火焰中的力量：本生灯与本生

罗伯特·本生 （Robert Wilhelm Bunsen，1811年3月30日—1899年8月16日，摄于1852至1856年间）。图源：参考文献1

导读：

127年前，一位德国化学家与世长辞。他是光化学领域的先驱，也是铯（Cs）和铷（Rb）两种元素的发现者。在其门下，更是走出了丁达尔与门捷列夫等科学巨擘，可谓桃李满园。然而，为他赢得最广泛知名度的，既非开创性的学术成就，也非耀眼的学生名单，而是一盏以他命名的可靠加热工具——本生灯。

李研｜撰文

寂寞帅猫｜编辑

1811年3月30日，罗伯特·本生（Robert Bunsen，1811-1899）出生于德国哥廷根的一个书香门第。他的父亲是哥廷根大学的语言学教授兼首席图书管理员，母亲也出身于高级公务员家庭。在浓厚的学术氛围中成长，本生自幼便对自然万物展现出强烈的好奇心。

1828年，本生考入哥廷根大学，系统研习了化学、物理学、矿物学和数学，期间他曾师从镉元素发现者弗里德里希·斯特罗迈尔，亦受教于数学巨匠卡尔·高斯。年仅二十岁，他便获得了化学博士学位，并因出色的学术表现获得了一笔旅行资助。于是，他遵循当时德国年轻学者的传统，展开了一段游学之旅。他先后来到巴黎、柏林、维也纳等欧洲学术重镇，拜访了盖-吕萨克和李比希等当时的一流化学家。三年的游学经历大大拓宽了本生的学术视野，也为他日后的独立研究奠定了坚实基础。

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危险的有机砷探索

1833年，本生回到哥廷根大学任教，之后又辗转到了卡塞尔理工学院和马尔堡大学。这段时间，他的主要研究对象是砷 (As) 的化合物。

他首次合成出一种有机砷化合物——二甲胂氰（C₃H₆AsN），并给它起了个名字叫“卡可基”（Cacodyl），这个词来自希腊语，意思是“恶臭”。实际上，臭味儿在它所有的问题里，算是最不起眼的一个了。这种物质毒性极强、挥发特别快，还很容易爆炸，甚至能在空气中自燃。

本生曾这样描述二甲胂氰：

“该物质毒性极大，制备和纯化只能在露天进行。操作者必须用一根长导管呼吸，以确保吸入的空气未被这种极易挥发的化合物污染。即使仅有数粒该物质在室温下蒸发，任何吸入其蒸气的人都会突然头晕目眩，甚至失去知觉。” ——Scientific Worthies，Nature, 1881年4月28日

就算在今天，化学家们已经充分了解它的危险性，配备各种先进的安全设备后，处理起来依然可能提心吊胆。可想而知，一百多年前的本生会为此付出了多大的代价。

他曾多次出现砷中毒的症状。最严重的一次事故发生在1843年。一次实验中，有机砷突然爆炸，飞溅的玻璃碎片直接击中了他的右眼。以当时的医疗水平，他的这只眼睛最终没能保住，永远失去了视力。

可就算选了这么一个“超高难度”的研究开局，本生还是没有退缩，并且还做出了令人瞩目的成果。1834年，他在一篇论文中指出，新制备的水合三氧化二铁（Fe₂O₃·xH₂O）能够与砷结合，生成一种既不溶于水、也不溶于体液的亚砷酸铁。这个发现后来长期被用于砷中毒的临床治疗。而他当年的学生爱德华·弗兰克兰，正是沿着老师开辟的道路继续深耕，最终成为了有机金属化合物研究领域的奠基人。

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本生灯的诞生

失去一只眼睛的事故，让本生决心远离涉及有机化学的实验，但这并未动摇他对化学的热爱。 1852年，本生接任海德堡大学化学教授一职。得益于充足的经费支持，他开始着手对实验室设备进行全面的改造。

在化学实验室里，火焰是人们最亲密也最敬畏的伙伴。没有足够的热源，很多精妙的反应只能停留在纸面上。然而，1852年本生所面对的，却是一个“有火却不好用”的尴尬现实。

传统的油灯一燃烧就会产生不少煤烟，因此容器很快就被熏黑，瓶底的炭黑沉积还会挡住热量传递，影响实验效果。若换成“矮胖”造型的酒精灯，确实比油灯清洁不少，但即便使用高纯乙醇，通过灯芯燃烧时仍免不了有烟，而且那抹黄色火焰也格外显眼。如果在酒精中掺点水，固然能减少烟尘，代价却是火焰温度的显著下降，导致酒精灯“火力不足”。更棘手的是，酒精在当时并不便宜，一旦实验需要长时间加热，燃料成本便会迅速攀升。

酒精灯。图源：Chemicalbook

到了19世纪中期，随着煤气照明和供暖技术在城市中逐步普及，越来越多化学家开始尝试将煤气引入实验室，以替代传统的油灯、酒精灯和木炭炉。后来因设计了标准款式烧杯“格里芬烧杯” （Griffin Beaker）而闻名的英国出版人兼化学家约翰·约瑟夫·格里芬（John Joseph Griffin，1802-1877），就曾设想在实验台下统一铺设煤气管道，让每位学生都能独立使用燃烧器，这一理念与现代化学实验室中的供气系统已颇为相似。然而，当时的煤气燃烧器火焰温度低、烟尘较重，难以满足熔融、分解等需要持续高温加热的实验。

约翰·格里芬和其设计的标准款式烧杯。图源：参考文献 4和5

关于煤气的燃烧，早期的探索可追溯至英国化学家汉弗里·戴维及其助手迈克尔·法拉第。为解决矿井中瓦斯（主要成分为甲烷）爆炸的隐患，他们发明了戴维安全灯。其核心构造是以金属网罩住火焰，既能防止点燃外部瓦斯，又能让火焰随环境中瓦斯浓度变化而改变形态和颜色，从而向矿工发出危险警示。

戴维灯。图源：explorerantiques.com

后来的研究进一步表明，火焰的温度和稳定性并非由煤气本身决定，而主要取决于燃气与空气的混合程度。在前人工作的基础上，新任海德堡大学教授的本生，与大学仪器技师彼得·德萨加（Peter Desaga）合作，设计出一种全新的燃烧器。使用时，煤气从灯底部的小喷嘴进入灯管，而灯座侧面开有进气孔，可通过旋转调节环逐渐增大空气吸入量。

本生灯。图源：wikipedia

随着空气供给增加，原本摇曳不定、带黄色光晕的扩散火焰逐步缩短，最终形成稳定的双层淡蓝色火焰。其背后的原理在于，黄色火焰和烟尘源于碳原子不充分燃烧所生成的碳微粒。增加预混空气量后，燃烧过程中的供氧更为充分，促进碳原子氧化为二氧化碳或一氧化碳，从而使火焰颜色由黄色转变为蓝色。

本生灯火焰依不同空气流量，会产生不同形态的火焰。图源：参考文献2

1855年，这款新型管式煤气灯在海德堡大学正式投入使用。凭借结构简洁、火焰可调、温度极高（可达上千度）且几乎无烟等优点，它迅速传遍全球，成为化学实验室里的标配。有意思的是，尽管有不少学者认为这一发明的更多功绩应归于德萨加，而且本生的确也将专利的商业利润留给了德萨加，但这款煤气灯最终还是被后人冠以“本生灯”之名。

直到21世纪初，笔者在大学化学实验课上，仍然需要学习如何正确使用本生灯——调节空气与煤气比例、点燃并调整火焰。这几乎成为一代化学学子共同的实验记忆。

直至最近十年，随着明火在有机化学实验室被严格禁用，以及油浴和各种更便捷、更安全的电加热装置的普及，本生灯的应用空间不断被压缩。这款曾服务了化学界一个半世纪的经典加热工具才逐渐退场 ，目前只在一些微生物实验室和分析化学实验中还保留着一席之地。

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火焰中的色彩密码

本生灯不仅解决了加热问题，更催生了化学史上极为重要的分析工具——光谱分析法。

人们很早就注意到，一些物质在火焰上加热时会呈现出不同于火焰的颜色，而彩色火焰发出的光通过棱镜时，还会出现由暗区隔开的明亮彩色谱线图案。1826年，英国摄影术的先驱威廉·塔尔博特就已经在一篇论文中设想：

“只需瞥一眼火焰的棱镜光谱，便可能揭示其中所含的物质成分；而若依赖传统的化学分析手段来识别这些成分，则往往需要耗费繁重的劳动。” ——Talbot, H.F. “Some Experiments on Coloured Flames”. Edinburgh J. Sci. 1826, 5: 77–81

然而，彼时的一大障碍在于，燃料燃烧时通常伴有明亮的黄色光芒。这种强烈的黄光会严重遮蔽物质在加热过程中本身发出的特征颜色，使观察者难以分辨。本生灯恰好克服了这一难题。它的火焰颜色很淡，呈近乎透明的淡蓝色，几乎不干扰光谱观察。

几种碱金属元素的焰色反应。

1859年，本生与物理学家古斯塔夫·基尔霍夫合作，将本生灯的无色火焰与棱镜光谱仪联用，取得了突破性的发现：当某种金属盐被置于本生灯火焰中加热时，火焰会呈现特定的颜色，而通过棱镜观察，这种颜色实际上是由若干条特定波长的明亮谱线构成的。也就是说，每一种元素都拥有独一无二的“光谱指纹”。

本生和基尔霍夫在1860年论文《光谱化学分析》（Chemical Analysis by Spectrum-Observations）中展示的光谱分析实验装置。图源：www.beautifulchemistry.net/kirchhoff-cn

就在《光谱化学分析》论文发表的同一年，本生与基尔霍夫在德国杜克海姆的矿泉水残留物中，观察到两条从未见过的明亮蓝色谱线——它们不属于当时已知的任何元素。于是，两人将这种未知元素命名为“铯”（Caesium），取自拉丁语 caesius，意为“天蓝色”。

同样利用火焰光谱技术，1861年他们又从锂云母矿石中发现了另一组鲜艳的红色未知谱线。这一次，他们选择了拉丁语 rubidus（意为“深红色”），将新元素命名为“铷”（Rubidium）。

铯元素（Cs）和铷元素(Rb)的光谱线。图源：Chemicools

当然，要确证一种新元素，单靠光谱中的“影子”远远不够，必须将这种元素实实在在地“抓”到手中。为了提取出足量的新元素化合物进行验证，本生联系了一家工厂，近乎疯狂地蒸发了整整4.4万升的矿泉水，从中得到240公斤的浓缩盐溶液，再经过漫长而繁琐的化学处理，最终仅得到了约7.3克的铯盐的化合物。可以设想，若非借助光谱分析，如此低浓度的物质几乎不可能被人察觉。

本生原本只是想造一盏能够更好加热的灯，却没想到，这盏灯后来成为光谱分析的重要工具。自此，化学家无需繁琐的化学处理，凭借一束火焰、一块棱镜和一双眼睛，便可能让深藏于物质内部的元素现出原形。而光谱分析的影响力不仅限于化学领域，更为后来天体物理学、量子力学乃至整个现代科学的发展，点亮了一盏穿越迷雾的明灯。

与本生多年合作的基尔霍夫，后期将研究重心从地球矿物转向了浩瀚星空。他尝试用光谱分析星星的成分。太阳上有什么元素，我们当然不可能去挖掘采样，但可以通过分析它的光谱了解情况。基尔霍夫揭示了我们身边的一些元素（例如钠）同样存在于亿万公里之外的恒星之上，这一发现为现代天文学的诞生和发展作出了重要贡献。

由左至右；基尔霍夫、本生和亨利·罗斯科（本生的学生），摄于1862年。图源：参考文献9

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本生轶事

本生对化学研究有着近乎偏执的严谨与专注，围绕他也流传着不少趣事。美国辛辛那提大学的威廉·詹森（William B. Jensen）教授在其撰写的Robert Bunsen's Sweet Tooth一文中，便记录了这样一则与苍蝇有关的故事。

一天，隔壁教学实验室的学生们突然听到本生的私人实验室内传来一阵异样的响动。他们赶过去一看，只见本生正手忙脚乱地在实验台之间跳跃，挥舞着双手追逐一只苍蝇。原来，他正在进行一项关于铍（Be）元素的分析实验。就在他转身去取洗瓶的片刻间隙，一只苍蝇悄然落在过滤漏斗的边缘，将它的喙插入正在过滤的胶状氢氧化铍沉淀物中，随即带着这宝贵的样品飞走了。

当苍蝇最终被擒获时，本生做出了一个令人瞠目的举动：

“他用拇指和食指小心翼翼地捏死苍蝇，刻意避免触碰其喙部，然后将整只苍蝇放入一个已称重的铂金坩埚中，谨慎地将其彻底灼烧。灰烬用一滴浓盐酸处理，再经氨水溶解、蒸发并灼烧。最终，坩埚中留下了约0.1毫克的氧化铍——这个量被精确地加到了主体沉淀物的质量中，使整个分析结果趋于完美。”

本生对实验痴迷与投入，远不止于追回被苍蝇衔走的那一点点铍，甚至也影响到了他的人生大事。

据说他在马尔堡大学任教时，曾向一位年轻女子求婚，对方也答应了。但不久后，他一头扎进有机砷化合物的研究中，一连几周都没露过面。等他终于走出实验室时，隐约记得自己求过婚，却怎么也想不起来到底成功了没有。为了保险起见，他再次登门，把求婚的话又说了一遍。那位女士对他长时间的失踪以及连这么重要的事都记不清，感到既失望又恼怒，果断把他拒之门外。自此，本生终身未婚。

没有家庭的牵绊，他将全部热情毫无保留地倾注给了学生和实验室。他为人随和，经常手把手地指导学生做实验。众多年轻学者因此慕名前来求学或与他共事，其中就包括今天我们耳熟能详的约翰·丁达尔、德米特里·门捷列夫和和弗里茨·哈伯。本生在海德堡大学辛勤耕耘了近半个世纪，直至1899年8月16日与世长辞。

当时担任伦敦大学副校长的亨利·罗斯科，也是本生的学生。他在悼念文章中这样评价他的老师：“作为科学家，本生是伟大的；作为导师，他更加伟大；而作为一个人、一位朋友，他则是最伟大的。”

本生。图源：wikipedia

从危险的有机砷实验到发明本生灯，再到光谱分析，本生的一生与火焰相伴。他在化学史上留下一盏灯，也留下了探索物质世界的一束光。

作者简介：

李研，化学博士，赛先生专栏作家。目前担任Cell Press旗下Matter&Light 和 Matter期刊的科学编辑。

参考文献：

[1] Robert Bunsen：https://en.wikipedia.org/wiki/Robert_Bunsen

[2] Bunsen burner：https://en.wikipedia.org/wiki/Bunsen_burner

[3] Bunsen burner, By Andrea Sella, Chemistry World

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Beaker_(laboratory_equipment)

[5] http://grokipedia.com/page/john_joseph_griffin

[6] William B. Jensen：Robert Bunsen’s Sweet Tooth，Bunseniana in the Oesper Collections

[7] Gustav Kirchhoff：https://en.wikipedia.org/wiki/Gustav_Kirchhoff

[8] Spectroscopy：https://en.wikipedia.org/wiki/Spectroscopy

[9] Henry Roscoe (chemist)：https://en.wikipedia.org/wiki/Henry_Roscoe_(chemist)

[10] Robert Bunsen： https://www.britannica.com/biography/Robert-Bunsen

[11] Dietmar Seyferth，Cadet's Fuming Arsenical Liquid and the Cacodyl Compounds of Bunsen， Organometallics (2001) 20 (8): 1488

文章转载自"赛先生"公众号