《人類科學(xué)技術(shù)史-249》波義耳的化學(xué)成就

波義耳的化學(xué)成就
1.近代化學(xué)的發(fā)生

近代化學(xué)遲至17世紀(jì)中期才產(chǎn)生，它的產(chǎn)生與煉金術(shù)有很大關(guān)系。當(dāng)中國煉金術(shù)通過阿拉伯傳入歐洲后，第一個(gè)真正相信煉金術(shù)，并且認(rèn)真地研究過煉金術(shù)的人，是13世紀(jì)的實(shí)驗(yàn)科學(xué)的開拓者、英國哲學(xué)家羅吉爾.培根(1214-1294年），他曾進(jìn)行過煉金術(shù)的實(shí)驗(yàn)，并開始試制火藥。1317年，羅馬教皇約翰二世頒布禁令，嚴(yán)禁煉金術(shù)，但煉金術(shù)仍在發(fā)展之中，為尋找黃金和"哲人之石"——當(dāng)時(shí)歐洲人對(duì)"丹"的另一種稱呼，眾多的煉金術(shù)陷入了盲目的化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，但卻導(dǎo)致了某些元素、金屬鹽類、無機(jī)酸、酒精等許多新的化學(xué)發(fā)現(xiàn)。

15世紀(jì)末和16世紀(jì)初，煉金術(shù)與煉丹術(shù)在歐洲進(jìn)入了全盛時(shí)期，而以行醫(yī)和制藥為職業(yè)的煉金術(shù)士瑞士的巴拉塞爾蘇斯(1493-1541年）則是這一時(shí)期內(nèi)煉金術(shù)的主要代表人物。他曾用水銀制劑治好過一些病，并在煉丹術(shù)的實(shí)驗(yàn)中煉制過一些金屬藥劑，在一系列的實(shí)驗(yàn)中，他對(duì)蒸餾、溶解、升華、還原、凝結(jié)等操作過程進(jìn)行了研究。他相信古希臘自然哲學(xué)中四元素理論，認(rèn)為四元素在人體內(nèi)變成了鹽、琉、汞三要素，這三要素就構(gòu)成了人體的三基，而這三基又分別支撐著人的身體、靈魂和精神。他的煉丹術(shù)與煉金術(shù)奠定了最初的醫(yī)藥化學(xué)基礎(chǔ)。

比利時(shí)的煉金術(shù)士赫爾蒙特(1579-1644年）則是從煉金術(shù)向近代化學(xué)過渡時(shí)期的代表人物。1609年他偕同新婚的妻子隱居于維爾伏爾德長達(dá)7年，從事他自己所說的"火術(shù)"(實(shí)為煉金術(shù)）的研究。在實(shí)驗(yàn)中，赫爾蒙特最先發(fā)現(xiàn)，空氣并不是一種純凈物質(zhì)，不是一種元素，而是一種含有不同類別氣體的混合物，他曾發(fā)現(xiàn)了二氧化碳、一氧化碳、二氧化氮。因此，他曾不止一次地把自己稱為"氣體發(fā)明家"。此外，赫爾蒙特還在實(shí)驗(yàn)中試制并使用了硫酸、硝酸等無機(jī)酸，辨認(rèn)出人體的胃液中所含有的酸以及膽汁中所含有的堿。他還初步發(fā)現(xiàn)了真空的存在。

然而，赫爾蒙特對(duì)近代化學(xué)的貢獻(xiàn)，主要是他的化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法和化學(xué)元素理論。

在化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法上，他十分重視化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的定量分析，他在實(shí)驗(yàn)中廣泛地使用天平，這就促進(jìn)了定量分析方法在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用和發(fā)展。定量分析是煉金術(shù)向近代化學(xué)轉(zhuǎn)變的重要一步。

在化學(xué)元素理論上，赫爾蒙特以他的實(shí)驗(yàn)事實(shí)為基礎(chǔ)，否定了古希臘自然哲學(xué)中的元素學(xué)說，他認(rèn)為，元素之所以稱為元素，是因?yàn)樗鼈儾荒苻D(zhuǎn)變成別的東西，而且也不能把它們還原為更簡單的狀態(tài)。根據(jù)元素這一定義，他認(rèn)為土與火并不是元素，而只有水和空氣才是真正的元素。這個(gè)元素的定義為后來波義耳確定元素的科學(xué)定義奠定了直接的理論基礎(chǔ)，波義耳認(rèn)為赫爾蒙特"在實(shí)驗(yàn)方面比許多學(xué)者所樂意認(rèn)為的更加偉大"。赫爾蒙特死于1644年，他的主要著作《醫(yī)學(xué)入門》于1648年出版，正是在這一著作的影響下，英國青年波義耳踏上了把煉金術(shù)徹底轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)的科學(xué)道路。

2.波義耳的實(shí)驗(yàn)化學(xué)成就

波義耳(1627-1691年）生于愛爾蘭的利菲莫爾堡的一個(gè)貴族家庭。為了學(xué)習(xí)大陸科學(xué)，少年時(shí)，曾到意大利、瑞士等國留學(xué)，在留學(xué)期間，他學(xué)習(xí)了當(dāng)時(shí)尚處于煉金術(shù)襁褓中的早期化學(xué)。1644年，他父親、?；庶h派的理查德伯爵被擊斃，他只得趕回愛爾蘭多爾塞特郡老家，去看守祖?zhèn)髑f園并開始過隱居生活。在隱居期間，他進(jìn)行了哲學(xué)和早期化學(xué)的研究。

1646年，波義耳應(yīng)邀加入了由威爾金斯組織的群眾性科學(xué)社團(tuán)——"哲學(xué)學(xué)會(huì)"(亦稱無形學(xué)院）。1648年，威爾金斯被克倫威爾政府任命主持對(duì)牛津大學(xué)的改革，威爾金斯邀請(qǐng)波義耳到牛津去工作。本來，早在1645年，波義耳就曾在他家的位于牛津的祖?zhèn)黝I(lǐng)地斯泰爾橋籌建過物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，此時(shí)，波義耳也極想返回自己在牛津的實(shí)驗(yàn)室。1654年，波義耳應(yīng)邀重返牛津。自此以后，波義耳的實(shí)驗(yàn)化學(xué)研究進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)期。

在牛津期間，波義耳重建了斯泰爾橋的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，聘請(qǐng)了包括青年胡克在內(nèi)的一批助手，開始進(jìn)行多種課題的實(shí)驗(yàn)化學(xué)研究，如與胡克一起進(jìn)行的大氣壓力實(shí)驗(yàn)、多種燃燒實(shí)驗(yàn)，差不多都是在牛津進(jìn)行的。波義耳在牛津留居長達(dá)十四年之久，斯圖亞特王朝復(fù)辟后，波義耳移居倫敦。在倫敦，他創(chuàng)建了英國第一所專門的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，以進(jìn)行新的化學(xué)實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)上，波義耳所作過的許多實(shí)驗(yàn)都曾在近代化學(xué)史上產(chǎn)生過深遠(yuǎn)影響。在牛津期間，波義耳曾與胡克一起用格里凱發(fā)明的抽氣機(jī)進(jìn)行過減壓蒸餾實(shí)驗(yàn)，以后又進(jìn)行過大氣壓力實(shí)驗(yàn)，正是這些實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致波義耳在1662年發(fā)現(xiàn)了以他和另一個(gè)法國物理學(xué)家兩人命名的氣體定律，即氣體的體積與壓力成反比的波義耳——馬略特定律。

波義耳進(jìn)行過不少燃燒實(shí)驗(yàn)，特別是各種燃燒的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。他進(jìn)行了真空條件下燃燒與充足空氣條件下燃燒的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)了燃燒與空氣的密切關(guān)系，1673年，他根據(jù)這些燃燒對(duì)比事實(shí)，寫成了論文《關(guān)于火焰與空氣關(guān)系的新實(shí)驗(yàn)》，最先揭示了空氣是燃燒的基本條件這一事實(shí)。

波義耳也進(jìn)行過不少金屬焙燒實(shí)驗(yàn)，他在1673年發(fā)表的《使火與焰穩(wěn)定并可稱重要的新實(shí)驗(yàn)》一文中，曾描述過這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：把一塊8盎司重的錫放在一個(gè)敞開的燒瓶中加熱，結(jié)果發(fā)現(xiàn)錫的重量增加了18格林。他在這一實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上提出的"火粒說"成為后來"燃素說"的理論先導(dǎo)。

此外，波義耳還進(jìn)行過其他許多重要的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，如酸與堿對(duì)類似于指示劑的植物染劑的顏色實(shí)驗(yàn)；動(dòng)物在真空與非真空兩種不同條件下的呼吸與生存實(shí)驗(yàn)。他還是磷的發(fā)現(xiàn)者之一，為研究磷的制取方法和化學(xué)性質(zhì)也進(jìn)行過不少實(shí)驗(yàn)。

波義耳是近代化學(xué)史上第一個(gè)杰出的實(shí)驗(yàn)化學(xué)家，為近代化學(xué)的奠基人，他的成就與他所受培根的實(shí)驗(yàn)歸納法影響密不可分。因此，就科學(xué)方法而言，他是培根實(shí)驗(yàn)歸納法的實(shí)踐者，是吉爾伯特與哈維的實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)的直接繼承人。

3.波義耳的理論化學(xué)成就

在波義耳以前，人們事實(shí)上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了不少可以稱得上是元素的元素。遠(yuǎn)在古代，人們就發(fā)現(xiàn)了銅、錫、鋅、鉛、金、銀、汞等金屬元素，后來，人們又發(fā)現(xiàn)了砷、碳等非金屬元素，但是，對(duì)于到底什么是元素，人類卻一直處于迷茫之中。在古代中國，人們從自然哲學(xué)中的猜測出發(fā)，認(rèn)為土、木、水、火、金是五種基本元素，而古希臘哲學(xué)家恩培多克勒把水、土、氣、火稱為四種基本元素，并以此構(gòu)成煉金術(shù)士所說的"三基"。因此，從古代到中世紀(jì)，人們一直都說不清楚什么才是真正的元素。只是到了赫爾蒙特時(shí)，對(duì)元素觀的理論研究才稍有起點(diǎn)，但他的水和空氣是元素的具體結(jié)論卻是錯(cuò)誤的，而他的關(guān)于元素不能互相轉(zhuǎn)變和不能還原成簡單的東西的定義，卻是元素發(fā)展史上的一大進(jìn)步。

正是在積極吸取古希臘哲學(xué)原子論和赫爾蒙特的元素定義的基礎(chǔ)上，波義耳提出了一個(gè)關(guān)于元素的科學(xué)定義，他說："我說的元素的意思和那些講得最明白的化學(xué)家說他們的要素的意思相同，是指某種原始的、簡單的、一點(diǎn)也沒有摻雜的物體。元素不能用任何其他物體造成，也不能彼此相互造成。元素是直接合成所謂完全混合物的成份，也是完全混合物最終分解成的要素。"

波義耳的元素定義的提出，激起了人們對(duì)已知的"元素"進(jìn)行重新鑒別的熱情，人們發(fā)現(xiàn)，根據(jù)波義耳的元素定義，被煉金術(shù)士們稱作元素的琉和汞確實(shí)是元素；而被煉金術(shù)士們稱為元素的鹽、水、空氣根本不是元素；反之，煉金術(shù)士們認(rèn)為不是元素的銅、鐵、鋅、碳等倒是真正的元素。

波義耳的元素定義的提出，也激起了人們尋找新元素的熱情，正是在波義耳元素定義的指引下，終于導(dǎo)致以后一系列新的化學(xué)元素的發(fā)現(xiàn)。而化學(xué)也因之得到迅速發(fā)展。

波義耳的元素定義，除受赫爾蒙特的元素定義的影響外，也受到了古希臘哲學(xué)中的原子學(xué)術(shù)的影響。波義耳不僅在原子學(xué)說的基礎(chǔ)上提出了元素的定義，而且還試圖以原子學(xué)說來解釋化學(xué)反應(yīng)。他認(rèn)為，有些元素之間之所以能發(fā)生化合作用，是因?yàn)樵谠刂写嬖谥Ｗ訄F(tuán)，由于粒子團(tuán)中的"粒子并不是非常緊密的附著在一起，但這些粒子可以在另一種微粒中相遇，同其中的一些微粒結(jié)合，比這些粒子彼此之間的結(jié)合更為緊密"。波義耳的上述見解，已初具化學(xué)原子論的理論雛形。

4.近代化學(xué)的奠基

由于波義耳在實(shí)驗(yàn)化學(xué)與理論化學(xué)兩方面的重要貢獻(xiàn)，就為近代化學(xué)奠定了初步基礎(chǔ)。他一生著述甚豐，其主要化學(xué)著作是發(fā)表于1661年的對(duì)話集：《懷疑的化學(xué)家：或化學(xué)物理的懷疑與悖論，涉及煉金家普遍推崇并為之辯護(hù)的而又為化學(xué)家通常認(rèn)為實(shí)在的種種要素》，他的主要化學(xué)成就，大都反映在此書中。

由于"波義耳把化學(xué)確立為科學(xué)"(《自然辯證法》），由于他在化學(xué)史上確實(shí)開創(chuàng)了一個(gè)新的時(shí)期，即近代化學(xué)時(shí)期，因此他被視為近代化學(xué)的奠基者，柏廷頓這樣評(píng)述："把波義耳稱為近代化學(xué)奠基者有三個(gè)理由：①他認(rèn)識(shí)到化學(xué)值得為其自身目的去進(jìn)行研究，而不僅僅是從屬于醫(yī)學(xué)或作為煉金術(shù)去進(jìn)行研究——雖然他相信煉金術(shù)是可能成功的；②他把嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)方法引入了化學(xué)中；③他給元素下了清楚的定義，并且通過實(shí)踐證明亞里士多德的四元素和煉金家的三要素(水銀、硫磺和鹽）根本不配稱為元素或要素，因?yàn)槠渲袥]有一個(gè)可以從物體(例如金屬）中提取出來"。他為化學(xué)贏得了獨(dú)立的科學(xué)地位；把嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)方法引入化學(xué)；最終確立了元素定義。

正是由于這三大貢獻(xiàn)，波義耳使化學(xué)最終擺脫煉金術(shù)的襁褓，進(jìn)入了近代化學(xué)新的發(fā)展時(shí)期。