元素定义的创立

元素定义的创立

十七世纪，在爱尔兰的斯莫尔桥有一座楼房，一层是宽敞的大厅和藏书丰富的图书室，二层是卧室。马车夫每个星期都要从伦敦运来一箱一箱新书，同时装备实验室的工作也在迅速地进行着。这里的主人是谁呢？原来他就是著名的英国化学家、物理学家罗伯特·波义耳。

波义耳是位学识渊博的科学家，在研究生物学、医学、物理学和化学的同时，对哲学、神学和语言学也有很大兴趣。弗兰西斯·培根是英国哲学家和政治家，堪称英国唯物主义和实验科学的始祖。波义耳则是他的忠实信徒，因此，他把实验室的研究工作看成是头等重要的大事。他的化学实验是饶有趣味的，而且是多种多样的。波义耳认为，化学理应成为哲学中的一门基础科学，必须从炼金术和医学中脱胎出来。然而，那个时代的人们，尤其是一些科学家却认为，化学只是有助于药剂师制药，有助于炼金术士寻找点金石的一种技能罢了。

波义耳实验用的紫罗兰

为了使化学这门科学真正确立起来，他投入到一个又一个紧张的化学实验中……

一天，实验室里和往常一样进行着热烈而又紧张的工作：炉子在燃烧，曲颈瓶里的各样物质在加热。波义耳正在准备进行晨间的例行检查时，一个园丁走进书房，把一篮美丽的深紫色紫罗兰放在一个角落里。波义耳欣赏紫罗兰的妍丽和芬芳，随手摘了一束花就匆忙向实验室走去。他想：现在需要对“矾类”（重金属硫酸盐）加以蒸馏，以取得“矾油”——浓硫酸。波义耳刚把实验室的门打开，缕缕浓烟就从玻璃接受器里冒出来。

“工作进行得怎么样了，威廉？”他向正在炉旁观察的一个年轻人问道。

“一切正常，先生。”

“发现什么新鲜玩意儿了吗？”

“目前还没有，昨天晚上我们搞到了两瓶盐酸。”

“从哪儿搞来的？”

“还是从阿姆斯特丹的鲁道夫·格劳贝尔那里买来的。”

“我想看看这种酸，请往烧瓶里倒上一些。”

波义耳把紫罗兰放在桌上，帮助威廉倒盐酸。刺激性蒸气从瓶口冒出来，慢慢地散在桌子周围。烧瓶里的淡黄色的液体也在冒烟。

“好极了！搞完蒸馏以后，请上楼到我那儿去，我们讨论一下明天的工作计划。”波义耳从桌子上拿起那束紫罗兰，就回到书房里去了。这时，他发现紫罗兰微微地在冒烟，可惜啊，酸沫竟然溅到上面了，应该洗掉才好。他把花放进水杯里，自己则坐在窗前，拿起一本书看了起来。过了一段时间，他放下书本，瞧了一眼装紫罗兰的杯子，真是奇迹！这些紫罗兰竟然成红色的了。波义耳把书扔到一边，拿起芳香的花篮，立即到实验室去了。

波义耳把各种不同的酸用水稀释后，将紫罗兰花放进去，发现紫蓝色的花朵逐渐都变成了红色。“原来是这样，不仅是盐酸，而且其他的酸也可以将紫罗兰的蓝色变成红色。”波义耳得出了结论：“只要把紫罗兰花瓣放进一种溶液中，就能很容易地确定这种溶液是不是酸性的。”

后来，波义耳和他的助手就用水和酒精制备了一些紫罗兰花瓣的浸液。检验溶液是不是酸性的，只需加上一滴这种浸液，根据颜色的变化，他们就很容易得出正确的结论。接着又从芬芳的玫瑰花瓣中制取了一些浸液。虽然不如浸茶水那样容易，但也是一瓶一瓶地浸了出来。

“酸性”能够判断了，那么溶液的“碱性”是否也可以通过“浸液”来判断呢？波义耳思索着。

于是，这位不畏疲劳的科学家又搜集了药草、地衣、五倍子、树皮和植物的根等，同他的助手们一起制取了各种颜色的浸液。有些只是在酸的作用下改变颜色，而另一些则在碱的作用下改变颜色。反复实验后，他发现：从石蕊地衣中提取的紫色浸液最有意思，酸能使它变成红色，而碱却能把它变成蓝色。波义耳用这种浸液把纸浸透，然后再把纸烤干。把这种纸片放进被试验的溶液中，只要纸片改变了颜色，就能证明这种溶液是酸性的还是碱性的。事实上，这时波义耳就已经发明了“石蕊试剂”和“pH试纸”。

正如科学研究经常发生的情况一样，一个发现往往引起另一个发现。

pH试纸

波义耳在研究用水制取五倍子浸液时发现，这种浸液和铁盐在一起，会形成一种黑色的溶液。“既然是黑色的溶液，就可以制墨水”，波义耳思索着。他仔细研究了制备墨水的条件，选定了原料配方，制造出高质量的墨水。后来人们沿用这一方法生产的墨水几乎达一个世纪，在许多科学家、作家的手中使它留下了光辉的印迹。

波义耳在硝酸银的溶液里加上一滴盐酸，发现有一种白色物质缓缓沉到容器的底部，他把这种沉淀物称作“月牙”。然后他又把这种沉淀物分离出来，放在一个无色的玻璃瓶中，但是他却忘记了盖盖儿。一个奇怪的事情发生了，里面的月牙怎么变黑了呢？虽然这位科学家发现了不少形成沉淀物的反应，但是，他还是认为变黑的原因应归结到空气的作用。事实上是由于光的照射而引起沉淀物（氯化银）分解所致。

在科学探索的曲折道路上，波义耳虽然步履维艰，但在实验的王国里他却开辟了许多通往真理之路。他多年的研究工作证明，用某种试剂作用于物质时，它们就能分解生成更简单的物质。有些物质会生成有色沉淀，有些物质能分解出带有特殊气味的气体，还有些物质会产生有色溶液等。利用特殊的反应，就可以确定这些化合物。波义耳把借助于特有的反应来分解物质并鉴别产物的过程，称作“分析”。这种新的研究方法，对分析化学的确立和发展起到了巨大的推动作用。

1652年，正当波义耳兴致勃勃地在实验室里做着燃烧的实验，炉火越烧越旺……突然从爱尔兰传来消息说，起义的农民破坏了科克庄园的别墅。这是他父亲科克公爵理查德·波义耳留下的遗产。因此，他不得不停止在斯莫尔桥的科学研究工作，回到那块祖遗领地，开始从事经营管理，恢复庄园的工作。

然而，波义耳迁居到爱尔兰还不到一年，他的心就早已不在这儿了。一个对探索自然界秘密着迷的人，怎能舍得放弃科学活动呢！当他接到朋友约翰·威尔金斯的来信时，他的心就已飞向伦敦了。“亲爱的波义耳”威尔金斯写道，“我们的‘无形的大学，已转移到格雷瑟姆学院来了。在牛津大学里聚集了很多英国科学家……就缺你了。依我看，隐居在爱尔兰，一点意思都没有。大家都认为，你应该来牛津和我们一起工作。”

“回到英格兰去”这个主意不坏！庄园的事情早已安排好了。在牛津从事科学研究工作确实前途广阔。就在他即将动身之际又接到沃登的信，也在敦促他前往，于是波义耳启程前往牛津。

1645年，一群对新的科学，尤其是对伽利略、托里拆利的发现感兴趣的人，聚集在伦敦大学格雷瑟姆学院里。后来由于内战引起困难，促使这一学院里的部分教授迁移到牛津，在那里成立了以约翰·威尔金斯为首的实验小组，这个小组人称“无形的大学”。波义耳到牛津后使“无形的大学”又增加了新的力量。

1654年过去了，积雪渐渐融化，春天来了。罗伯特·波义耳的心情像春天一般欢快。他又将拥有宽敞的实验室了。除了学院的实验室外，他还要建造私人实验室。

化学仪器

自从他到了牛津大学以后，一天都没有闲过，他同助手吉奥姆·龚贝格一起又开始了科学研究的生涯。空气、物质结构、燃烧，他们逐一进行研究。

“单单靠分析是不够的，还需要理论，但不是臆造的，而是通过实验检验的理论。”波义耳深有体会地说。

“您大概已形成了自己的观点。”龚贝格答道。

“是的，那是毫无疑问的。这些观点正为我们多年来的研究工作所证实。难道可以用分解的方法把所有的物体都变成同一种盐、硝和汞吗？当然不是这样！”

“这是炼金术士们惯常的臆造，它们没有为实验所证实。”龚贝格表示同意。

“对，实验证明的恰恰相反……应该说，这对亚里士多德的学说同样适用。没有一种方法能够把大量各种各样的物体只变成四种元素——水、气、土和火。自然界中存在着大量的元素，它们形成复杂的物质，这些物质分解后，又产生元素。元素是不变的，因为它们不能分解。它们是由微粒构成的。”波义耳作了这样的结论。

“但是，据我所知，您不是承认存在着更复杂的粒子吗？”

“是的，当元素的微粒化合时，它们就会形成复杂的粒子，而且微粒是永存的。”

诚然，波义耳认为物质中存在着某种本原，这并不是新的发现，古代哲学家也认为存在着原始物质。有的人认为这是水，有的人则认为这是土……而波义耳则认为它具有一定的状态，微粒是有形态、大小和运动的，尽管他丢掉了“重量”这一重要特征，使其成为非物质的东西，但是，第一块基石却已奠定，“元素”的概念已被用来解释化学反应。这为道尔顿的原子论和后来的原子分子学说的创立起到了极为重要的作用。

波义耳和龚贝格制取并研究了许多盐，以及它们的分类方法。随着一次次实验的进行和不断深入地研究，使物质更加条理化。虽然他们把金属当成了最简单的化合物，还有一些对化学现象的解释不确切，甚至是错误的，但是他们的做法却是朝着循序渐进的理论迈出的勇敢的一步，是把化学从手工艺变成科学的关键一步。这是为化学奠定理论基础的尝试，没有理论基础，科学就会成为不可思议的东西，科学就不能向前迈进。

龚贝格后来回到法国，青年物理学家罗伯特·胡克成为他的助手。他们把研究工作向气体和微粒理论方面推进。波义耳发现了气体的体积随压强而改变的规律，即一定质量的气体在保持温度不变时，它的压强和体积成正比。他利用气泵阐明了气压升降的原理，使密封容器中的空气量得到控制，显示了空气在燃烧过程中、呼吸过程中和声的传播过程中所起的作用。

化学研究室

17世纪50年代末期，政潮波及整个英国，中断了波义耳的科学研究工作。被克伦威尔残酷独裁激怒了的帝制派重新掀起了斗争。逮捕和屠杀，流血和内讧，成为国内司空见惯的现象。

波义耳辗转来到祖传的庄园，在那里又建立了一个安静的科学王国。

在波义耳的书房里，两位秘书昼夜不停地工作着。一个按照这位科学家的口述笔录他的想法；另一个则把已有的草稿誊写清楚。他们用了几个月的时间完成了波义耳的第一部科学著作——《关于空气的重量及其性质的新的物理力学试验》。此书于1660年问世。波义耳在书中描述了近两年来进行的全部实验，并第一次批判了亚里士多德的四元素理论、笛卡儿的“以太”和炼金术士的三本原。这部著作自然引起了亚里士多德的追随者及笛卡儿派的猛烈攻击，但是，对于这位温和、不喜欢争辩的科学家来说，却是沉默寡言，等待着他的实验事实替他说话。

于是，他又着手写出了一部光辉著作——《怀疑派的化学家》。该书于1661年出版。在这本书中，波义耳大胆提出了什么是元素，什么不是元素的看法。他说：元素是正确的、实在的、单一的纯净物质，用一般的化学方法，是不能把元素分解成更简单的物质的，假使某种物质能分解成更简单的物质，或者能转化为其他物质，那么，这种物质就不是元素。波义耳抛弃了各种错误见解，给元素下了一个明确的定义。虽然波义耳没有解决怎样得到元素和元素有哪些种等问题，但是，他从实验中已经得出结论：元素肯定不是只有三种、四种，而是有许多种。彻底摧毁了统治科学达2000多年之久的四元素的学说，使化学开始从炼金术中脱胎出来，化学研究开始建立在科学的基础上。正如他说的那样，“一个有决心的人，终将找到他的道路。”

查理二世登基后，国内的政治生活多少有些恢复正常，他又回到牛津从事他的实验工作。

这时，波义耳已经是著述颇丰，发现、发明成果林立，涉足领域相当广泛的大科学家。他不仅研究了有关化学、生物和物理学等方面的问题，而且也对动物的呼吸、血液循环等医学问题有所建树。因此，波义耳名声赫赫，被视若英国科学界的明星，各地纷纷授予他荣誉头衔。他经常应邀入宫，显贵们认为哪怕与这位“明星”谈几分钟话，也是光荣的。于是，他被任命为东印度公司经理，但是，所有这一切都没有使这位科学家感到沾沾自喜，放弃本职工作，而相反，他却感到这离他的理想彼岸还相差很远。在此期间，他又写出了《流体静力奇谈》《根据微粒理论产生的形状和性质》《论矿泉水》等著作。

1663年，波义耳被选为皇家学会会员，1680年被选为该会的主席。

1691年，波义耳在伦敦逝世。他为后代留下了丰富的科学遗产：物质微粒结构理论为原子一分子理论发展开辟了道路；压强和体积的关系为新兴的物理化学制定了第一个定律；对许多显色反应和沉淀反应加以系统化，为分析化学打下了基础；他所进行的物质燃烧实验，导致创立了化学上第一个普遍理论——乔治·施塔尔的燃素论。

在观察的领域中，机遇只偏爱那种有准备的头脑。

——巴斯德