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近代化学实验

来源:摘抄于因特网作者:杨董 点击:所属专题: 实验历史
17—19世纪,是近代化学实验时期。在这一时期,随着欧洲资本主义生产方式的诞生和工业革命的进行,以及天文学、物理学等学科的重大突破,化学实验终于冲破了炼丹术的桎梏,走上了科学的康庄大道。为此做出巨大贡献的化学实验家当推波义耳(R.Boyle,1627—1691)和拉瓦锡(

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17—19世纪,是近代化学实验时期。在这一时期,随着欧洲资本主义生产方式的诞生和工业革命的进行,以及天文学、物理学等学科的重大突破,化学实验终于冲破了炼丹术的桎梏,走上了科学的康庄大道。为此做出巨大贡献的化学实验家当推波义耳(R.Boyle,1627—1691)和拉瓦锡(A.L.Lavoisier,1743—1794)。

一 化学科学实验的奠基人——波义耳

“波义耳把化学确立为科学”。作为近代化学科学的确立者,波义耳也是化学科学实验的重要奠基人。他认为,只有运用严密的和科学的实验方法才能够把化学确立为科学。他明确指出:“化学,为了完成其光荣而庄严的使命,就不能认为到目前为止的研究方法是正确的。而必须抛弃古代传统的思辩方法”,只有这样,化学才能象“已经觉醒了的天文学和物理学那样,立足于严密的实验基础之上”①;“不应该把理性放在高于一切的位置,知识应该从实验中来,实验是最好的老师”②,“没有实验,任何新的东西都不能深知”,“空谈无济于事,实验决定一切”③,“人之所以能效力于世界者,莫过于勤在实验上做功夫”①。他的这些观点和主张,奠定了化学实验方法论的基础。

不仅如此,波义耳还是一位技术精湛的出色的化学实验家。他一生做过大量的化学实验,获得了许多重要的发现。他是第一个发明指示剂的化学家,他把各种天然植物的汁液或配成溶液,或做成试纸(“石蕊试纸”就是波义耳发明的),并根据指示剂颜色的变化来检验酸和碱;他还发现了铜盐和银盐、盐酸和硫酸的化学检验方法,并在1685年发表的“矿泉水的实验研究史的简单回顾”一文中,描述了一套鉴定物质的方法。因此,他还常被尊为定性分析化学的奠基者。

二 定量化学实验方法论的创立者——拉瓦锡

拉瓦锡“是明确提出把量做为衡量尺度对化学现象进行实验证明的第一位化学家”②,他把近代化学实验推进到定量研究的水平。

拉瓦锡从一开始从事化学科学研究,就非常善于发挥天平在化学研究中的作用,重视对物质及其变化进行定量测定。他21岁时所做的第一个化学实验,就是定量地测定石膏在加热和冷却过程中水分的变化。他一生做过很多定量化学实验,并依据实验事实揭示了“水变成土”以及“火粒子”学说、“燃素说”的谬误。

“水变成土”是赫尔蒙特根据他著名的“柳树实验”提出来的,后来又得到波义耳和牛顿(J.Newton,1642—1727)的赞同。为了检验这一观点的科学性,拉瓦锡进行了如下实验:将收集到的被认为是最纯净的雨水连续蒸馏了8次;然后将这些水倒入一个特制的玻璃蒸馏器中,加热驱去其中的空气,并加以密封;用沙浴在60—70℃之间加热101天。结果发现其中确有悬浮的小片固体物出现。这似乎是水变成了土的证据。然而,拉瓦锡仔细称量了加热前后水的重量、容器的重量、以及水和容器的总重量,终于查明,水和容器的总重量在加热前后并没有变化,而且密封在瓶中的水的重量也没起变化,只是玻璃容器本身变轻了,而减轻的重量又恰好与固体悬浮物的重量相当。这样,拉瓦锡查明了那些悬浮物来自玻璃容器,从而以坚实的实验数据否定了“水变成土”的错误观点。

“火粒子”学说,是波义耳为解释金属煅烧后重量增加的原因而提出来的。为了检验这一假说,拉瓦锡重复了波义耳在密闭的烧瓶中煅烧金属锡的实验。他与波义耳不同之处在于,在打开烧瓶之前对整个密闭体系进行了称量,结果发现整个体系在加热前后重量没有变化。这就证明波义耳曾经设想的在加热过程中火的微粒透过玻璃壁进入烧瓶内与金属锡结合而增重的观点是错误的。

拉瓦锡还通过对硫和磷等一些物质燃烧现象的定量实验研究,否定了统治化学长达百年之久的“燃素说”,建立了氧化学说,并确立了“质量守恒定律”。

拉瓦锡的定量实验研究,极大地丰富和发展了化学实验方法论。对物质及其变化,不仅要用定性分析方法,而且还必须运用定量分析方法,只有二者的有机结合,才能正确认识物质及其变化在质和量两个方面的性质和规律;化学实验是建立化学理论的基础和检验化学理论的标准。他曾明确指出:“在任何情况下,都应该使我们的推理受到实验的检验,除了通过实验和观察的自然道路去寻求真理以外,别无它途。”①

拉瓦锡的化学实验方法论思想,对化学实验从定性向定量的发展,产生了积极和深远的影响,成为近代化学实验发展史上的重要里程碑。正是在此基础上,近代化学实验才得以蓬勃发展,从而拓展了化学科学研究的领域,导致了许多重要化学理论的建立和发展。

三 化学实验是化学科学理论建立和发展的基础

道尔顿(J.Dalton,1766—1844)原子论就是在化学科学实验的基础上建立起来的。他通过化学实验,研究了许多地区的空气组成,发现各地的空气都是由氧、氮、二氧化碳和水蒸气四种重要物质的无数个微小颗粒(道尔顿称之为“原子”)混合起来的。他进一步分析一氧化碳和二氧化碳、沼气(CH4)和油气(C2H4)的组成,发现前两种气体中氧的重量比为1:2,后两种气体中与同量碳化合的氢的重量比为2:1。这使道尔顿发现了倍比定律。这个实验定律成为他确立化学原子论的重要基石。

1805年,法国化学家盖·吕萨克(J.L.Gay-Lussac,1778—1850)在研究氢气和氧气的化合时发现,100个体积的氧气总是和200个体积的氢气相化合;在进一步研究氨与氯化氢、一氧化碳与氧气、氮气与氢气的化合时,居然发现都具有简单整数比的关系。于是,他于1808年发现了气体化合体积定律。为了对这个实验定律进行理论解释,意大利化学家阿佛加德罗(A.Avo-gadro,1776—1856)引入了“分子”的概念,提出了著名的分子假说。

1824年,年仅24岁的德国化学家维勒(F.Wöhler,1800—1882)做了一个在化学实验发展史上非常著名的实验,即用氯化铵(NH4Cl)水溶液同氰酸银(AgCNO)作用来制取氰酸铵(NH4CNO)。然而,当他滤去氯化银(AgCl)沉淀,并对溶液进行蒸发时,并没有得到所期望的氰酸铵,而得到了一种白色结晶状的物质。为了确定这种白色结晶物,维勒又用了4年的时间,采用不同的无机物和不同的方法,对其进行了一系列的定性和定量实验研究,最后终于完全确认实验中所得到的这种白色结晶状物质,正是动物机体内的代谢产物尿素。1828年,他发表了“论尿素的人工合成”的论文,以雄辩的实验事实公布了这一重大成果。这一实验成果,意义重大,动摇了传统的“生命力论”的基础,开辟了用无机物合成有机化合物的新天地。1845年,德国化学家柯尔柏(H.Kolbe,1818—1884)用木炭、硫黄、氯水等无机物合成了酒精、蚁酸、葡萄酸、苹果酸、柠檬酸、琥珀酸等一系列有机酸,进而还合成了油脂类和糖类物质;到了19世纪后期,有机合成更加蓬勃发展,先后用人工方法合成了染料、香料、药物和炸药等。

维勒不但用氰酸铵人工合成了尿素,而且还分析了氰酸银的化学组成,结果竟与李比希(J.von Liebig,1803—1873)对雷酸银的化学组成的分析结果相当地吻合。而氰酸银和雷酸银确是两种性质不同的化合物。为此,维勒与李比希又共同研究了氰酸、雷酸和三聚氰酸,发现他们的化学组成完全相同,而性质却不相同。化学大师瑞典的贝采里乌斯(J.J.Berzelius,1779—1848)在这些实验事实的基础上,提出了“同分异构”的概念,认为之所以性质不同,是由于它们的化学结构不同。这导致了有机化合物经典结构理论的建立和发展。

1800年,历史上第一个电池——提供稳定、持续电流的电源装置,即伏打(A.Volta,1745—1827)电堆诞生了。它是近代化学实验发展史上非常重要的实验手段之一。应用这种实验手段来引发化学反应,推动了电化学的诞生和发展。1800年3月,英国化学家尼科尔森(W.Nicholson,1753—1815)和卡里斯尔(A.Carlisle,1768—1840)就用电堆电解了水;1807年,英国化学家戴维(H.Davy,1778—1829)又用电解熔融盐的方法制出了金属钠、钾、镁、钙、锶、钡和非金属元素硼和硅。至此,电解法成了一种经常被采用的重要的化学实验方法。戴维的助手法拉第(M.Faraday,1791—1867)对电解过程进行了深入的研究,在他1834年发表的《关于电的实验研究》这篇论文中,提出了著名的“近代化学实验法拉第电解定律”。他的工作,使电化学的研究从定性走向了定量,对电化学的发展作出了重要贡献。

此外,近代化学实验还开辟了化学热力学和化学动力学两大研究领域,推动了物理化学的完善和发展。

四 近代化学实验方法

近代化学实验的蓬勃发展与近代化学实验方法论的发展有着十分密切的关系。在这一时期,人们创立或发展了诸如系统定性分析法、重量分析法、滴定分析法、光谱分析法、电解法等很多经典的化学实验方法。

1.系统定性分析法

系统定性分析法是为了检验矿物质中的微量甚至痕量元素,克服传统的湿法定性检验法和吹管检验法的局限性而被创立的。德国化学家浦法夫(C.H.Pfaff,1773—1852)在他1821年出版的《分析化学教程》中提出了“初步试验”和“分组”的思想。1829年德国化学家罗斯(H.Rose,1795—1864)在他编著的《分析化学教程》中,首次明确地提出和制订了系统定性分析法,但该书内容过繁,条理不够清楚。1841年,德国化学家富里西尼乌斯(C.R.Fre-senius,1818—1897)在他出版的教科书《定性化学分析导论》中对罗斯的系统定性分析法提出了修订方案。这本书内容清晰,颇受欢迎,再版16次,被译成中文、英文出版。他提出的分组法与目前通用的定性分析教科书中所采用的方法基本相同。

2.重量分析法重量分析法在19世纪得到了很大的完善和发展,主要表现在分离和测定方法以及操作技术方面。罗斯在其编著的《分析化学实验综论》一书中提出了很多有效的新的分离方法,尤其是应用了近代化学实验缓冲溶液和配合掩蔽剂,这在分析化学发展中是一项重要的进步。贝采里乌斯是当时最享盛誉的分析化学家,他曾测定了2000多种化合物的化合量,使用了很多新的测定方法、试剂和仪器设备,使定量分析的精确度达到了空前的高度,对定量分析法的完善和发展做出了重大贡献。富里西尼乌斯在其1846年编著的《定量分析教程》中,介绍了灵敏度已达0.1毫克的天平;介绍了各种元素的重量测定方法;解决了一系列复杂的分离问题。他们所运用的分离和测定方法以及操作技术,至今大都仍被采用。

运用这些分析方法,在19世纪人们发现了锆和钛、铍、铀和钍、硒和碲、钼、钨、铬、镉、锗、铌、钽、钒、钌、铑、钯、锇、铱等元素及一些稀土元素。

3.滴定分析法

滴定分析法是在18世纪中叶从法国诞生和发展起来的。它最初的含义只是一种对化工原料及产品的纯度进行简易、快速测定的方法。1729年,法国化学家日夫鲁瓦(C.J.Geoffroy,1685—1752)第一次利用滴定分析的原则,以碳酸钾为基准物,测定了醋酸的相对浓度;1750年,法国化学家文耐尔(G.F.Venel,1723—1775)在滴定实验中运用了指示剂,1767年,英国化学家W.路易斯(W.Lewis,1708—1781)在滴定实验中不仅采用了指示剂,而且还提供了分析的绝对结果,但他测量滴定溶液消耗量的方法采用的则是称重法;法国化学家德克劳西(F.A.H.Descroizilles,1751—1825)较早地在酸碱滴定中采用体积量度,他发明了“碱量计”可以说是最原始的滴定管。随着人工合成指示剂的出现,到了19世纪30—50年代,滴定分析法的发展达到极盛时期,其应用范围显著扩大,准确度大为提高,接近了重量分析法所能达到的程度。在这一时期,盖-吕萨克发明的银量法,大大提高了滴定分析法的信誉;滴定分析法的种类更加繁多,除酸碱中和滴定法外,人们还发明和发展了沉淀滴定法、氧化还原滴定法、络合滴定法等一些具体的滴定方法。到了19世纪50年代,又出现了带有玻璃磨口塞和用剪式夹控制流速的滴定管,使这种方法更趋完善。

4.光谱分析法

光谱分析法是利用光谱线来分析某种元素存在与否的一种方法。它是由德国化学家本生(R.W.Bunsen,1811—1899)和基尔霍夫(G.R.Krichhoff,1824—1887)共同创立的。1855年,本生为克服当时的近代化学实验煤气灯的缺点,发明了著名的“本生灯”。金属及其盐在本生灯火焰中能产生特殊的带有颜色的火焰,据此可以鉴别这些金属。为了使产生的光谱具有更好的观察效果,他们两人合作研制成了分光镜,并用这种新的实验仪器发现了铯、铷等元素。随后人们又用这种方法发现了铊、铟、镓、钪、锗等。

五 近代化学实验的特点

随着欧洲资本主义生产方式的建立和发展,近代化学实验作为一种相对独立的科学实践活动,从生产实践中分化出来,历经两百多年,取得了突飞猛进的发展。

1.明确了化学科学实验的性质、目的和作用

化学实验不再是服务于炼丹术等封建迷信和宗教神学的婢女,不再是从属于观察的附带的东西,而是一种独立的化学科学实践、重要的化学科学认识方法。只有通过化学科学实验,才能达到对物质的本质及其变化规律的正确认识。同古代化学实验相比,近代化学实验已不仅仅是获得化学实验事实的重要途径、手段和方法,而且还具有验证化学假说和检验化学理论、发现和合成新的化学物质、推动化学分支学科建立和发展的作用。

2.建立和发展了化学实验方法论

波义耳和拉瓦锡有关化学实验的思想和主张,对化学实验方法论的建立起到了重要的奠基作用。此后,许多化学家又创立了一系列化学实验方法,丰富和发展了化学实验方法论。正是这些先进的方法论思想,提供了近代化学科学发展的思想条件。

3.发明和研制了较先进的实验仪器和装置

如精密天平、伏打电堆、光谱分析仪、“弹式”量热计、磨口滴定管等等。这些先进的实验仪器和装置把化学科学研究带入了一个又一个崭新的领域,为近代化学科学的发展奠定了先决的物质基础。

(责任编辑:化学自习室)
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