书城科普上下而求索(科学知识大课堂)
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第13章 执着追求(4)

大家知道,原子是一种极小的微粒。如果把一亿个氢原子一个接一个地排成队,也只有一厘米那么长。6023000000000000亿个氢原子的质量也只有一克。原子如此之小,如此之轻,不用说是在道尔顿的时代,即使是在科技发达的今天,也无法称量。所谓原子量,并非某个原子的实际质量,而是将某种原子的质量定为一个整数并当作基准,然后,将其他原子的质量与之相比,而得出的相对质量。如果把甲原子的质量定为1,乙原子的质量若为甲原子的2倍,那么,乙原子的质量就是2。道尔顿当时就是选定最轻的氢原子质量为1作基准的。

在选定氢原子量为1作基准后,其他原子的质量是氢原子的多少倍怎样确定呢?这也是个难题。道尔顿解决这个难题的办法是什么呢?他想到当时许多物质的重量组成,已被化学家们测定出来。例如,由氢原子和氧原子组成的水,其中氢与氧的重量比,拉瓦锡已经测定出来。如果知道了水和氢与氧的重量比,再知道它们的原子个数比,那么,氧的原子量就可确定了。

但是,道尔顿所确定的氧原子量是不正确的。其错误来自两个方面。客观方面是当时测定技术落后,拉瓦锡测出的水中氢与氧的重量比是1∶5.5(应是1∶8)。主观方面是道尔顿又武断地假设了水中氢原子与氧原子的个数比是1∶1(应是2∶1)。这样,因为氢原子量已规定为1,那么,氧原子量就是5.5了。按照类似方法,又定出了其他一些“简单原子”和“复杂原子”的原子量。这就是世界上第一张原子量表的由来。

为了减少因测定技术造成的误差,1807年道尔顿又亲自进行实验测定物质的重量组成,纠正了一些测定的错误。但是,他对自己的有关原子个数比的假设,却没有重新考虑。因而他在1808年发表的原子量表,仍然充满了错误。

道尔顿原子量出现错误的根本原因,就在于他在缺少实验事实为根据的情况下,错误地确定了“复杂原子”(如水)中的原子个数比。这个错误不久便被人发现并提出了纠正意见。

对道尔顿的原子个数比给予纠正的是年轻的意大利物理学家和化学家阿佛加德罗(Amldlo Avogadro,1776年~1856年)。他是从盖吕萨克的气体反应体积定律中得到启发,而提出自己的观点的。

1805年,盖吕萨克就做了这样的实验:用100体积的氧气,跟氢气充分反应生成水蒸气时,所消耗的氢气为199.89体积,即约200体积。这说明,化合成水的氢气与氧气的体积比约为2∶1。他认为,在相同温度、相同压力的条件下,相同体积中所包含的原子数目应该相同。既然氢气和氧气化合成水的体积比是2∶1,那么,水中氢原子与氧原子的个数比也应是2∶1。

这样看来,原子个数比的难题,不就完全解决了吗?事情并不这么简单。因为,按照道尔顿的原子学说,物质都是由原子所组成。单质是由单个原子所组成,化合物是由不同原子形成的“复杂原子”所组成。如果水中氢与氧的原子个数比是2∶1的话,那么,就是2个氢原子与1个氧原子化合生成1个水原子(“复杂原子”)。这个过程如果用现代元素符号(H代表氢,O代表氧)表示的话,就是:

2H+OH2O

原子个数比:211

根据盖吕萨克提出的规律,原子个数比就应该等于气体体积之比,即氢气、氧气与生成的水蒸气体积比,也应是2∶1∶1。但实验结果却是2∶1∶2。水蒸气的体积比理论推算增大了一倍。

这个矛盾如何解决呢?是阿佛加德罗于1811年提出了“分子”的概念,使问题迎刃而解。他认为,一切物质都是由分子组成的,分子则是由原子组成的。单质分子由同种原子组成(如氢气分子由2个氢原子组成,分子式为H2;氧气分子由2个氧原子组成,分子式为O2),化合物分子则由不同原子组成(如水分子由2个氢原子和1个氧原子所组成,分子式为H2O)。他还提出,在相同温度、相同压力下,相同体积的任何气体所包含的分子数是相同的。据此,氢气与氧气化合生成水蒸气的化学反应就是:

2H2+O22H2O

分子个数比:212

气体体积比:212

这样,气体的分子个数比跟气体体积比是相等的,跟实验结果完全一致。

毫无疑问,阿佛加德罗的分子学说,弥补了道尔顿原子学说的不足,对物质结构理论的发展是个重大贡献。令人遗憾的是,这一学说提出后,却受到了包括道尔顿在内的许多名家的冷落和反对。道尔顿坚持认为相同原子互相排斥,不可能结合为分子。后来的科学实践证明,道尔顿的这一观点是错误的,阿佛加德罗的理论是正确的。

这件事在告诫人们,一个成就非凡的科学家,他的观点,即便是在科学领域中的观点,也不可能是完全正确、永远正确的。科学总是在不断修正错误的过程中向前发展的。一个伟大的科学家,他之所以伟大,并不在于他是一个没有错误和缺点的人,而在于他对人类和社会进步的奉献,在于他献身科学锲而不舍的精神。道尔顿正是这样的人。

奋斗终生

道尔顿从一个只上过几年小学的农村少年,到后来成为在世界科学界都享有盛名的科学家,他把毕生的精力都献给了科学事业。当有人问他成功的秘诀在哪里时,他的回答就是:“不懈地努力!”

道尔顿在他一生不懈地努力中,克服了重重困难,付出了巨大的心血。还处少年时代的道尔顿,就开始独立谋生,在穷困中生活。后来,他为了有充分时间搞科学研究,竟辞去了收入较多的大学讲师的工作,做了家庭教师。在他成名之后,如果想谋得一个收入多的职位,是轻而易举的。可他没有这样做,依然过着清贫、俭朴的生活。1818年,英国政府曾用重金聘请他做一个考察队的专家,一年只需工作三四个月,就可拿到四五百英镑的报酬。可是,道尔顿谢绝了,他依然在艰苦的条件下,继续原子量的测定工作。为了节省开支,在他的实验室里,许多仪器都是他自己用玻璃吹制的。

由于道尔顿在科学上的重大贡献,受到美国及欧洲科学界的极大的赞誉。许多名人、学者都跟他建立了联系。当这些名人、学者来到道尔顿的实验室和住处时,无不对其简朴的生活和工作条件感到意外。这位世界著名的科学家,一生都是在这样一种让人感到意外的简朴环境中度过的。

在这里还要提到的是,道尔顿为了科学研究,不仅要克服经济上的困难,还要克服自己是个色盲这种生理上的困难。由于色盲在化学实验中就难以辨别反应的颜色变化。但他没有因此放弃化学研究,而且把色盲当成了自己的一个研究课题,还在一个刊物上发表过关于色盲症的论文,阐述了色盲的遗传规律。近代生理学家都认为,色盲症的科学研究,是从道尔顿开始的。在生理学的发展史上,他也是一位令人怀念的学者。

道尔顿把毕生的精力都献给了科学事业。他终生过着独身生活,没有结婚。他曾对朋友说:“我没有时间谈爱情。”他一生中的绝大部分时间,都是在工作中度过的。他早年研究的是气象,后来的研究虽转向物理学和化学方面,但对气象的观测,他从未间断过。从21岁开始,直到去世,每天进行气象观测并做记录。时间长达57年之久,观测记录竟有20万次之多。这充分表现了道尔顿对于科学事业的那种坚持不懈、持之以恒的高贵品质。

道尔顿一生完成的著作有50多种,仅在曼彻斯特文学哲学学会所作学术报告就有100多次。1816年,道尔顿被选为法国科学院通讯院士,1817年,被选为曼彻斯特文学哲学学会会长;1822年,被选为英国皇家学会会员;1826年,英国政府授予金质奖章;1832年,牛津大学授予最高荣誉——法学博士学位。此外,柏林科学院和慕尼黑科学院也都选他为名誉院士。

道尔顿是个一心一意搞科学,从不追求名利、从不追求享受的人。以他的科学成就而论,早应该成为英国皇家学会的会员。可是,1810年当有位著名科学家推荐他为会员时,他拒绝了这个荣誉。12年后,是在他不知道的情况下,才被选为皇家学会会员的。1833年,曼彻斯特市政委员会通过决议,为表达全体市民对道尔顿的崇敬心情,要在市政大厅竖立道尔顿的雕像。对此,他曾表示:如果我不是怕伤害曼彻斯特市民的好心的话,我就一定不能同意这样做的。

1837年,道尔顿的健康状况已明显下降,行动坐卧都不便利,但他依然坚持做实验、写论文,请人代为宣读。1842年,年已76岁的道尔顿,抱病参加了英国科学促进会的年会。在会上他对大家说:“我还能做化学实验,只不过做实验所费的时间,要比过去多三四倍。”他的话使大家很受感动。从这里,人们看到,这位年迈的科学家,在健康受到严重损害难以工作的情况下,所想所做的仍然是科学事业。

1844年的7月26日,道尔顿的生命已经垂危。但是,他仍然竭尽全力作了最后一次气象记录。他用颤抖的手,艰难地记下气压计和温度计的读数,并写下了“微雨”两字。次日清晨,道尔顿就在他那简朴的卧室里,与世长辞了。

这位伟大科学家的逝世,震动了曼彻斯特城和整个英国。川流不息的各界人士在市政大厅里向道尔顿的遗体告别,持续了两周。8月12日,人们在肃穆的哀乐声中为他举行了公葬。

道尔顿用他那坚实的脚步,走完了78年的艰辛路程,带着人们的无限崇敬离开了人世。但他那杰出的业绩和他那高尚的品格,将永远留在人间。

维勒冲破“生命力论”

从18世纪到19世纪初期,化学界广泛流行着一种“生命力论”。它认为,有机物都来自有生命力的动、植物体,不可能用人工的方法来制造。这种把有机物神秘化的说法,人为地在有机物和无机物之间,制造了一条不可逾越的界限,严重阻碍了化学的发展。

1828年,科学界发生了一件大事,有人用无机物人工合成了有机物——尿素,以实验事实冲破了“生命力论”,为有机化学的发展开辟了广阔的道路。这位功绩卓著的人就是德国化学家弗里德里希·维勒。

弗里德里希·维勒1800年7月31日生于德国梅因河畔法兰克福城附近的埃斯欣姆。十几岁时就特别喜欢收集矿物和做化学实验。他对化学实验的爱好,到了入迷的程度。有时不动手做点实验,就难以入睡。也许正因为如此,后来他才从实验中有了重大发现。

卧室就是实验室

维勒在上中学时学习成绩不是很好,有时数学作业都不能按时完成,为此,老师还向家长告过他的状。可是,你到他家的二楼走进维勒的房间时,定会使你感到惊奇。这哪里像个居室,简直就是一间小小实验室。屋里摆满了烧杯、烧瓶、量筒、研钵,还有曲颈甑。地下几只木箱,盛满了各色各样的矿石。他常常在下课后钻进这个小小实验室,对照着一本《化学实验》书,做化学实验。他把做实验当成自己的最大乐趣。就因为这样,他时常忘了去完成老师布置的作业。

他的父亲并不支持他的这种爱好,甚至都不知道儿子的这个小小实验室是怎么搞起来的。但他父亲的一位好友布赫医生,却非常喜欢他。当他的《化学实验》书被生气的父亲没收以后,布赫医生便把自己的化学书借给他看。就此机会,他读了不少大化学家的著作和论文。

随着化学知识的增长,他觉得再在自己的实验室里做些硫燃烧之类的小实验,已经很不够了。他从一篇论文中看到,英国化学家维戴用电流成功地分解氢氧化钾和氢氧化钠,而制得两种新金属钾和钠。这引起了他的极大兴趣。他也要试一试用电解法制金属钾的实验。

还是在布赫医生的帮助下,他找来铜和锌板制成了电池,然后把两个电极插入熔融的氢氧化钾中。经过多次长时间通电,都未成功。他认为,自制的电池可能电流强度不够。但他不甘失败,又翻阅了许多书刊。他看到了盖吕萨克和泰纳提出的一种用高温还原制钾的方法。决定改用这种方法制取。他东奔西走,找来大石墨坩埚、风箱、木炭等等。小小实验室已不够用,他就把厨房也占用了。这次实验终于获得成功。制出的金属钾虽然只有很少的几粒,但用它与水反应时,现象跟文章里说的完全符合。

维勒,一个十几岁的中学生,在自己那简陋得不能再简陋的小小实验室里,靠自学、自己查阅资料,做了大量的实验。这充分表现出他那不凡的化学才能,为他以后的科学研究工作打下了很好的基础。

投奔名师

1819年,19岁的维勒成了马尔堡大学的大学生。按照父亲和家人的意见,他学的是医学,为的是让他能继承父业成为一个有名望的医生。但是,对维勒来说,感兴趣的还是化学,而不是医学。

入学后不久,他就把自己住的宿舍变成了化学实验室。每天下课回到宿舍,他就要做化学实验。否则,他躺在床上就难以入睡。就是在这间屋里,他对硫氰酸汞的性质进行了实验研究,并写出了第一篇科研论文。这篇论文发表后,得到著名化学家贝采利乌斯的好评。

为了使自己的化学研究能得到名师的指导,上大学的第二年,他便转到有著名化学家格梅林任教的海德堡大学。因为格梅林看过不久前他发表的论文,认为他的化学知识深厚、扎实,并具有很好的实验才能,同意他到自己实验室工作。这件事使他格外高兴。