《人类科学技术史-249》波义耳的化学成就

波义耳的化学成就
1.近代化学的发生

近代化学迟至17世纪中期才产生，它的产生与炼金术有很大关系。当中国炼金术通过阿拉伯传入欧洲后，第一个真正相信炼金术，并且认真地研究过炼金术的人，是13世纪的实验科学的开拓者、英国哲学家罗吉尔.培根(1214-1294年），他曾进行过炼金术的实验，并开始试制火药。1317年，罗马教皇约翰二世颁布禁令，严禁炼金术，但炼金术仍在发展之中，为寻找黄金和"哲人之石"——当时欧洲人对"丹"的另一种称呼，众多的炼金术陷入了盲目的化学实验中，但却导致了某些元素、金属盐类、无机酸、酒精等许多新的化学发现。

15世纪末和16世纪初，炼金术与炼丹术在欧洲进入了全盛时期，而以行医和制药为职业的炼金术士瑞士的巴拉塞尔苏斯(1493-1541年）则是这一时期内炼金术的主要代表人物。他曾用水银制剂治好过一些病，并在炼丹术的实验中炼制过一些金属药剂，在一系列的实验中，他对蒸馏、溶解、升华、还原、凝结等操作过程进行了研究。他相信古希腊自然哲学中四元素理论，认为四元素在人体内变成了盐、琉、汞三要素，这三要素就构成了人体的三基，而这三基又分别支撑着人的身体、灵魂和精神。他的炼丹术与炼金术奠定了最初的医药化学基础。

比利时的炼金术士赫尔蒙特(1579-1644年）则是从炼金术向近代化学过渡时期的代表人物。1609年他偕同新婚的妻子隐居于维尔伏尔德长达7年，从事他自己所说的"火术"(实为炼金术）的研究。在实验中，赫尔蒙特最先发现，空气并不是一种纯净物质，不是一种元素，而是一种含有不同类别气体的混合物，他曾发现了二氧化碳、一氧化碳、二氧化氮。因此，他曾不止一次地把自己称为"气体发明家"。此外，赫尔蒙特还在实验中试制并使用了硫酸、硝酸等无机酸，辨认出人体的胃液中所含有的酸以及胆汁中所含有的碱。他还初步发现了真空的存在。

然而，赫尔蒙特对近代化学的贡献，主要是他的化学实验方法和化学元素理论。

在化学实验方法上，他十分重视化学实验中的定量分析，他在实验中广泛地使用天平，这就促进了定量分析方法在化学实验中的运用和发展。定量分析是炼金术向近代化学转变的重要一步。

在化学元素理论上，赫尔蒙特以他的实验事实为基础，否定了古希腊自然哲学中的元素学说，他认为，元素之所以称为元素，是因为它们不能转变成别的东西，而且也不能把它们还原为更简单的状态。根据元素这一定义，他认为土与火并不是元素，而只有水和空气才是真正的元素。这个元素的定义为后来波义耳确定元素的科学定义奠定了直接的理论基础，波义耳认为赫尔蒙特"在实验方面比许多学者所乐意认为的更加伟大"。赫尔蒙特死于1644年，他的主要著作《医学入门》于1648年出版，正是在这一著作的影响下，英国青年波义耳踏上了把炼金术彻底转变为化学的科学道路。

2.波义耳的实验化学成就

波义耳(1627-1691年）生于爱尔兰的利菲莫尔堡的一个贵族家庭。为了学习大陆科学，少年时，曾到意大利、瑞士等国留学，在留学期间，他学习了当时尚处于炼金术襁褓中的早期化学。1644年，他父亲、保皇党派的理查德伯爵被击毙，他只得赶回爱尔兰多尔塞特郡老家，去看守祖传庄园并开始过隐居生活。在隐居期间，他进行了哲学和早期化学的研究。

1646年，波义耳应邀加入了由威尔金斯组织的群众性科学社团——"哲学学会"(亦称无形学院）。1648年，威尔金斯被克伦威尔政府任命主持对牛津大学的改革，威尔金斯邀请波义耳到牛津去工作。本来，早在1645年，波义耳就曾在他家的位于牛津的祖传领地斯泰尔桥筹建过物理化学实验室，此时，波义耳也极想返回自己在牛津的实验室。1654年，波义耳应邀重返牛津。自此以后，波义耳的实验化学研究进入了一个新的时期。

在牛津期间，波义耳重建了斯泰尔桥的物理化学实验室，聘请了包括青年胡克在内的一批助手，开始进行多种课题的实验化学研究，如与胡克一起进行的大气压力实验、多种燃烧实验，差不多都是在牛津进行的。波义耳在牛津留居长达十四年之久，斯图亚特王朝复辟后，波义耳移居伦敦。在伦敦，他创建了英国第一所专门的化学实验室，以进行新的化学实验。

在实验上，波义耳所作过的许多实验都曾在近代化学史上产生过深远影响。在牛津期间，波义耳曾与胡克一起用格里凯发明的抽气机进行过减压蒸馏实验，以后又进行过大气压力实验，正是这些实验，导致波义耳在1662年发现了以他和另一个法国物理学家两人命名的气体定律，即气体的体积与压力成反比的波义耳——马略特定律。

波义耳进行过不少燃烧实验，特别是各种燃烧的对比实验。他进行了真空条件下燃烧与充足空气条件下燃烧的对比，发现了燃烧与空气的密切关系，1673年，他根据这些燃烧对比事实，写成了论文《关于火焰与空气关系的新实验》，最先揭示了空气是燃烧的基本条件这一事实。

波义耳也进行过不少金属焙烧实验，他在1673年发表的《使火与焰稳定并可称重要的新实验》一文中，曾描述过这样一个实验：把一块8盎司重的锡放在一个敞开的烧瓶中加热，结果发现锡的重量增加了18格林。他在这一实验事实的基础上提出的"火粒说"成为后来"燃素说"的理论先导。

此外，波义耳还进行过其他许多重要的化学实验，如酸与碱对类似于指示剂的植物染剂的颜色实验；动物在真空与非真空两种不同条件下的呼吸与生存实验。他还是磷的发现者之一，为研究磷的制取方法和化学性质也进行过不少实验。

波义耳是近代化学史上第一个杰出的实验化学家，为近代化学的奠基人，他的成就与他所受培根的实验归纳法影响密不可分。因此，就科学方法而言，他是培根实验归纳法的实践者，是吉尔伯特与哈维的实验传统的直接继承人。

3.波义耳的理论化学成就

在波义耳以前，人们事实上已经发现了不少可以称得上是元素的元素。远在古代，人们就发现了铜、锡、锌、铅、金、银、汞等金属元素，后来，人们又发现了砷、碳等非金属元素，但是，对于到底什么是元素，人类却一直处于迷茫之中。在古代中国，人们从自然哲学中的猜测出发，认为土、木、水、火、金是五种基本元素，而古希腊哲学家恩培多克勒把水、土、气、火称为四种基本元素，并以此构成炼金术士所说的"三基"。因此，从古代到中世纪，人们一直都说不清楚什么才是真正的元素。只是到了赫尔蒙特时，对元素观的理论研究才稍有起点，但他的水和空气是元素的具体结论却是错误的，而他的关于元素不能互相转变和不能还原成简单的东西的定义，却是元素发展史上的一大进步。

正是在积极吸取古希腊哲学原子论和赫尔蒙特的元素定义的基础上，波义耳提出了一个关于元素的科学定义，他说："我说的元素的意思和那些讲得最明白的化学家说他们的要素的意思相同，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份，也是完全混合物最终分解成的要素。"

波义耳的元素定义的提出，激起了人们对已知的"元素"进行重新鉴别的热情，人们发现，根据波义耳的元素定义，被炼金术士们称作元素的琉和汞确实是元素；而被炼金术士们称为元素的盐、水、空气根本不是元素；反之，炼金术士们认为不是元素的铜、铁、锌、碳等倒是真正的元素。

波义耳的元素定义的提出，也激起了人们寻找新元素的热情，正是在波义耳元素定义的指引下，终于导致以后一系列新的化学元素的发现。而化学也因之得到迅速发展。

波义耳的元素定义，除受赫尔蒙特的元素定义的影响外，也受到了古希腊哲学中的原子学术的影响。波义耳不仅在原子学说的基础上提出了元素的定义，而且还试图以原子学说来解释化学反应。他认为，有些元素之间之所以能发生化合作用，是因为在元素中存在着粒子团，由于粒子团中的"粒子并不是非常紧密的附着在一起，但这些粒子可以在另一种微粒中相遇，同其中的一些微粒结合，比这些粒子彼此之间的结合更为紧密"。波义耳的上述见解，已初具化学原子论的理论雏形。

4.近代化学的奠基

由于波义耳在实验化学与理论化学两方面的重要贡献，就为近代化学奠定了初步基础。他一生著述甚丰，其主要化学著作是发表于1661年的对话集：《怀疑的化学家：或化学物理的怀疑与悖论，涉及炼金家普遍推崇并为之辩护的而又为化学家通常认为实在的种种要素》，他的主要化学成就，大都反映在此书中。

由于"波义耳把化学确立为科学"(《自然辩证法》），由于他在化学史上确实开创了一个新的时期，即近代化学时期，因此他被视为近代化学的奠基者，柏廷顿这样评述："把波义耳称为近代化学奠基者有三个理由：①他认识到化学值得为其自身目的去进行研究，而不仅仅是从属于医学或作为炼金术去进行研究——虽然他相信炼金术是可能成功的；②他把严密的实验方法引入了化学中；③他给元素下了清楚的定义，并且通过实践证明亚里士多德的四元素和炼金家的三要素(水银、硫磺和盐）根本不配称为元素或要素，因为其中没有一个可以从物体(例如金属）中提取出来"。他为化学赢得了独立的科学地位；把严密的实验方法引入化学；最终确立了元素定义。

正是由于这三大贡献，波义耳使化学最终摆脱炼金术的襁褓，进入了近代化学新的发展时期。