把化学确立为科学的波义耳

　　文章编号：1005－6629(2010)11－0054－04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B 　　 　　“元素”概念如同“原子”概念一样古老而又现实；对于化学来说，元素概念和原子概念同等重要，它们都是化学的基本概念。如果说，原子概念的产生及其演变是表征人们对宇宙万物结构的寻秘；那么，元素概念的产生及其演变则是反映了人们对宇宙万物组成的探索。在这个探索历程中，英国物理学家、化学家波义耳作出了重大的贡献。 　　罗伯特・波义耳(Robert Boyle, 1627-1691)生活在英国资产阶级革命时代，也是近代科学开始发展的年代。他是第一个明确阐述化学元素本性的科学家，他又是一位杰出的实验物理学家和实验化学家。他在前人的基础上研究气体的体积和压力的关系，总结出了物理学的基本定律之一――波义耳定律。波义耳一生做过很多的化学实验，是第一个发明指示剂的化学家，并首先为酸、碱下了明确的定义。他还是定性分析化学的先驱，创造了多种定性检验盐类的方法。由此可见，波义耳是十七世纪极具成就的化学家和近代化学的奠基人之一。 　　1对化学元素本性的明确阐述 　　化学最早是以炼金术的原始形式出现，到了16-17世纪化学开始摆脱了炼金术的束缚，医药化学和冶金化学随之兴起。瑞士医生帕拉塞斯是医药化学的代表人物，他用化学方法制成药剂(主要是无机化合物)来治病。医药化学派的主要观点是：化学研究的目的不是炼金术中的点石成金，而应当是制药。冶金化学的代表人物是德国冶金学家阿格里柯拉，他不像炼金术士那样只追求一种金属――黄金，而是广泛地研究各种矿物的特征以及选矿、矿物分析和冶炼的方法。冶金化学派强调化学的目的是提炼有实用价值的金属。 　　由此可见，波义耳当时所处的时代是化学处于从属于医学和冶金学的地位，还没有成为一门独立的科学。波义耳理性地思考了他所面对的化学现状，并结合亲身的实践，认识到化学应该有其自身的研究目的，而不是医学和冶金学的从属物，化学应该寻求自身的解放。在1661年出版的《怀疑派化学家》一书中，波义耳明确指出：“化学家们至今仍然遵循着过分狭窄的原则，这些原则不要求化学家具有广阔的视野，而只把制药和提取金属作为自己的任务。我则完全从另外一种观点来看待化学；我既不是一位医生，也不是冶金家，而是从哲学家的观点来研究化学。” 　　在波义耳看来，化学应当把世界万物的本原――元素，作为自身的研究对象。诚然，“元素”观念的提出可以追溯到遥远的古代。但是，对化学概念的元素作出比较科学的阐述应当从波义耳算起。为什么这样说呢？同样，可以在《怀疑派化学家》一书中找到答案。波义耳明确指出：“我所指的元素，就是那些化学家讲得非常明白的要素，两者意思相同，也就是指某种原始的、简单的，一点也没有掺杂的物体。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的成分，也是完全混合物最终分解成的要素。”在这里，元素就是要素，而“完全混合物”，波义耳是指与机械混合物不同的化合物。由此可见，波义耳把元素看作是物质分解的限度，同时又是组成物质的基本成分。从此，人们区别单质(元素)、化合物及混合物有了一个比较科学的标准，化学的研究和发展开始复归到了它真正的出发点。 　　波义耳这种对化学元素本性的明确阐述，就其思想实质而言，是对古代元素观念的继承和发展。古代元素观认为，元素是构成万物的基础、始原、原初物质，并把可感觉的实物或性质(例如水、火、土、气或冷、热、干、湿等)看作这种本原；万物由其产生，万物又复归为它。波义耳把元素看作组成化合物的基本成分、简单物体；化合物由它组成，化合物又分解为它。在这点上，波义耳的元素概念和古代元素观的思想是相通的。同时，波义耳的元素概念又不同于古代元素观，在思想内涵上有发展、有创新。这种发展与创新主要表现在关于元素的质和量两个方面。 　　在质的方面：波义耳所指的“元素”，不是性质或性质的载体，而是简单物质或简单物体，这种物质(作为元素的物质)是分解的限度。在这里，波义耳把不可分解性和简单性视为元素的属性；而且，他还将元素与化合物相对立、相联系。而古代元素观只是指出元素是万物的本原，它或是某种具体的实物或是某种原始的性质，仅此而已。 　　在量的方面：古代元素观认为，元素或是一种或多种(例如四元素说、三要素说等)，都是那些人们已知的东西。摆在人们面前的任务不是去发现元素，而主要是用元素观念解释遇到的现象。而波义耳的元素概念则蕴含着这样的思想――凡不能分解、组成其他物体而不由其他物体组成的就是元素。因此，没有预设或规定自然界究竟存在有多少种元素，而应当去发现元素、去探求哪些物质是简单的、构成其他物质的基本成分，哪些物质是元素。从这点上说，波义耳对元素本性的阐述具有方法论上的指导意义。 　　总之，波义耳作为第一个明确阐述化学元素本性的科学家，既反对把化学归结为炼金术，也不同意把化学附属于医药学和冶金。他认为化学应把元素及其化合物作为化学研究的对象，化学应当为自身的目的去进行研究，即研究物质的组成及其化学变化。可以认为，波义耳的这种对化学元素本性的理性思考和科学阐述，是对化学自身发展的一种思想上的解放。从此，化学开始从炼金术的桎梏和医药学的附庸下独立出来，逐步发展成为一门科学。 　　2把严密的实验方法引入化学研究 　　罗伯特・波义耳出身于爱尔兰的贵族世家，在国内外受过良好教育。在中学时期，他除了阅读传统的图书和学习实用数学外，还对选择自然科学方面的新课程(例如天文学和物理学)表现出了浓厚的兴趣。后来因战乱，波义耳的家道开始中落，他转而学习医学和农业。在学习医学的过程中，他接触了化学知识和化学实验，制备了多种药品。这些实践活动使波义耳很快成为一名训练有素的实验化学家。1641-1643年间，他还去法国、意大利、瑞士等国游学考察，期间他阅读了大量英文、法文、拉丁文方面的化学著作和其他科学论著。1646-1647年间，波义耳在伦敦加入了名为无形学院的俱乐部。这是个创始于1644-1645年间的自然科学爱好者的民间组织。每周集会一次，座谈新兴的自然科学问题。无形学院的会员大多数是众多领域的业余科学家。活动期间，会员们集思广益、相互启迪，经常碰撞出智慧的火花。无形学院后来在1662年被官方正式命名为“英国皇家学会”。1680年波义耳被选为皇家学会主席，但他谢绝就职。 　　以上这些丰富的阅历和文化薰陶，培育了波义耳，使他成为富有创造能力的科学思想家。他通过周密思考和实验活动，相信化学应该是一门重要的理性科学，而不仅仅是一种实用的工艺(当时指制药和冶金)，更不是那种空想的玄学(系指炼金术)。波义耳一生都在为实践自己的这些观点而努力奋斗。他虽然是一位贵族，但是从不重视这种世袭的荣誉。他对贵族们的社交活动不感兴趣，却爱好在宁静的环境中专心科学研究，在他的家庭实验室里从事科学观察和实验活动。波义耳认为，只有观察和实验才是形成科学思想的基础。科学上不存在凭空产生的假说，只有通过观察物质的性质和行为才能产生合理的结论。他还说过：“不应该把理性放在高于一切的位置，知识应该从实验中来；实验是最好的老师，空谈和舌辩都无济于事。”波义耳主张研究化学，首先要引入严密的和科学的实验方法。 　　波义耳一生做过的实验众多，并在论文中对实验方法及其结果的描述极其详尽，这在同时代的科学家中是绝无尽有的。正是在这种严密而又科学的实验基础之上，波义耳卓有成效地在多个领域开拓前进：对于气体及其性质的研究；关于产生火、热、光等现象的本质的探讨；对酸、碱和指示剂的研究；对磷光现象及多种分析方法的研究。他还通过细心的观察总结出了波义耳定律。此外，他还对冶金、 医学、 化学药品、染料及玻璃的制造及应用作出过贡献。

　　以下，我们择其在两个重要领域的贡献，介绍如下： 　　2.1指示剂的发明 　　波义耳对于化学反应中的颜色变化善于观察、颇感兴趣。他是第一位把各种天然植物的汁液用作指示剂的化学家。他在《颜色的实验和观察》、《矿泉的博物学考察》等书中，描述了产生颜色变化的方法以及怎样利用植物的汁液做指示剂以显示这类颜色的变化过程。例如，“用上好的紫罗兰的浆汁(即由这种花浸渍出来的染料液)，滴在一张白纸上，再在上面滴2-3滴酒精。当醋或其他的酸液滴在这种浸有植物浆汁和酒精的混合物的纸上时，就会发现植物的浆汁立即从蓝色转变成红色。运用这种方法的优点在于：在做实验时只需使用少量的植物浆汁，就能使颜色的变化十分明显。”波义耳使用过的植物的种类很多，例如有紫罗兰、玉米花、玫瑰花、苏木(即巴西木)、樱花、洋红和石蕊等。在这些指示剂中，有的被配成溶液，有的被做成试纸的形式。令人叹为观止的是，波义耳的这些发明的生命力如此长久，以致我们现在还在经常使用这种古老的方法，例如石蕊试纸。 　　波义耳还发现指示剂的颜色变化可以有效地用来检验酸和碱。几乎所有的酸都能使某些蓝色的果汁变成紫红色，没有这种显色功能的物质就不是酸；同样，所有的碱都能将果汁的红色转变成蓝色。进一步利用这些性质，还能测定酸和碱的相对强度。酸、碱除了能使指示剂变色外，波义耳还指出：酸具有特有的酸味，并是一种强有力的溶剂；碱则具有滑腻的感觉和除垢的性质，且能溶解油类和硫黄，还具有与酸对抗和破坏酸的能力。可以说，波义耳首次对酸、碱的性质作出了明确的表述，并以此对酸、碱下了明确的定义。 　　此外，波义耳还发现，可以用火焰、气体、沉淀的颜色来检验某些物质，尤其是盐类。例如，铜盐使火焰带绿色，硝酸或盐酸和氨产生白烟，钙盐和硫酸生成白色沉淀以及银盐可被氯化物沉淀出来等等。总之，这一系列的发现与发明，使波义耳成为定性分析化学的先驱。 　　2.2波义耳定律的发现 　　波义耳研究得最详细的对象是空气(或气体)，无论是对空气的物理性质，还是对空气的化学性质，他都有开创性的见解。其中以发现气体的弹性(即可压缩性)最为有名。波义耳的发现始于“空气有压力”这一实验事实。据历史记载，1643年意大利数学家托里斥利(E.Torricelli)做了一个著名的玻璃管内水银汞柱的实验，发现玻璃管中水银面上的“托里斥利真空”，进而提出“空气具有压力”的论断。1654年，德国马德堡市长葛利克制成了空气压缩机，可以将容器抽成真空，人们获得了研究气体的有力工具。 　　1662年，波义耳基于托里斥利实验，借助空气压缩机开始对空气压缩性，即对“空气的压力与体积的关系”进行定量的实验研究。结果发现了以他的名字命名的定律：“气体的体积与压力成反比”。波义耳在压强大于大气压和压强小于大气压两种情形下都用实验证明了这个定律。在前一情形中用的是有名的、盛有水银的U形管，后一情形中用的是一个直形的盛有水银的玻璃管，它可以立于水银槽上，上端界定一些空气。1679年法国物理学家马略特也发表论文，独立表述了这一定量关系。后人就把这一定律称为“波义耳-马略特定律。” 　　波义耳还研究过空气的其他性质，而引起化学工作者兴趣的则是他对燃烧和空气性质关系的早期研究。波义耳曾做过一系列的燃烧实验，对物质在空气中的燃烧现象进行关注和探求。例如，他在《关于火焰与空气的关系的新实验》一文中叙述了以下实验情况：在一个抽掉空气的容器中，将硫黄洒在一块红热铁板上，硫黄只会冒烟而不能着火，但在有空气的容器中硫黄能燃烧产生蓝色火焰。他还从蜡烛以及氢气的燃烧现象观察中同样发现：燃烧不能没有空气。 　　又如，他在《用太阳光燃烧在真空中的火药的尝试》一文中描述了一种奇妙景象：火药和硫不同，在抽掉空气的容器中火药是能够燃烧的。而且火药还能在水面下(隔绝空气)燃烧，起初，波义耳怀疑在制造火药的硝石中混进了空气，后来他将硝石放在真空中进行重结晶，但用这种方法处理过的硝石制成的火药品，仍然能在真空中和水面下燃烧。由此，波义耳认为火药品中含有与空气性质相仿的“活化蒸气”(后被英国化学家普里斯特列发现并被称为氧气)。同时，他得出结论：同硝石混和的物质，甚至在没有空气的地方也能燃烧。 　　此外，波义耳还在《使火焰稳定并可称重量的新实验》一文中，仔细描述了在空气中焙烧金属锡的过程。实验是在曲颈甑中进行，各个操作环节均用天平称重。结果发现金属(锡)焙烧后的重量增加。――这一金属焙烧增重现象的发现孕育着：金属在空气中燃烧并和空气中某一部分结合，最终导致氧气发现的契机。遗憾的是波义耳忽略了由他的实验方法导致的部分空气的吸收，并作出了错误的判断：认为金属焙烧增重是由于燃烧时产生的“火粒子”(或火素)穿过玻璃后被金属吸收所致。 　　最后，对波义耳的实验方法内容作以下补充，我们认为是必要的。那就是，作为杰出的实验物理学家和实验化学家，波义耳的一生不仅设计了多种富有创新思想的实验方案，并付之实施。而且还改进了许多当时先进而又常用的仪器。例如，他运用空气压缩机改进了减压蒸馏以及进行这个过程的装置，可用于许多减压作用的实验。这对促进化学工作者对有机化合物性质和制备的研究是十分重要的。 　　综上所述，波义耳在理论与实验的结合上，使得化学走上了研究物质自身的正确道路。正是在这个意义上可以说，波义耳把化学开始确立为科学。 　　 　　参考文献： 　　[1][英]J.R.柏廷顿.《化学简史》，北京：商务印书馆.1979.5. 　　[2]张嘉同.《化学基本概念的演变》.太原：山西教育出版社，1998.1.1 　　[3]袁翰青，应礼文.《化学重要史实》.北京：人民教育出版社，1989.6.1.