貝采裏烏斯是瑞典著名化學家,維勒在瑞典留學期間,他曾作過維勒的導師,對維勒的影響很大,二人感情頗深。維勒回國後,經常把自己的研究實驗情況向貝采裏烏斯報告,有問題也經常向他請教。
維勒這次向老師報告,一是介紹他的新發現,二是想通過他的發現使老師放棄“生命力論”的主張。誰知當時的化學權威貝采裏烏斯卻死抱住“生命力論”不放,根本不相信維勒的發現。
“哼!這個毛孩子,素來做實驗就粗心,跟我上學的時候,因為這毛病還挨過我的批評,今天竟然拿什麼‘實驗結果’來向我炫耀,他能做出什麼可信的實驗結果?他這麼狂妄,還想來教訓我,眼裏還有我這個老師嗎?”貝采裏烏斯一邊讀著信,一邊想,越想越生氣。他猛一揮手,不小心把桌上的一個精致的中國瓷杯打翻在地,“咣當”一聲,摔個粉碎,杯裏的水撒了貝采裏烏斯一身。
貝采裏烏斯拿起筆給維勒寫信,於是,化學論戰在師生間展開了。
貝采裏烏斯在信中訓斥維勒不尊敬老師,不尊重他這個“生命力論”的開山祖師,他氣憤地質問維勒:“你忘了我對膽汁、血液、排泄物所作的許多實驗?你忘了在實驗中那些有機物是從哪裏取來的?不靠生命力,這些有機物能形成嗎?你說你在實驗室裏用無機物製造出了有機物尿素,你大概在實驗室裏還能夠製造出一個小孩來吧?”
維勒讀了貝采裏烏斯的信很難過,一片好心遭到了誤解,怎麼不使他傷心呢?
一陣傷心與激動過去,維勒冷靜下來。他想,“老師發火了,怎麼辦?
放棄我的觀點嗎?那是千真萬確的實驗結果,是真理,怎麼能在維護真理麵前退縮?唉,尊敬的老師,我不是有意要掃你的麵子呀!”他又提筆給老師寫信,並進一步解釋了他的做法,可是,貝采裏烏斯堅決反對維勒的觀點。
是的,生命力論者把有機物質神秘化,使有機化合物和無機化合物之間,人為地製造了一條不可逾越的界限。所以,維勒的科學發現不僅遭到許多“生命力論”者的反對,也遭到了老師的痛擊。這場論戰一直持續了十幾年。然而,維勒堅定地站在科學的立場上,始終沒有放棄他的觀點,他認為:既然一種有機化合物可以在實驗室裏合成出來,那麼別的一些有機化合物也必然可以在實驗室裏合成出來!這裏麵根本不需要什麼“生命力”!對“生命力論”進行堅決挑戰。最後,醋酸、脂肪、糖……這些有機化合物都一個一個地在實驗室中被人用無機化合物合成了,“生命力論”終於像肥皂泡似的破滅,禁錮人們思想的桎梏被打碎,一個嶄新的有機化學時代開始了。遺憾的是,貝采裏烏斯沒能看到“生命力論”的下場,就離開了人世。
度假村的雲霧1894年秋天,英國物理學家威爾遜到蘇格蘭的山區度假。清晨,威爾遜站在山頂望著噴薄而出的紅日和山間變幻莫測的雲霧,不禁心曠神怡、浮想聯翩。他看著、想著,突然心裏一動:“這麼美麗的雲霧是怎樣形成的?人類可不可以造出雲霧來?”
威爾遜在世界著名的物理實驗中心卡文迪許實驗室工作。這裏具有世界一流的科學家和儀器設備。度假歸來後,威爾遜進入實驗室,開始探索雲霧的秘密。
經過長期的研究,威爾遜發現雲霧的形成需要兩個條件。其一,得使潮濕的空氣處於飽和狀態。其二,空氣要很“髒”,而且越“髒”越好。
因為“髒”空氣裏含有大量灰塵,灰塵上麵聚集著一些電荷,電荷則把飽和空氣中的水汽凝成小水珠———霧滴。
發現了雲霧形成的原理,威爾遜進一步想,能不能利用這個發現做些對科學有用的事呢?理論上講,在一隻幹淨的瓶子裏形成了過飽和的空氣,如果一個肉眼看不到的帶電微粒闖進去,那麼在帶電微粒周圍會立即凝結成一串串霧點,而且這些霧點隨著微粒運動形成一條徑跡,顯示帶電粒子經過的路線。若真能實現這個過程,那無疑對基本粒子的研究具有重大意義。
威爾遜繼續探索著,經過艱苦的努力實現了上述理想,發明了“雲霧室”。利用雲霧室,人們看到了過去隻能猜測而無法見到的原子核反應過程,了解到原子核的一些衰變現象,發現許多基本粒子。為了紀念威爾遜的功績,科學家們給這種儀器起了個名字———威爾遜雲霧室。威爾遜也因為發明雲霧室榮獲了1927年諾貝爾物理學獎金。
能否像在原子核裏點燃普照全球的熊熊烈焰呢?哈恩沒料到,斯特拉斯曼沒料到,邁特納也未料到。然而,哈恩和斯特拉斯曼發現了!邁特納接受了這一新發現,並由此確立核裂變的理論。從而使科學進入到一個嶄新的階段,“核裂變反應”進入化學王國。
十幾年後,一位身臨其境的物理學家,在費米的葬禮中遺憾地說,“上帝按照自己不可思議的動機,使我們當時在核分裂現象上成為盲人”。
氨氣的發現曆程18世紀20年代後期,英國的牧師、化學家哈爾斯,用氯化銨與石灰的混合物在以水封閉的曲頸瓶中加熱,隻見水被吸入瓶中而不見氣體放出。18世紀70年代中期,化學家普利斯德裏重做這個實驗,采用汞代替水來密閉曲頸瓶,製得了堿空氣(氨)。
19世紀末,法國化學家勒夏特利是最先研究氫氣和氮氣在高壓下直接合成氨的反應。很可惜,由於他所用的氫氣和氮氣的混合物中混進了空氣,在實驗過程中發生了爆炸。
雖然在合成氨的研究中遇到的困難不少,但是,德國的物理學家、化工專家哈伯和他的學生勒·羅塞格諾爾仍然堅持係統的研究。起初他們想在常溫下使氨和氫反應,但沒有氨氣產生。他們又在氮、氫混合氣中通以電火花,隻生成了極少量的氨氣,而且耗電量很大,後來才把注意力集中在高壓這個問題上,他們認為高溫高壓是最有可能實現合成反應的。
但什麼樣的高溫和高壓條件為最佳?什麼樣的催化劑為最好?這還必須花大力氣進行探索。以鍥而不舍的精神,經過不斷的實驗和計算,哈伯終於在20世紀初取得了鼓舞人心的成果。這就是在600℃的高溫、200個大氣壓和以鋨為催化劑的條件下,能得到產率約為8%的合成氨。8%的轉化率不算高,當然會影響生產的經濟效益。哈伯知道合成氨反應不可能達到像硫酸生產那麼高的轉化率,在硫酸生產中二氧化硫氧化反應的轉化率幾乎接近於100%。怎麼辦?哈伯認為若能使反應氣體在高壓下循環加工,並從這個循環中不斷地把反應生成的氨分離出來,則這個工藝過程是可行的,於是他成功地設計了原料氣的循環工藝。這就是合成氨的哈伯法。
哈伯把他們取得的成果介紹給他的同行和巴更苯胺純堿公司,並在他的實驗室做了示範表演。盡管反應設備事先做了細致的準備工作,可是實驗開始不久,有一個密封處經受不住內部的壓力,於是混合氣體立即衝了出來,發出驚人的呼嘯聲。
他們立即把損壞的地方修好,又進行幾小時的反應後,公司的經理和化工專家們親眼看見清澈透明的液氨從分離器的旋塞裏一滴滴地流了出來。但是,實驗開始時發生的現象確實是一個嚴重的警告,說明再設計這套裝置,必須采取各種措施,以避免不幸事故發生。哈伯的那套裝置,在示範表演後的第二天發生了爆炸。整個設備頃刻之間變成一堆七歪八扭的爛鐵。隨後,剛剛安裝好的盛著催化劑鋨的圓柱裝置也爆炸了。這時金屬鋨粉遇到空氣又燃燒起來,結果,把積存備用的價值極貴的金屬鋨幾乎全部變成了沒有多大用處的氧化鋨。
盡管連續出了一些爆炸事故,但巴登公司的經理布隆克和專家們還是一致認為這種合成氨方法具有很高的經濟價值。於是該公司不惜耗巨資,還投入強大的技術力量,並委任德國化學工程專家波施將哈伯研究的成果設計付諸生產。波施花了整整5年的時間主要做了兩項工作。
第一,從大量的金屬和它們的化合物中篩選出合成氨反應的最適合的催化劑。在這項研究中波施和他的同事做了兩萬多次實驗,才肯定由鐵和堿金屬的化合組的體係是合成氨生產最有效、最實用的催化劑,用以代替哈伯所用的鋨和鈾。第二,建造了能夠耐高溫和高壓的合成氨裝置。最初,他采用外部加熱的合成塔,但是反應連續幾小時後,鋼中的碳與氨發生反應而變脆,合成塔很快地報廢了。後來,他就將合成塔襯以低碳鋼,使合成塔能夠耐氫氣的腐蝕。解決了原料氣氮和氫的提純以及從未轉化完全的氣體中分離出氨等技術問題。經波施等化工專家的努力,終於設計成了能長期使用的操作合成氨裝置。
哈伯合成氨的第二年,巴登苯胺純堿公司建立了世界上第一座合成氨試驗工廠,三年後建立了大工業規模的合成氨工廠。合成氨生產方法的創立不僅開辟了獲取固定氮的途徑,更重要的是這一生產工藝的實現對整個化學工藝的發展產生了重大的影響。合成氨的研究來自正確的理論指導,反過來合成氨生產工藝的研究又推動了科學理論的發展。
1914年世界大戰爆發,民族沙文主義所煽起的盲目的愛國熱情將哈伯深深地卷入戰爭的漩渦。他所領導的實驗室成了為戰爭服務的重要軍事機構,哈伯承擔了戰爭所需的材料的供應和研製工作,特別在研製戰爭毒氣方麵。他曾錯誤地認為,毒氣進攻乃是一種結束戰爭、縮短戰爭時間的好辦法,從而擔任了大戰中德國施行毒氣戰的科學負責人。
根據哈伯的建議,德軍把裝盛氧氣的鋼瓶放在陣地前沿施放,借助風力把氯氣吹向敵陣。第一次野外試驗獲得成功。接著,在德軍發動的伊普雷戰役中,在6公裏寬的前沿陣地上,德軍5分鍾內施放了180噸氯氣,約一人高的黃綠色毒氣借著風勢沿地麵衝向英法陣地(氯氣比重較空氣大,故沉在下層,沿著地麵移動),進入戰壕並滯留下來。這股毒浪使英法軍隊感到鼻腔、咽喉疼痛,隨後有些人窒息而死。英法士兵被嚇得驚慌失措,四散奔逃。據估計,英法軍隊約有15000人中毒。這是軍事史上第一次大規模使用殺傷性毒劑的現代化學戰的開始。毒氣所造成的傷亡,連德國當局都沒有估計到。然而使用毒氣進行化學戰,在歐洲各國遭到人民的一致譴責。哈伯也因此在精神上受到很大的震動,戰爭結束不久,他害怕被當作戰犯而逃到鄉下約半年。
戰後,哈伯莊嚴地聲明:“40多年來,我一直是以知識和品德為標準去選擇我的合作者,而不是考慮他們的國籍和民族,在我的餘生,要我改變認為是如此完好的方法,則是我無法做到的。”科技的發明對人類而言,永遠都是把雙刃劍。用得好,會為人類的發展做出貢獻。用不好,則會帶來難以想象的後果。發明化學毒氣不是化學家的錯,而是被戰爭集團利用的結果。因此,化學武器在戰場上的運用與化學家沒有必然的聯係,這也不是哈伯的錯。
一波三折的“空氣”發現18世紀70年代初,盧瑟福在密閉容器中燃燒磷,除去尋常空氣中可助燃和可供動物呼吸的氣體,對剩下的氣體進行了研究,發現這種氣體不被堿液吸收,不能維持生命和具有可以滅火的性質,因此他把這種氣體叫做“濁氣”或“毒氣”。同年英國化學家普利斯特裏也了解到木炭在密閉於水上的空氣中燃燒時,能使1/5的空氣變為碳酸氣,用石灰水吸收後,剩下的氣體,不助燃也不助呼吸。
18世紀70年代中期,普利斯特裏利用一個直徑為一英尺的聚光鏡來加熱各種物質,看看它們是否會分解放出氣體,他還用汞槽來收集產生的氣體,以便研究它們的性質。那年,他如法加熱汞煆灰(即氧化汞),發現蠟燭在分解出的“空氣”中燃燒,放出更為光亮的火焰,他又將老鼠放在這種氣體中,發現老鼠比在同體積的尋常空氣中活的時間約長了4倍。
可以說,普利斯特裏發現了氧。遺憾的是他和盧瑟福等都堅信當時的“燃素說”,從而錯誤地認為:這種氣體不含燃素,所以有特別強的吸收燃素的能力,因而能夠助燃,當時他把氧氣稱之為“脫燃素空氣”,把氮氣稱之為“被燃素飽和了的空氣”。
事實上,瑞典化學家舍勒在盧瑟福和普利斯特裏研究氮氣的同時,也在從事這一研究,他可算是第一個認為氮是空氣成分之一的人。他用硝酸鹽(硝酸鉀和硝酸鎂)、氧化物(氧化汞)加熱,製得“火氣”,並用實驗證明空氣中也存在“火氣”。
綜上所述,可見舍勒和普利斯特裏雖然都獨立地發現並製得氧氣,但普利斯特裏卻與成功失之交臂。
法國化學家拉瓦錫較早地運用天平作為研究化學的工具,在實驗過程中重視化學反應中物質質量的變化。當他知道了普利斯特裏從氧化汞中製取氧氣(當時稱之為脫燃素空氣)的方法後,就做了一個研究空氣成分的實驗。在試驗中,他擺脫了傳統的錯誤理論燃素說的束縛,尊重事實,做了科學的分析和判斷,揭示了燃燒是物質跟空氣裏的氧氣發生了反應,指出物質裏根本不存在一種所謂燃素的特殊東西。
18世紀70年代後期,拉瓦錫在接受其他化學家見解的基礎上,認識到空氣是兩種氣體的混合物,一種是能助燃,有助於呼吸的氣體,並把它命名為“氧”,意思是“成酸的元素”;另一種是不助燃、無助於生命的氣體,命名為氮,意思是“不能維持生命”。
18世紀80年代中期,英國化學家卡文迪許用電火花使空氣中氮氣跟氧氣化合,並繼續加入氧氣,使氮氣變成氮的氧化物,然後用堿液吸收而除去,剩餘的氧氣用紅熱的銅除去,但至終仍殘餘有1%的氣體不跟氧氣化合,當時就認為可能是一種新的氣體,但這種見解卻沒有受到化學家們應有的重視。
百餘年後,英國物理學家瑞利於19世紀末發現從含氮的化合物中製得的氮氣每升重12505克,而從空氣中分離出來的氮氣在相同情況下每升重12572克,雖然兩者之差隻有幾毫克,但已超出了實驗誤差範圍,所以他懷疑空氣中的氮氣中一定含有尚未被發現的較重的氣體。瑞利沿用卡文迪許的放電方法從空氣中除去氧和氮;英國化學家拉姆塞把已經除掉二氧化碳、水和氧氣的空氣通過灼熱的鎂以吸收其中的氮氣,他們二人的實驗都得到一些殘餘的氣體,經過多方麵試驗斷定它是一種極不活潑的新元素,定名為氬,原文是不活動的意思。
19世紀60年代末的一天,在印度發生了日全食。法國天文學家嚴森從分光鏡中發現太陽光譜中有一條跟鈉D線不在同一位置上的黃線,這條光譜線是當時尚未知道的新元素所產生的。當時預定了這種元素的存在,並定名為氦(氦是拉丁文的譯音,原意是“太陽”)。地球上的氦是19世紀90年代中期,從鈾酸鹽的礦物和其他鈾礦處中被發現的。後來,人們在大氣裏、水裏,以至隕石和宇宙射線裏也發現了氦。
接著,拉姆塞又在液態空氣蒸發後的殘餘物裏,先後發現了氪(拉丁文原意是“隱藏的”)、氖(拉丁文原意是“新的”)和氙(拉丁文原意是“生疏的”)。
19世紀的最後一年,德國物理學教授道恩在含鐳的礦物中發現了一種具有放射性的氣體,稱為氡(拉丁文原意是“射氣”)。