方观点争执不下时,1926年瑞典化学家斯给德贝格等人设计出一种超离心机,用它测量出蛋白质的相对分子质量,证明高分子的相对分子质量的确是从几万到几百万。这一事实成为大分子理论的直接证据。
事实上,参加这场论战的科学家都是严肃认真和热情友好的。他们为了追求科学真理,都全身心地投入了缜密的实验研究,都尊重实验事实。当许多实验逐渐证明施陶丁格的理论更符合事实时,支持施陶丁格的队伍也随之壮大,1926年的国际化学会上大分子概念已得到与会者的一致公认。
在大分子理论被接受的过程中,最使人感动的是原先大分子理论的两位主要反对者,晶胞学说的权威马克和迈耶在1928年公开地承认了自己的错误,同时高度评价了施陶丁格的出色工作和坚忍不拔的精神,并且还具体地帮助施陶丁格完善和发展了大分子理论。这就是真正的科学精神。
1932年,施陶丁格总结了自己的大分子理论,出版了划时代的著作《高分子有机化合物》,这成为高分子化学诞生的标志。认清了高分子的真面目,对合成高分子的研究就有了明确的方向,从此新的高分子被大量合成,高分子合成工业获得了迅速的发展。为了表彰施陶丁格在建立高分子化学上的伟大贡献,1953年他被授予诺贝尔化学奖。
施陶丁格1881年3月23日出生在德国的弗尔姆斯。他父亲是新康德派的哲学家,所以他从小就受到各种新的哲学思想的熏陶,对新事物比较敏锐,在科学推理、思维中,能够不受传统观念的束缚,善于从复杂的事物中,理出头绪,发现关键之处,提出新的观点。在中学时,他曾对植物学发生浓厚兴趣,所以中学毕业后,他考入哈勒大学学习植物。当有一位对科学发展颇有见识的朋友向他父母进言,最好先让施陶丁格打下深厚的化学基础后,再让他进入研究植物学的领域。这一中肯的建议被采纳了。施陶丁格改读化学。从此与化学结下了不解之缘。
1903年,他完成了关于不饱和化合物丙二酸酯的毕业论文。到施特拉斯堡,拜著名的有机化学家梯尔为师继续深造。1907年,以他在实验中发现的烯酮为题完成了博士论文,获得了博士学位。同年,他被聘为卡尔斯鲁厄工业大学的副教授。五年后他被楚利希联邦工业大学聘为化学教授。在那里他执教了14年,这期间的教学和研究使他熟悉了化学,特别是有机化学的各个领域和一些新的理论,为他顺利开展科学研究奠定了扎实的基础。这期间,他投入了上述关于高分子组成、结构的学术论战。1926年,他为了赢得更充裕的时间,进行更多的实验来论证他的大分子理论,他应聘来到布莱斯高的符来堡专心从事科学研究。在符来堡他度过了他的后半生,许多重要的科研成果都是在这里完成的。
施陶丁格在高分子科学研究中取得成功之后,他开始按照早年的设想,将研究的重点逐步转入植物学领域。事实上,他选择高分子课题时,就曾考虑到与植物学的密切关系。在1926年,他就预言大分子化合物在有生命的有机体中,特别是蛋白质之类化合物中起着重要的作用。
他顺理成章地将大分子的概念引入到生物化学,与他的妻子、植物生理学家玛格达·福特合作研究大分子与植物生理,又踏上新的研究征途。
要证明大分子同样存在于动植物等有生命的生物体内,他们认为最好找到除了粘度法之外的其他方法,证明大分子的存在和存在形式。经过两年多的努力,他们利用电子显微镜等现代实验观测手段,终于用事实证明了生物体存在着大分子。可惜的是这一项有重要意义的工作,因希特勒法西斯的上台和第二次世界大战的爆发而被迫中断,施陶丁格所在的研究所毁于战火。
第二次世界大战一结束,施陶丁格立即总结了他前一段关于生物有机物中大分子的研究。1947年出版了著作《大分子化学及生物学》。在这一著作中,他尝试性地描绘了分子生物学的概貌,为分子生物学这一前沿学科的建立和发展奠定了基础。为了配合高分子的发展,1947年起他主持编辑了《高分子化学》这一专业杂志。他晚年的兴趣主要在对分子生物学的研究。
1965年9月8日,施陶丁格安然去世,享年84岁。
填补制碱工业空白的侯德榜
侯德榜,著名化工专家,我国化学工业的开拓者,闻名世界的制碱专家。他创造的“侯氏制碱法”,填补了中国制碱工业的空白。他在化工界的杰出贡献赢得了世界的荣誉,曾被选为英国化学化工学会荣誉会员,以后还被授予美国化学化工学会荣誉会员。新中国成立后,先后担任中央财经委员会委员、化工部副部长、重工业部化工技术最高顾问、中国科学技术协会副主任,为新中国化学工业作出了不可磨灭的贡献。主要著作有《天然碱》、《四酸五碱》、《纯碱制法》、《制纯碱工业手册》等。
1890年8月9日,侯德榜出生在福建闽侯县的一个农民世家,字致本。幼年念私塾。16岁在姑妈的资助下,到福州英华书院就读,因成绩优秀被保送到上海闽皖铁路学堂学习。1913年,以10门功课全部满分的优异成绩保送到美国麻省工学院学习化学工程学,1921年获博士学位。
侯德榜在美国艰苦奋斗八年,学业有成,报国之志更坚定。1922年,应范旭东先生邀请,他毅然放弃了在美国的优厚待遇,回国到永利制碱公司工作。
侯德榜留美学习的是制革专业,而且在制革方面已经崭露头角,那篇博士论文备受导师赏识。现在他要放弃制革,另起炉灶,专攻制碱,开始他还有所犹豫。当他知道资本主义国家对我国碱业进行垄断,牟取暴利,人民无碱,只能啃酸馍为食的现实后,他定下决心,立志为中国人争一口气,制出中国的纯碱来,于是,就义无反顾地接受了永利制碱公司的邀请,踏上了回国归途。
1921年旧历年刚过,侯德榜就从老家福建匆匆赶到塘沽。侯德榜在永利公司的工地上与范旭东见面。范旭东对侯德榜早已望眼欲穿。现在碱场基建已经全面铺开,范旭东立即委派侯德榜负责建筑、安装、技术等工作。在风雨飘泊的旧中国要建立一个制碱工厂谈何容易。白手起家,很多工作都要侯德榜亲自出马。各种机器设备陆续到位,安装正在紧张缓慢有序地进行之中。蒸馏塔的安装十分费劲。蒸馏塔是用几个特大铸铁塔圈垒起来的,有30多米高,由上千个粗大螺栓加固连接而成。那时我国缺乏起重设备,安装全靠简单的机械和人工,安装工人又缺乏经验。侯德榜在现场指挥工人,齐心协力操作,把2吨重的蒸馏塔从地上慢慢抬起来,落实到位,一切安装就绪,他们又进入制碱的试车阶段。
永利制碱公司采用的是苏尔维制碱法。整个工艺流程所用的机械设备,节节相连,形成一个完整系统。全过程分为化盐、吸氨、碳化、煅烧、蒸氨等主要部分,各部分都在正常运行的情况下才能生产。如果有一个环节发生故障,整个生产就要受到影响。公司的技术人员没有制碱经验,对苏尔维制碱法也不清楚,要注意哪些问题,心中无数,因此故障频频发生。首先是蒸氨塔。试车开始,30多米高的蒸氨塔摆动起来,摆动幅度越来越大,情况紧急,侯德榜急令停车。经检查,原来蒸氨塔开车时,用了浓度较大的硫酸铵溶液,硫酸铵溶液和石灰溶液一接触,就出现硫酸钙沉淀,很快将溢流管堵死,发生故障。其次是进料的速度未控制好。他们调整了硫酸铵溶液的浓度并放慢进料的速度,再试车,这个环节的问题解决了。一个问题解决了,又一个新的问题出现了。这时煅烧炉结疤了,把送碱的绞刀咬住了。侯德榜很快就找到了事故原因,是重碱浓度太大的缘故。侯德榜命令把重碱浓度从20%降到10%以下,煅烧炉内结疤的问题得以顺利解决了。他们在试车过程中排除了无数次的突发性故障,经历了上百次的现场调查,积累了丰富的经验,为永利制碱公司制碱的成功奠定了基础。
永利制碱公司于1924年8月初正式开工生产,人们盼望着早日见到中国碱。碱终于生产出来了,但是白中带红,质量与洋碱无法相比。人们的惋惜之情溢于言表。作为总工程师的侯德榜,看在眼里,急在心里。经过冷静的分析,这位化工奇才,很快找到了问题的症结所在。
原来产品变红是铁锈所致。当使用焦炉粗氨水为原料时,其中含有硫化铵,硫化铵中的硫离子在整个制碱系统中运行时与塔器和管道的铁壁接触,可在铁器上长出一层坚固的硫化亚铁膜。这层薄膜可使铁壁与介质隔离,铁被保护起来,碱就纯白了。现在改用盐水,缺少硫离子,只要在氨盐水中加入适量的硫化铵之类的盐,碱中的杂色就可以消除。经过实验,碱的颜色果然变白了。在生产的关键时刻,厂里的四台船式煅烧炉相继被烧坏了,生产被迫停工。经过技师们连夜检查终于发现,这四台炉子全是从美国买回来的伪劣产品。范旭东为了彻底解决煅烧炉的质量问题,特派侯德榜去美国考察。侯德榜在美国调研发现欧美各国制碱厂,全部都用回转型外热式煅烧炉,那种船式半圆型煅烧炉早已被淘汰了。侯德榜在美国重新设计,改用先进的回转型外热式煅烧炉。范旭东带领工程技术人员,认真总结经验教训,改革了许多工艺流程和操作技术,永利制碱公司的技术人员和工人们以极高的劳动热情,渴望着再次开车生产。
永利制碱公司于1929年6月29日第二次开车生产。这一天全厂职工沉浸在紧张而喜悦的气氛之中。一切准备就绪,开工、生产、出料。顿时,白似雪、细如面的碱吐珠泻玉般倾泻入袋。工人们情不自禁地捧起一把把白花花的碱,脱口赞颂到:好纯的碱啊!多纯的碱啊!纯碱由此而得名。范旭东、侯德榜那种民族自豪感油然而生,心潮起伏,感慨万千……他们为此付出了多少辛酸,尝尽了多少人间的酸甜苦辣,整整干了八年才降服了这条流水作业的长龙。
侯德榜数年如一日,废寝忘食,呕心沥血,奋力拼搏,充分显示了他的奉献精神。用苏尔维法制碱在世界上永利是第三十一家,在亚洲永利是第一家。生产很快稳定下来,产品的质量不断提高,日产量超过80吨,从此一举打破了英商的垄断,杀出了一条血路。
20世纪20年代末,美国为纪念建国150周年,在费城举行万国博览会。在中国产品的展览位上,一袋雪白的永利纯碱摆放在中央。袋的正面中央印的商标嵌在双环之中,立着的三角上方印有刚劲有力的“中国永利”四个大字,下方是“纯碱”两个大字,显然是国际甲级商品。中国永利制碱公司的“红三角”牌纯碱,荣获大会金质奖章。
侯德榜痛恨帝国主义的技术垄断,决定将多年心血研究写成的《纯碱制造》一书公布于世。
1933年该书在美国出版,打破了保密70年之久的苏尔维法制碱技术的垄断地位。侯德榜的壮举得到中外学者的一致称赞。
抗战全面爆发,日寇看到了永利制碱公司的潜在价值,企图收买范旭东、侯德榜。他们斩钉截铁地说:“宁可给工厂开追悼会,也决不与侵略者合作。”永利制碱公司为了抗日救亡,保护中国民族工业免受灾难,决定迁到华西犍为县岷江东岸。为解决华西制碱原料的来源,侯德榜煞费苦心。盐在塘沽堆积如山,贱如沙土,而在华西盐价却相当昂贵。用苏尔维法制碱对侯德榜来说已是驾轻就熟了,没有问题。但是在华西盐价是塘沽盐价的几十倍,苏尔维法的利用率只有70%左右。如果再用老办法,每天不仅浪费许多食盐,也浪费了很多资金,对不起劳苦盐工。侯德榜与范旭东反复商量后,决定放弃老办法,另辟蹊径,寻找新的制碱办法。
19世纪后期,欧洲已经开始对苏尔维法进行改造。德国在这方面已经取得了一定的成效。
1924年,德国已经研究出察安法制碱。这种新法以碳酸氢铵和食盐为原料,可得纯碱和氯化铵两种产品,食盐的利用率达90%。此法虽然工艺不理想,但它的食盐利用率较高,对华西来说无疑是雪中送炭。侯德榜想搞清察安法,再设法改造完善之。为此他再次赴美考察,不久搞到了察安法专利说明书。针对专利说明,侯德榜决定对新法制碱进行全面试验。经过艰苦的探索,完成了察安法的基础试验,通过层层筛选,全部摸清了察安法的工艺条件。同时他还探索到不用固体碳酸氢铵作原料也可以生产的方法,使试验有了新的突破,取得了理想的效果。1941年3月15日,永利碱厂举行了表彰大会,把新的制碱法命名为“侯氏制碱法”。侯德榜这位勇攀科学高峰的勇士,并没有满足已取得的成绩。他认为新法制碱虽然比察安法有了很大的突破,但还不理想,他要寻找一种更好的制碱法,把制碱工业和合成氨工业结合起来,使制碱技术更加完善。侯德榜反复分析、探索和研究,经过500多次试验,分析了2000多个样品后,探索出一种与察安法完全不同的氨碱联合流程制碱新方法。它的特点是不用碳酸氢铵为原料,而是在盐母液中加氨,送进碳化塔,让碳酸氢钠结晶析出,过滤后将母液降温,加盐析出氯化铵。母液再吸收氨,进入碳化塔,不断循环使用,得到纯碱和氯化铵两种产品,食盐利用率达到96%,使原来无用的氯化钙转化为化肥氯化铵。1943年,中国化学工程学会一致同意将这一新工艺命名为“侯氏联合制碱法”。侯氏联合制碱法把制碱工业与合成氨工业有机结合起来,将制碱技术提高到了一个新的水平。
侯氏联合制碱法为世界制碱技术谱写了新的篇章,在世界反响很大。1943年10月22日,英国化工学会授予侯德榜名誉会员称号。这是英国化工学会自1881年成立以来,获得名誉称号的第十二位有重大贡献的化学家,也是惟一的中国化学家。这是中华民族的荣誉,是中国化工史上最光辉的一页。同年,美国化工学会吸收侯德榜为该会会员。永利制碱公司在化工界有许多成就,中国化工界跻身世界,侯德榜功不可没。
新中国即将成立的1949年初,侯德榜还在印度指导工作,当友人转来周恩来给他的信后,他排除了种种阻挠,于1949年7月回到了气象更新的祖国,作为科学家的代表参加了全国政治协商会议。从此他把全部精力投入到恢复、发展新中国化学工业的崭新的工作中。为了祖国的化工事业的崛起,他走遍了大江南北、长城内外。为适应我国农业生产的需要,根据国情,侯德榜不顾古稀之年,还和技术人员一道共同设计了碳化法制造碳酸氢铵的新工艺,为我国的化肥工业的发展作出了巨大贡献。
侯德榜先生既是一名资深科学院部委员,又是一位杰出的园丁,他为我国化学工业的发展培养了一批又一批的技术骨干。他们以侯德榜先生为榜样,为发展我国的化工事业鞠躬尽瘁。
1974年8月26日,侯德榜在北京病逝。
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