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本科生科研指南(54):气体定律之赫尔蒙特的气体发现 精选

已有 5075 次阅读 2020-7-24 08:00 |个人分类:本科科研|系统分类:教学心得| 本科生, 科研, 创新思维

 

本科生科研指南(54):气体定律之赫尔蒙特的气体发现


张宇宁

华北电力大学(北京)

 

气体定律是大学课程体系中一个较为重要的知识点,与物理、化学等公共基础课以及流体力学、热力学等专业核心课程均有着较为密切的联系。实际上,气体的认识过程本身便是一段很长的科学探索历程。早期,人们只知道空气“一种”气体,后来逐步发现了二氧化碳、氮气、氧气等等多种气体,并且更进一步地认识到空气实际上是一种混合物。气体的认识历程极大地促进了化学学科的发展,也进一步促进了相关的工业应用。

 

一、科学问题

 

几千年来,人们对于气体并不陌生,但对于气体的性质,包括物理和化学性质却一直知之甚少。人们对于气体和物质世界的好奇催生了很多哲学方面的思考,包括我国的五行相生相克、西方的“四元素说”等等。具体而言,在早期的人们的意识之中,只有空气“一种”气体。由此可见,在早期的关于气体的讨论中,实际上大多都是围绕空气进行的,并且多数上是哲学意义上的思考。

直到17世纪,赫尔蒙特等陆续地发现了各种各样的气体,人们才知道气体竟然有如此多的种类。与此同时,相应的科学问题才逐渐地被提出,包括:这些气体具有怎么样的特征和性质?

 

二、研究历程

 

公元前五世纪及之前,众多哲学家便对物质世界进行了深入的思考。在西方,古希腊哲学家恩培多克勒(Empedocles,公元前494-434)综合前人的思想提出了“四元素说,将世界分为土、水、火、气四种元素。值得注意的是,此处的气专指空气(英文:air),并非我们通常现在意义上的气体(英文:gas)。我国的哲学家提出了五行学说,即金、木、水、火、土,也是对物质世界的一种哲学划分。

真正让人们意识到除了空气以外气体存在的是赫尔蒙特(Jan Baptist van Helmont,1580-1644)。他做了非常多的实验,发现了我们今天所熟知的水蒸气、二氧化碳、氨气等等多种气体。英文气体一词,即gas,也是赫尔蒙特从古希腊文中引入到英文之中的。

 

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图一 赫尔蒙特(Jan Baptist van Helmont,1580-1644)

 

赫尔蒙特发现了很多种类的气体,并其通过实验有效地探讨了这些气体的部分性质。例如,他发现动物的排泄物经过发酵以后会产生一种气体(即甲烷),它可以燃烧。木头燃烧后也会产生一些废气(即二氧化碳),但这些气体并不会有助于燃烧,反而会让火焰熄灭。

赫尔蒙特的很多其他见解也大多来自于实验中的观察。下面简要讲述一下赫尔蒙特持续了五年之久的著名的“柳树实验。赫尔蒙特先用一个瓦盆装上200磅经过干燥的土,并把一颗5磅重的柳树载种到盆中,然后不断地浇水。经过了一段时间之后,柳树自然而然地长大了,从最初种下去的5磅长到了169磅多。经过称量,赫尔蒙特发现瓦盆中土的质量变化实际上很小,可以忽略不计。由于当时还没有光合作用的概念,赫尔蒙特猜测一定是他浇注的水促使柳树长大,并变成了柳树的各个组成部分。另外,赫尔蒙特进一步观察到很多物质(例如部分气体)在燃烧后都会产生水。

这些实验让赫尔蒙特很坚定地认为水是所有物质的基础。例如,在“柳树实验”中,水变成了柳树的树干等物质。在气体的燃烧过程中,物质又回归于水。因此,从本质上讲,赫尔蒙特仍然继承了“四元素说”的哲学体系。与持有“四元素说”的其他学者显著不同的是,赫尔蒙特非常重视实验观察并通过实验认识和了解世界,并非只是纯粹地进行哲学思考。这在当时是一种很大的进步。另外,赫尔蒙特认为只有空气和水是元素,并且水的重要性更高一些,而火和土在他看来并不能算作是元素。

 

三、科学家精神

 

在早期的化学研究及气体的制取方面,舍勒的贡献非常之大。从14岁起,舍勒便通过在药房跟随药剂师作学徒而接触了化学,对化学、药学等学科产生了浓厚的兴趣,并且勤奋地阅读和工作。舍勒的勤奋正如药剂师写给舍勒父亲的信中所说,“他把一半睡眠时间用于阅读那些对他来说还过于高深的著作,损害了他的健康”。1775年,舍勒在瑞典的雪平接任药房经理直至去世。

 

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图二 卡尔·威廉·舍勒(瑞典语:Carl Wilhelm Scheele,1742年-1786年)

 

早在18世纪60年代,舍勒便研究了金属和酸的反应所生成的气体(即氢气),发现这种气体非常易燃。1770年,舍勒发现当萤石(主要成分是氟化钙)和浓硫酸共热时,会产生一种溶于水呈酸性的气体(即氟化氢),并进一步发现此物质可以通过与玻璃进行反应实现玻璃的雕刻工艺。1772年,舍勒尝试了各种方法制取“火气”(即氧气),之所以命名为此因为他发现这种气体可以帮助燃烧。舍勒先是通过将软锰矿与硫酸共热制取了氧气,紧接着又通过加热硝酸钾、氧化汞等等制取了氧气。舍勒还进一步通过硫化钾等物质对于氧气的吸收作用以及白磷等物质在空气中的燃烧过程测得了氧气在空气中占比约为20%。这个数字与我们今天所熟知的21%非常之接近。后续,基于此,他出版了一生中唯一的一部著作《论空气和火的化学》。1774年,舍勒通过软锰矿与浓硫酸共热制取了氯气,并且探索了氯气的很多性质,包括密度大于空气、可溶于水、强还原性(漂白)等等。舍勒还是很多染料的发明者,如早期用于粉刷墙壁的黄绿色的“舍勒绿”(CuHAsO3)。

在当时的条件下,人们对化合物的毒性并不是很清楚。在研究化学的过程中,为了较为全面地探索物质的化学性质,舍勒有品尝和闻嗅自己合成的化学产物的习惯。实际上,舍勒制备出的很多气体(如氟化氢)和物质(如“舍勒绿”)对人体均是具有一定毒性的。1786年5月21日,因为长期被化学物质毒害加上过度疲劳,年仅43岁的舍勒与世长辞,不禁让人感到万分遗憾。

 

四、深远影响

 

早期,人们主要是通过思考认识自然,而非实验观察。赫尔蒙特高度重视实验研究,并从中去认识客观的自然规律。他的很多观点也均出自他在相关实验中的观察和思索。比如,他通过长达五年的“柳树实验”思考柳树之所以能够长大的奥秘等等。虽然赫尔蒙特的观点本身有着诸多的错误,但是赫尔蒙特的这种实验思想对后世的很多学者具有着深远的影响。

在气体的研究方面,波义耳深受赫尔蒙特的影响,对其倍加推崇,并在后续通过实验观察发现了著名的气体实验定律(即波义耳定律)。在后续很长的一段时间内,各个领域的诸多知名学者均在一定程度上受到了赫尔蒙特通过实验认知世界思想的影响,包括哈维、伽利略、培根等等。由此可见,赫尔蒙特的实验思想对后续科学的进步和发展起到了很大的推动作用,其影响持续了近两百多年。

 

五、后世纪念

 

实际上,赫尔蒙特本身还是一个生理学家及医学家,是医学化学学派的代表人物之一。在1648年出版的专著(英文书名 Ortus medicinae)中,赫尔蒙特较早地阐述了酵素(ferment)在人体的消化过程中的作用,并认为素是人体的胃部、肝部可以产生各种各样生理现象的关键。同时代的学者、实验生理学创始人之一威廉·哈维(William Harvey,1578年-1657年)对赫尔蒙特的工作给予了高度的评价,认为其“非常接近现代的关于酶的作用的观点”。

赫尔蒙特还著有《论尿结石》的专著,里面描述了采用化学实验方法通过酒精和尿素混合所生成的白色沉淀,被称为“赫尔蒙特丸”。

 




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