把化學確立為科學的波義耳

文章編號：1005－6629(2010)11－0054－04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

“元素”概念如同“原子”概念一樣古老而又現實；對于化學來說，元素概念和原子概念同等重要，它們都是化學的基本概念。如果說，原子概念的產生及其演變是表征人們對宇宙萬物結構的尋秘；那么，元素概念的產生及其演變則是反映了人們對宇宙萬物組成的探索。在這個探索歷程中，英國物理學家、化學家波義耳作出了重大的貢獻。

羅伯特·波義耳(Robert Boyle， 1627-1691)生活在英國資產階級革命時代，也是近代科學開始發展的年代。他是第一個明確闡述化學元素本性的科學家，他又是一位杰出的實驗物理學家和實驗化學家。他在前人的基礎上研究氣體的體積和壓力的關系，總結出了物理學的基本定律之一——波義耳定律。波義耳一生做過很多的化學實驗，是第一個發明指示劑的化學家，并首先為酸、堿下了明確的定義。他還是定性分析化學的先驅，創造了多種定性檢驗鹽類的方法。由此可見，波義耳是十七世紀極具成就的化學家和近代化學的奠基人之一。

1對化學元素本性的明確闡述

化學最早是以煉金術的原始形式出現，到了16-17世紀化學開始擺脫了煉金術的束縛，醫藥化學和冶金化學隨之興起。瑞士醫生帕拉塞斯是醫藥化學的代表人物，他用化學方法制成藥劑(主要是無機化合物)來治病。醫藥化學派的主要觀點是：化學研究的目的不是煉金術中的點石成金，而應當是制藥。冶金化學的代表人物是德國冶金學家阿格里柯拉，他不像煉金術士那樣只追求一種金屬——黃金，而是廣泛地研究各種礦物的特征以及選礦、礦物分析和冶煉的方法。冶金化學派強調化學的目的是提煉有實用價值的金屬。

由此可見，波義耳當時所處的時代是化學處于從屬于醫學和冶金學的地位，還沒有成為一門獨立的科學。波義耳理性地思考了他所面對的化學現狀，并結合親身的實踐，認識到化學應該有其自身的研究目的，而不是醫學和冶金學的從屬物，化學應該尋求自身的解放。在1661年出版的《懷疑派化學家》一書中，波義耳明確指出：“化學家們至今仍然遵循著過分狹窄的原則，這些原則不要求化學家具有廣闊的視野，而只把制藥和提取金屬作為自己的任務。我則完全從另外一種觀點來看待化學；我既不是一位醫生，也不是冶金家，而是從哲學家的觀點來研究化學。”

在波義耳看來，化學應當把世界萬物的本原——元素，作為自身的研究對象。誠然，“元素”觀念的提出可以追溯到遙遠的古代。但是，對化學概念的元素作出比較科學的闡述應當從波義耳算起。為什么這樣說呢？同樣，可以在《懷疑派化學家》一書中找到答案。波義耳明確指出：“我所指的元素，就是那些化學家講得非常明白的要素，兩者意思相同，也就是指某種原始的、簡單的，一點也沒有摻雜的物體。元素不能用任何其他物體造成，也不能彼此相互造成。元素是直接合成所謂完全混合物的成分，也是完全混合物最終分解成的要素。”在這里，元素就是要素，而“完全混合物”，波義耳是指與機械混合物不同的化合物。由此可見，波義耳把元素看作是物質分解的限度，同時又是組成物質的基本成分。從此，人們區別單質(元素)、化合物及混合物有了一個比較科學的標準，化學的研究和發展開始復歸到了它真正的出發點。

波義耳這種對化學元素本性的明確闡述，就其思想實質而言，是對古代元素觀念的繼承和發展。古代元素觀認為，元素是構成萬物的基礎、始原、原初物質，并把可感覺的實物或性質(例如水、火、土、氣或冷、熱、干、濕等)看作這種本原；萬物由其產生，萬物又復歸為它。波義耳把元素看作組成化合物的基本成分、簡單物體；化合物由它組成，化合物又分解為它。在這點上，波義耳的元素概念和古代元素觀的思想是相通的。同時，波義耳的元素概念又不同于古代元素觀，在思想內涵上有發展、有創新。這種發展與創新主要表現在關于元素的質和量兩個方面。

在質的方面：波義耳所指的“元素”，不是性質或性質的載體，而是簡單物質或簡單物體，這種物質(作為元素的物質)是分解的限度。在這里，波義耳把不可分解性和簡單性視為元素的屬性；而且，他還將元素與化合物相對立、相聯系。而古代元素觀只是指出元素是萬物的本原，它或是某種具體的實物或是某種原始的性質，僅此而已。

在量的方面：古代元素觀認為，元素或是一種或多種(例如四元素說、三要素說等)，都是那些人們已知的東西。擺在人們面前的任務不是去發現元素，而主要是用元素觀念解釋遇到的現象。而波義耳的元素概念則蘊含著這樣的思想——凡不能分解、組成其他物體而不由其他物體組成的就是元素。因此，沒有預設或規定自然界究竟存在有多少種元素，而應當去發現元素、去探求哪些物質是簡單的、構成其他物質的基本成分，哪些物質是元素。從這點上說，波義耳對元素本性的闡述具有方法論上的指導意義。

總之，波義耳作為第一個明確闡述化學元素本性的科學家，既反對把化學歸結為煉金術，也不同意把化學附屬于醫藥學和冶金。他認為化學應把元素及其化合物作為化學研究的對象，化學應當為自身的目的去進行研究，即研究物質的組成及其化學變化。可以認為，波義耳的這種對化學元素本性的理性思考和科學闡述，是對化學自身發展的一種思想上的解放。從此，化學開始從煉金術的桎梏和醫藥學的附庸下獨立出來，逐步發展成為一門科學。

2把嚴密的實驗方法引入化學研究

羅伯特·波義耳出身于愛爾蘭的貴族世家，在國內外受過良好教育。在中學時期，他除了閱讀傳統的圖書和學習實用數學外，還對選擇自然科學方面的新課程(例如天文學和物理學)表現出了濃厚的興趣。后來因戰亂，波義耳的家道開始中落，他轉而學習醫學和農業。在學習醫學的過程中，他接觸了化學知識和化學實驗，制備了多種藥品。這些實踐活動使波義耳很快成為一名訓練有素的實驗化學家。1641-1643年間，他還去法國、意大利、瑞士等國游學考察，期間他閱讀了大量英文、法文、拉丁文方面的化學著作和其他科學論著。1646-1647年間，波義耳在倫敦加入了名為無形學院的俱樂部。這是個創始于1644-1645年間的自然科學愛好者的民間組織。每周集會一次，座談新興的自然科學問題。無形學院的會員大多數是眾多領域的業余科學家。活動期間，會員們集思廣益、相互啟迪，經常碰撞出智慧的火花。無形學院后來在1662年被官方正式命名為“英國皇家學會”。1680年波義耳被選為皇家學會主席，但他謝絕就職。

以上這些豐富的閱歷和文化薰陶，培育了波義耳，使他成為富有創造能力的科學思想家。他通過周密思考和實驗活動，相信化學應該是一門重要的理性科學，而不僅僅是一種實用的工藝(當時指制藥和冶金)，更不是那種空想的玄學(系指煉金術)。波義耳一生都在為實踐自己的這些觀點而努力奮斗。他雖然是一位貴族，但是從不重視這種世襲的榮譽。他對貴族們的社交活動不感興趣，卻愛好在寧靜的環境中專心科學研究，在他的家庭實驗室里從事科學觀察和實驗活動。波義耳認為，只有觀察和實驗才是形成科學思想的基礎。科學上不存在憑空產生的假說，只有通過觀察物質的性質和行為才能產生合理的結論。他還說過：“不應該把理性放在高于一切的位置，知識應該從實驗中來；實驗是最好的老師，空談和舌辯都無濟于事。”波義耳主張研究化學，首先要引入嚴密的和科學的實驗方法。

波義耳一生做過的實驗眾多，并在論文中對實驗方法及其結果的描述極其詳盡，這在同時代的科學家中是絕無盡有的。正是在這種嚴密而又科學的實驗基礎之上，波義耳卓有成效地在多個領域開拓前進：對于氣體及其性質的研究；關于產生火、熱、光等現象的本質的探討；對酸、堿和指示劑的研究；對磷光現象及多種分析方法的研究。他還通過細心的觀察總結出了波義耳定律。此外，他還對冶金、 醫學、 化學藥品、染料及玻璃的制造及應用作出過貢獻。

以下，我們擇其在兩個重要領域的貢獻，介紹如下：

2.1指示劑的發明

波義耳對于化學反應中的顏色變化善于觀察、頗感興趣。他是第一位把各種天然植物的汁液用作指示劑的化學家。他在《顏色的實驗和觀察》、《礦泉的博物學考察》等書中，描述了產生顏色變化的方法以及怎樣利用植物的汁液做指示劑以顯示這類顏色的變化過程。例如，“用上好的紫羅蘭的漿汁(即由這種花浸漬出來的染料液)，滴在一張白紙上，再在上面滴2-3滴酒精。當醋或其他的酸液滴在這種浸有植物漿汁和酒精的混合物的紙上時，就會發現植物的漿汁立即從藍色轉變成紅色。運用這種方法的優點在于：在做實驗時只需使用少量的植物漿汁，就能使顏色的變化十分明顯。”波義耳使用過的植物的種類很多，例如有紫羅蘭、玉米花、玫瑰花、蘇木(即巴西木)、櫻花、洋紅和石蕊等。在這些指示劑中，有的被配成溶液，有的被做成試紙的形式。令人嘆為觀止的是，波義耳的這些發明的生命力如此長久，以致我們現在還在經常使用這種古老的方法，例如石蕊試紙。

波義耳還發現指示劑的顏色變化可以有效地用來檢驗酸和堿。幾乎所有的酸都能使某些藍色的果汁變成紫紅色，沒有這種顯色功能的物質就不是酸；同樣，所有的堿都能將果汁的紅色轉變成藍色。進一步利用這些性質，還能測定酸和堿的相對強度。酸、堿除了能使指示劑變色外，波義耳還指出：酸具有特有的酸味，并是一種強有力的溶劑；堿則具有滑膩的感覺和除垢的性質，且能溶解油類和硫黃，還具有與酸對抗和破壞酸的能力。可以說，波義耳首次對酸、堿的性質作出了明確的表述，并以此對酸、堿下了明確的定義。

此外，波義耳還發現，可以用火焰、氣體、沉淀的顏色來檢驗某些物質，尤其是鹽類。例如，銅鹽使火焰帶綠色，硝酸或鹽酸和氨產生白煙，鈣鹽和硫酸生成白色沉淀以及銀鹽可被氯化物沉淀出來等等。總之，這一系列的發現與發明，使波義耳成為定性分析化學的先驅。

2.2波義耳定律的發現

波義耳研究得最詳細的對象是空氣(或氣體)，無論是對空氣的物理性質，還是對空氣的化學性質，他都有開創性的見解。其中以發現氣體的彈性(即可壓縮性)最為有名。波義耳的發現始于“空氣有壓力”這一實驗事實。據歷史記載，1643年意大利數學家托里斥利(E.Torricelli)做了一個著名的玻璃管內水銀汞柱的實驗，發現玻璃管中水銀面上的“托里斥利真空”，進而提出“空氣具有壓力”的論斷。1654年，德國馬德堡市長葛利克制成了空氣壓縮機，可以將容器抽成真空，人們獲得了研究氣體的有力工具。

1662年，波義耳基于托里斥利實驗，借助空氣壓縮機開始對空氣壓縮性，即對“空氣的壓力與體積的關系”進行定量的實驗研究。結果發現了以他的名字命名的定律：“氣體的體積與壓力成反比”。波義耳在壓強大于大氣壓和壓強小于大氣壓兩種情形下都用實驗證明了這個定律。在前一情形中用的是有名的、盛有水銀的U形管，后一情形中用的是一個直形的盛有水銀的玻璃管，它可以立于水銀槽上，上端界定一些空氣。1679年法國物理學家馬略特也發表論文，獨立表述了這一定量關系。后人就把這一定律稱為“波義耳-馬略特定律。”

波義耳還研究過空氣的其他性質，而引起化學工作者興趣的則是他對燃燒和空氣性質關系的早期研究。波義耳曾做過一系列的燃燒實驗，對物質在空氣中的燃燒現象進行關注和探求。例如，他在《關于火焰與空氣的關系的新實驗》一文中敘述了以下實驗情況：在一個抽掉空氣的容器中，將硫黃灑在一塊紅熱鐵板上，硫黃只會冒煙而不能著火，但在有空氣的容器中硫黃能燃燒產生藍色火焰。他還從蠟燭以及氫氣的燃燒現象觀察中同樣發現：燃燒不能沒有空氣。

又如，他在《用太陽光燃燒在真空中的火藥的嘗試》一文中描述了一種奇妙景象：火藥和硫不同，在抽掉空氣的容器中火藥是能夠燃燒的。而且火藥還能在水面下(隔絕空氣)燃燒，起初，波義耳懷疑在制造火藥的硝石中混進了空氣，后來他將硝石放在真空中進行重結晶，但用這種方法處理過的硝石制成的火藥品，仍然能在真空中和水面下燃燒。由此，波義耳認為火藥品中含有與空氣性質相仿的“活化蒸氣”(后被英國化學家普里斯特列發現并被稱為氧氣)。同時，他得出結論：同硝石混和的物質，甚至在沒有空氣的地方也能燃燒。

此外，波義耳還在《使火焰穩定并可稱重量的新實驗》一文中，仔細描述了在空氣中焙燒金屬錫的過程。實驗是在曲頸甑中進行，各個操作環節均用天平稱重。結果發現金屬(錫)焙燒后的重量增加。——這一金屬焙燒增重現象的發現孕育著：金屬在空氣中燃燒并和空氣中某一部分結合，最終導致氧氣發現的契機。遺憾的是波義耳忽略了由他的實驗方法導致的部分空氣的吸收，并作出了錯誤的判斷：認為金屬焙燒增重是由于燃燒時產生的“火粒子”(或火素)穿過玻璃后被金屬吸收所致。

最后，對波義耳的實驗方法內容作以下補充，我們認為是必要的。那就是，作為杰出的實驗物理學家和實驗化學家，波義耳的一生不僅設計了多種富有創新思想的實驗方案，并付之實施。而且還改進了許多當時先進而又常用的儀器。例如，他運用空氣壓縮機改進了減壓蒸餾以及進行這個過程的裝置，可用于許多減壓作用的實驗。這對促進化學工作者對有機化合物性質和制備的研究是十分重要的。

綜上所述，波義耳在理論與實驗的結合上，使得化學走上了研究物質自身的正確道路。正是在這個意義上可以說，波義耳把化學開始確立為科學。

參考文獻：

[1][英]J.R.柏廷頓.《化學簡史》，北京：商務印書館.1979.5.

[2]張嘉同.《化學基本概念的演變》.太原：山西教育出版社，1998.1.1

[3]袁翰青，應禮文.《化學重要史實》.北京：人民教育出版社，1989.6.1.