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氧气研究先驱:跨行跨界的牧师科学家普里斯特利 精选

已有 44592 次阅读 2014-7-27 20:21 |个人分类:科学|系统分类:科普集锦

氧气研究先驱:跨行跨界的牧师科学家普里斯特利

     以“发现氧气”而广为后人所知的Joseph Priestley1733-1804),一生都做牧师。他在多个领域有创见,其思想影响遍及科学、宗教和政治。

里斯特利的科学工作有超前世人很多的先见之明,也有终生执迷不悟的错误。

     普里斯特利一生著有一百五十多本书,其中有:帮他获得教师职务的《英文语法初步》;奠定其科学声望的《电学的历史和现状,附原始实验》;1774年至1786年的六卷《几种空气的观和实验》;引来争议和麻烦的《基督教腐败的历史》等。他对科学与宗教的思考在时间上有重叠,而非这几年专注科学、那几年专注宗教。

     普里斯特利在政治上是自由派,彼时表现为支持立宪、鼓励宗教宽容、赞同法国革命、反对英国压迫美国。他的政治和宗教立场曾导致暴民烧他的家,在英国待不下去而移民美国。他与美国第二任总统亚当斯和第三任总统杰弗逊都有联系,他在美国居住10年后,逝于费城。

     普里斯特利对电学的贡献起源于他决心写电的书,并非先研究电学有发现再写书,他在写作过程中发现问题才开始做电学实验。他于1767年出版的《电学的历史和现状》,影响其后百年电学,包括卡文迪许(Henry Cavendish,1731-1810)伏打(Alessandro Volta, 1745-1827)等人。普里斯特利还是提出电学一个基本定律(以后称为库仑定律)的科学家之一。

普里斯特利跨行跨界,这里仅介绍他有关氧气的实验系列。

     一般对普里斯特利的氧气实验简介为:普里斯特利将玻璃罩倒放桌上,先在里面点燃蜡烛,蜡烛过一段时间会熄灭,再放老鼠进去,几分钟后会死亡,说明蜡烛燃烧导致空气中失去了某种气,就是氧气。

     其实,普里斯特利并非做一个实验、而是一系列实验。在以上实验后,他还用植物做过:在蜡烛燃烧熄灭后,把植物放到玻璃罩里面,结果发现与动物实验结果相反,植物不仅不会很快死掉,还可活很长时间。

     他进一步做实验,在先用蜡烛燃灭后再放进植物,过些天再放蜡烛或老鼠,这时蜡烛可以再燃,老鼠不会很快死掉、依旧可以活很长。

     这些实验说明,蜡烛燃烧去除了动物需要的某种成分,而植物无需这种成分、反而可以产生这种对蜡烛燃烧和动物生存所需要的成分,也就是我们现在知道的氧气。

     普里斯特利与美国科学家、开国元勋富兰克林(Benjamin Franklin)长期信件往来。好友富兰克林在得知普里斯特利的研究结果后,回信中将这些从实验室取得的结果推广,提出世界上植物与动物产生和消耗物质的关系,它们形成循环。富兰克林还依此提出环境保护:希望以此说服人们遏制砍伐树木。

     所以,普里斯特利的研究以及富兰克林对其结果高屋建瓴的总结,使他们实际上成为依据科学提出生态平衡、提倡环境保护的先驱,可惜其意义直到二十世纪才能为大家理解。

     以上是普里斯特利在氧气方面理解正确并富有远见的部分。

     如果只谈发现氧气发现,其优先权还有争议:在普里斯特利之前瑞典的Carl Wilhelm Scheele也通过实验发现了氧气。

最为可惜的是:普里斯特利搞错了氧与燃烧的关系。

     普里斯特利之前流行燃素理论(phlogiston theory),认为可以被燃烧的物体含燃素,燃烧后燃素耗尽,物体重量减少。这很符合人们的直观,如木材、纸被烧后留下人们可以看到的固体重量减少。但实际没有考虑可能出现其他气体(如燃烧时氧气变成二氧化碳)而挥发,看到燃烧后剩下固体的量但未考虑(也未检测)燃烧后产物的总重量。

     普里斯特利没有意识到燃素理论的问题,结果错误理解了氧与燃烧的关系。普里斯特利的实验有很重要的化学版本:他于17748月,对放在玻璃罩内的氧化汞加热,发现有气体出现,他当时按燃素理论称之为dephlogisticated air,“去燃素气”,这种气体呼吸起来感觉很好。法国科学家拉瓦锡(Antoine Lavoisier1743-1794)重复其实验后,于1777年将之命名为氧气,词根取希腊文的“酸原”,因为误认为酸都含氧。拉瓦锡对氧化汞的实验进行精心的设计,非常漂亮地证明氧气的产生与加热的关系。拉瓦锡否定了燃素理论,提出:被燃烧的物体不是失去原有的燃素,而是获得氧--被氧化。拉瓦锡的工作被誉为化学革命,是化学的经典工作,其细节超出本文内容。化学老师介绍拉瓦锡的工作都用普里斯特利做反面教材,因普里斯特利在化学上确实有错。

     但如果全面看普里斯特利做的一系列有关氧气的动物和植物实验,他对推进理解生态平衡、人与自然关系的贡献,在十八世纪超出了除富兰克林以外一般人的理解能力,后来的化学家也未必充分理解普雷斯利全套实验的意义。

     哦,还有普里斯特利最没有科学意义的工作,是今天有些大公司最赚钱的:他发明了苏打水。

 

Steven JohnsonThe Invention of Air, the story of science, faith, and thebirth of America,闫鲜宁翻译,上海科技出版社,2012

 

(周末读书偶记-3)

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3OTgzMzUzOA==&mid=200502477&idx=1&sn=a5225ffb4984bda8c430982bf418b32a&scene=2&key=1321d89025d37a7655e2b564611dd04ba7a4e010828f25a9555b2644a701fa34bfee9a06c6bd3e7ff00d7db62575b79d&ascene=2&uin=MjUyNzA2ODYyOQ%3D%3D&pass_ticket=TysprGq6nNPU6i%2B4Uvlk2FkHeNeLDKTH3oyefRCTjFek4PyM%2BXumPrO9%2BdYHPmyr


周末读书偶记1和2见:正直的科学家和幸福的科学家

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