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第17章 贝采里乌斯(1)

瑞典虽然是北欧的一个小国,但是自18世纪以来,不但钢铁和机械工业处于先进行列,而且她的科学事业也十分发达,在近代化学发展过程中,人才辈出。瑞典出生的著名化学家是很多的,例如氧元素的三位发现人之一舍勒;创立电离学说的阿累尼乌斯;以研究炸药而闻名世界的诺贝尔;著名的分析化学家贝格曼、甘恩和布兰特;元素锂的发现人阿尔费德森;发现镍元素的克朗斯塔特;发现钽元素的爱克析格;发明超离心机,为测定和计算蛋白质分子量创造条件的斯维德贝格等。但是19世纪前期最杰出的和成就最大的瑞典化学家贝采里乌斯,他对化学的贡献涉及许多重要领域,例如发现了三种化学元素;改革了化学符号;确定了很多化合物的化学式;测定了大约两千种化合物的化合量;发表了三张原子量表;发现异构现象;创立电化学说;提出催化剂概念。因此,贝采里乌斯被誉为化学大师。

1779年8月20日,贝采里乌斯出生于瑞典哥特兰德省东部的韦斐松答村,父母在他很小的时候就去世了,他自幼由祖父和姨母教养成人,在很困难的情况下完成了中学学业。1796年进入乌普萨拉大学学习医学,1802年获该校医学博士学位。毕业后担任斯德哥尔摩大学助教,1807年被提升为教授,此后,他长时期地在该校从事教学和科学研究。

贝采里乌斯最早研究的课题是分析化学和矿物分类。在今天,我们分析化学中使用的定量滤纸就是贝采里乌斯发明的,他制作了不含可溶性物质的滤纸,能准确地通过滤纸灰分的重量来计算沉淀的重量。他还向甘恩学习吹管分析,这种方法把火焰吹到一些金属氧化物上,氧化物便被熔化和还原为金属,然后根据金属颗粒的特性来鉴别这些金属氧化物及其矿物。

在贝采里乌斯之前,一般都是利用物理性质对矿物进行分类,贝采里乌斯则主张以化学性质为依据进行矿物分类,并写成《矿物学体系》一书。通过对矿物的研究还发现了三种新元素。

在斯德哥尔摩的西北,有一座法龙小镇,镇的周围开采黄铁矿。甘恩在这里开了一家硫酸厂。

当时,生产硫酸的方法都是古老的铅室法,贝采里乌斯在铅室底部发现了一种凝结出来的红色粉末,他用吹管分析法鉴定这种物质时,放出了如同腐败的萝卜一样的臭气,这种气味与用同样的方法鉴定碲(当时,碲已被F.J.缪勒发现)时所产生的气味一样,因此贝采里乌斯把这种红色粉末误认为碲。

法龙镇的黄铁矿中居然含有碲这种稀有元素,确实是一件很吸引人的事,贝采里乌斯决定从中提炼碲。最后,他从红色粉末中提炼出一种褐色物质,它能在空气中燃烧,并发出难闻的臭味。为了证实这种物质是碲,他还利用纯的氧化碲和碲化氢为原料制备出纯碲,进行对比实验。当用吹管分析法鉴定纯碲时,竟然闻不到臭味,这一对比实验不但证明了这种褐色物质不是碲,而且还间接地说明了过去用吹管分析法鉴定的碲不是一种纯碲试样,其中含有一种杂质,在吹管火焰加热时,这种杂质能发出难闻的臭味。这样,贝采里乌斯确认自己已经发现了一种新元素,它的性质介于硫和碲之间,他将这种新元素命名为Selenium(中译名为硒),含义是月亮(selene),表示这种元素的性质与碲相似,因为碲的英文名称是Tellurium,含义是地球。这是发生在1818年的事情。

硅作为地壳的基本组成元素,早就为人们所熟悉,因为大家处处可以碰到含硅的土壤、沙子、矿物。但是要制得单质硅却不是一件容易的事。化学家戴维虽然相信硅土(二氧化硅)不是一种元素,但是,即使利用强大的电池也难以将硅土分解,他还将钾蒸气通过红热的硅土,也未获得单质硅。盖·吕萨克和泰纳用金属钾还原四氟化硅,也只得到一种红褐色的很不纯的单质硅。贝采里乌斯重复了他们二人的实验,并用水对不纯的硅进行长时间的洗涤,终于将其中的杂质氟硅酸钾洗掉,得到了纯净的单质硅。接着他又用金属钾与氟硅酸钾的反应制得了单质硅,这是发生在1823年的事情。

在同一年,贝采里乌斯指出:锆可以用相同的方法制取。他将金属钾与氟锆酸钾的混合物放在铁管中,将管口密闭,然后放在坩埚中加热。反应完毕后,放置冷却,最后将管中的黑色粉末倾入蒸馏水中,就得到了金属锆的粉末。

铈是从瑞典柏斯耐斯铁矿山所产的一种比重极高的被称为“柏斯耐斯重石”的矿石中发现的。舍勒曾经分析过这种矿石,但他认为其中不含新金属。1803年贝采里乌斯、M.H.克拉普罗特和希辛格分析了这种矿石,从中发现了氧化亚铈和氧化高铈,他们将这种元素命名为Cerium(中译名为铈),但是他们并未制得金属铈。一直到几十年后希尔德布兰德和诺顿才用电解熔融的氯化亚铈制得了块状的金属铈。

至于钍的发现,贝采里乌斯曾经走过一段弯路,早在1815年他分析法龙镇所产的一种矿物时,曾发现了一种新的化合物,他认为这是一种新金属的氧化物。为了纪念古代北欧的雷神(Thor),他把这种金属命名为Thorium。到了1825年,他又进行了仔细的研究,发现这种新的化合物原来是磷酸钇,从而否定了自己在1815年作出的结论。又过了三年,他把金属钾和氟钍酸钾的混合物放在玻璃管中加热,制得了不纯的钍,才算真正发现了钍。

贝采里乌斯对化学的一大贡献是创造了一套用拉丁文字母表示的元素符号。在他以前,用符号来表示元素和化合物已经有相当长的历史了。古代的人们只知道金、银、铜、铁、锡、铅、汞七种金属和为数不多的元素,如硫、砷、锑、碳。由于古代的化学研究与占星学之间有一定的联系,所以古人就用行星的形象来表示这些金属。用太阳的符号表示金;用新月表示银;用金星表示铜;用火星表示铁;用木星表示锡;用土星表示铅;用水星表示汞。

一直到了道尔顿时代,化学符号仍然没有跳出象形文字的圈子,例如道尔顿就采用圆圈或在圆圈内标出拉丁文字母的方法表示元素的符号。

道尔顿把上述基本的元素符号组合起来,就组成了各种化合物的符号:不难看出,道尔顿的化学符号写起来是很不方便的,例如为了表达明矾的分子式,就要用下面这样庞大的形式:综合上述原因,贝采里乌斯对化学符号进行了改革。他所创造的符号比较简单,不用那么多的几何图形,而是取元素拉丁文名称的起首大写字母作为该元素的符号。如果几种元素的拉丁文名称的起首字母相同,则要加上另外一个小写字母以示区别。他在谈到这种表示方法的目的和特点时说:“这种新的化学符号是为了用作实验室中药品容器的标签而创造的,这是唯一的简明地表示药品的化学组成的方式。如果我们用文字和词汇来表达一个化合物,往往需要写一行字,但是使用化学符号则要简短得多,而且可以达到一目了然的效果。”他还用幂数(指数)的形式来表示化合物中元素的数目,例如SO2、P2O5。他的表示方法与我们现今所采用的方法的差别只在于他将阿拉伯数字放在右上角,而现在通用的符号是把数字放在右下角。但是直到现在,有些法国化学书上仍然把数字放在右上角。

现在看起来,贝采里乌斯对化学符号的改革对于化学的发展的确起过不小的作用。直到现在,每一个学习和研究化学的人都仍然在使用100多年以前创造的化学符号。

在贝采里乌斯的一生中,最费时间和精力的研究莫过于原子量测定。他确定了许多化合物的化学式,并且制备和提纯了试剂,设计了重量分析法,分析了2000种左右的化合物,测定了这些化合物中各种元素的化合量,即化合物中各种元素的重量组成关系,它是贝采里乌斯时代测定原子量的实验依据。

有了化合量,再制订出原子量标准,然后根据化合物的化学式,就可以计算出原子量,这就是原子量测定的全过程。化合量的测定工作虽然要求严格,工作量也很大,但只要有一定的实验技术和仪器,肯定能够得到结果。所以,测定原子量中最难解决的一个问题是如何确定化合物的化学式,即在某一种化合物中,各种元素是以什么比例互相化合的。

道尔顿确定化学式的前提是:“如果两种元素A和B,其化合的次序如下:1个A原子与1个B原子相结合,形成二元化合物。

1个A原子与2个B原子相结合,形成三元化合物。

2个A原子与1个B原子相结合,形成三元化合物。

……以此类推。

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