无机化学的研究

无机化学的研究

早在孩提时代，贝采里乌斯就对大自然发生了浓厚的兴趣。因此在自己从事科学活动的最初阶段，贝采里乌斯已经酷爱对矿物的分析，并对物质的组成从事了大量的探索。

在贝采里乌斯之前，物质的定量测定已经在化学研究中产生了。但最终还是通过这位实验大师之手，才使得物质的分析、测定方法从旧的研究方法中超脱出来，而成为化学这门精确科学的基础。借助于定量分析，在短时期内化学就有了惊人的发展，几千种不同物质的组成被研究测定出来，同时还发现了一些在工业技术中将得到很大应用的新元素、新物质。在贝采里乌斯以后，化学中的定量研究成了每一项化学研究的必要条件。离开了在化学反应时进行相互作用的各种物质间重量比的精确测定，任何化学研究都是无法想象的。

作为一名分析化学家，贝采里乌斯的才能在对各种矿物、矿石、有机物质的组成系统的研究中充分显现了出来。没有哪一种元素他没认真研究过，他完成了各种盐的组成的大量数据分析，用实验论证了各种化学计算定律和道尔顿的化学原子论。

贝采里乌斯认为，原子论与它的各个定律必须成为分析化学中的指导理论。关于这一点，他在自己的论文中写道：“化学的定量分析，在最近时期通过化学比定律的确定而达到了很高的完善程度，这是因为为了发展和论证原子论，就需要做一些研究工作使分析过程得到提高和改进物质彼此化合时主要遵循的那些化合定律得到推广，就使得精确的化学分析由于给原子论理论的研究和论证提供了有力的依据而显得更重要了。”

实际上，化学当量和原子量的精确测定，成为物质定量分析发展中的重要因素。贝采里乌斯在许多次的分析过程中，把定性和定量分析的一些新方法、新试剂以及新设备不断应用到了分析化学中。例如，他使用了滤框、酒精灯、木滤架、洗涤器、橡皮联结管、各种漏斗和滤纸。这些新设施的实际应用，使贝采里乌斯能够迅速而精确地进行多种定性和定量分析。

但令人惊讶的是，在贝采里乌斯的实验室里并没有价格昂贵的仪器，所有设备都出乎别人的预料。他的学生魏格尔是这样描写自己第一次进入老师实验室的情形，“当他领着我进入实验室，我好像在梦中，我想到：‘我的确是在这个向往已久的地方吗？’在贝采里乌斯老师的住所旁边有两个设有煤气设备的房间，这就是他的实验室。在一个房间里摆着两张普通的桌子，其中一张是他工作时写东西用的，另一张是用来吹制玻璃仪器的；靠墙立着几只放试剂的柜子；房子中间是一个水银电解槽。另一个房间里放着天平和其他工具。”虽然实验设备如此简单，贝采里乌斯却利用它们达到了惊人准确的研究成果。其奥秘正在于他多年来养成的严谨的科学态度，先进的实验技能与方法和他所采用的并不复杂的新设施。

贝采里乌斯的实验方法和设施被他的学生们在其他国家里推广，不久就被普遍采用了，成为科学的共同财产。简明与精确，就是贝采里乌斯的工作方法的突出特征。在《无机物分解教程》一书中，他写道：“稍懂化学的人必须在定量分析方面多加练习；我们必须明白，对定量分析的知识不完备，就不可能成为有化学研究能力的人。他们必须养成尽可能精确地称量的习惯；必须善于一滴不洒地从一只容器里把液体倒入另一只容器，做到即使最后一滴也不要让它从容器的外表面流失；必须注意一切细节，忽略了它们，往往会使一连几星期的困难工作所取得的进展化为乌有。我特别要劝他们努力学会耐心操作，不要让娱乐消遣、逢场作戏与疏忽大意使行将取得成果的工作失败。一个没有经验的化学家在没有达到相当的实验精确程度时，往往会由于疏忽大意或预见不周而被迫停止已经开始的工作。这不要紧，但是必须给自己定下这样一条坚定的信念：没有完成的工作一定要重做，不能半途而废，因为尽管这一次遇到了困难，但最后的成功就孕育在其中。这次放弃了，以后要想再完成这项工作就会更困难了。”

依照贝采里乌斯的见解，在研究物质时必须既善于利用定量分析，又善于利用定性分析。在这点上他认为：“青年化学家作定性分析时往往会比较顺利，但由于缺乏实验操作的经验与多方面的知识，在做定量分析时就很容易出错；同时，一些博得了响亮的头衔称号的有名化学家又会常常在定性研究上出错，这大概是因为他们过于信赖物质的某些外部特征，或者是由于他们感到已经功成名就而失去了深入研究的兴趣。因此，我劝告每一位从事化学工作的人，既要精于定性分析，也要善于定量分析，深入到化学研究的细枝末节中去；这样不仅能使研究工作精进，而且往往能使自己体会到成功带来的难以名状的愉快心情。”

贝采里乌斯认为，在物质分析中被分析物质用量应尽可能少。他指出，靠少量的物质往往会达到最高的精确度。因为被分析物质的重量越大，则所用物料的体积越大，粗滤、洗涤、蒸发所需要的时间也随之增加，这样往往会影响实验数据的准确度。

1827年，贝采里乌斯出版了《无机物分解教程》一书。在这本书中，贝采里乌斯根据自己的研究论述了固体、气体的分析方法，并深入研究了盐的组成的测定方法。

正是由于贝采里乌斯的研究，在分析化学方面就开始制定了一些合理而精确的新解析方法与精确的称量方法。比如，他在分析碱金属硅酸盐时采用了氢氟酸，应用了各种金属的氯化物来使它们分离；制定了通过与硫酸氢钾的熔合来对氧化物进行分析的方法；找到了使铂族金属离析的方法，等等。贝采里乌斯对分析化学作出的最巨大的贡献之一，就是他把硫、硒、砷等这样一些在与氧相互结合时变成了酸的物质，与在同样反应中变成了碱的物质，如铜、铁、钾等区分了出来。他的方法是这样的：把合金或矿石的粉末放在玻璃管里，让干氯通过玻璃管，同时用酒精灯加热玻璃管中的粉末。这样，形成酸的物质就将挥发，顺着玻璃管向前移动，被管口盛水的玻璃瓶所吸收，而形成碱的物质则留在了玻璃管里。

贝采里乌斯对分析化学的巨大贡献，还在于他培养了许多成为分析化学专家的学生：魏列尔、阿尔维森、罗兹、奔塞尔多夫、格梅林、诺登斯科特。他们分散在欧洲各地，为分析化学的研究都作出了很大的贡献。

1827年，贝采里乌斯收到学生从俄国寄来的大量铂矿石后，进行了仔细的分析研究。不久，他发现了铂的几种伴生物：铑、钯、锇和铱。他把这些新元素彼此分开，测定了它们的原子量并得到了它们的氧化物。因此，铂族金属研究专家、俄国的克劳斯后来评论道：“我们在这个问题上至今为止，已知的一切都应归功于不朽的贝采里乌斯，他的方法想得如此的巧妙，而他运用的实验技巧又是那样的令人惊叹。”

无论在贝采里乌斯之前或之后，都没有哪一个化学家完成了如他那样大量的、广度和精确度都令人赞叹不已的分析化学研究。除去对分析化学的具体贡献之外，贝采里乌斯还以自己出色的工作方法，给各国的分析化学家们产生了巨大影响。

贝采里乌斯在无机化学研究方面也取得了很大的成就。

19世纪前期，新化学元素发现得特别多，这是拉瓦锡关于元素的学说对这一时期化学家影响的结果。这位法国化学家关于碱、碱土、硅土和矾土的见解尤著成效。他认为：“可以期待这些土不久就不再列入单质之列；它们是整个的一类没有与氧化合的趋向的物质中唯一的几种，我十分倾向于认为这些对氧冷淡的物质，是因为它们已经包含了氧。按这种观点来研究的这些曾经可能显出是单质的土，可能是金属氧化物，也可能是已经氧化到一定程度的单质。”

1807年，戴维用电解的办法得到了金属钠和金属钾，完全证实了拉瓦锡的见解。随后，贝采里乌斯重复了戴维的实验，并遵循着矾土和硅石的复合性观点，试图得出金属硅和金属铝。他在自己的日记中写道：“自从戴维证明了碱和碱土确实是金属氧化物后，我们就断定矾土、锆土、铍土、钇土也都是氧化物，尽管据我所知还没有人幸运地从这些物质里分出氧来。但没有哪个化学家怀疑这一论断的正确性，因为大家都见到了这些氧化物与锌、锰、铈等金属的氧化物之间的相似。”

由于用电解法没能得出游离硅，贝采里乌斯就尝试用磨碎的炭加铁使硅石还原的办法来析出硅。结果因为化合形成了硅铁还是没得到游离硅。直到1822年，贝采里乌斯利用钾使氟酸钾还原的办法才第一次得到了游离状态下的硅，其反应如下：

K₂SiF₆＋4K＝6KF＋Si

还有三种元素的发现应归功于贝采里乌斯，它们是铈、硒、钍。1803年，24岁的贝采里乌斯与赫新格尔一起在一颗重晶石里发现了铈，并随之测定了它的大量化合物和它的原子量。贝采里乌斯指出，铈和钇（钇是由芬兰化学家加多林于1794年发现的）的性质极为近似，但铈不同于钇的是它有两种含氧量不同的氧化物。也就是说，铈有二级氧化的特征。

这位瑞典化学家通过对铈和钇的研究，给稀土元素的两种离析法：分步结晶法和分级沉淀法奠定了基础。他最早使用钇“土”和铈“土”的硫酸复盐加钾来离析这些“土”。在以后的很长一段时间里，把稀土族元素分成铈、钇和铽三类的方法，就是建立在稀土元素和钾的硫酸复盐在硫酸钾的过量饱和溶液中的不同溶解度之上的。

作为一位出色的矿物学家，贝采里乌斯先后发现并研究了十几种含有稀土元素的矿物。其中好几种是当代提取稀土金属纯化合物的最珍贵的天然矿物。

1817年，贝采里乌斯在硫酸的工业废料里发现了一种新的化学元素硒。1818年，他发表关于硒元素的取得、性质和化合物的报告。

1828年，贝采里乌斯在挪威布雷维克附近找到的一种矿物里，发现了一种不知名的金属氧化物，他将这种氧化物命名为氧化钍。他详细地研究了氧化钍的化学、物理性质，并在1829年通过用金属钾使四氯化钍还原的办法得到了氧化钍中所含的金属钍的单质。

借助金属钾，贝采里乌斯除了得到钍和硅，还最先得到了锆和钽两种元素，在他之前它们是以化合物形式被发现的。锆土是克拉普罗特于1789年发现的。贝采里乌斯通过详细研究后，发现它是多种盐的化合物。他是利用锆氟酸钾与金属钾一起加热的办法得到了黑色粉末状的金属锆（成分不纯）。钽酸是在1802年发现的。在1816年，贝采里乌斯开始对亚钽酸盐进行了大量的研究，同时制定了亚钽酸盐的分析方法，研究了钽、钽酸以及它们的化合物性质。通过用金属钾还原钽酸盐的方法，他得到了钽（成分不纯）。贝采里乌斯很重视对硫化物的研究。1811年，他确定硫元素在对金属的关系上与氧很相似，所以硫化物相当于金属氧化物。他还研究确定了硫与氧一样可以通过不同的比例与金属化合。同时他还指出，正如同碱基酸性氧化物彼此间化合而形成盐一样，硫化物也在彼此间含硫酸盐。1820年，他论述了多种硫化物的获得方法。

在19世纪20年代，贝采里乌斯特别注重于对盐的性质的研究，他认为电化现象对测定盐的性质的研究具有极重要的作用。在1825年，他说过这样一段话：“我们叫做盐的那种东西必须按照一定的电化合定律来测定，并且完全不依赖存在于化合物中的元素数量。所以我们说，氯与钠的化合物是盐，因为这两种物质能相互而且完全地消除它们的电化性质。”

贝采里乌斯对盐的分类是很有意思的。他把盐分成两类由卤素与正电金属化合而形成的和在碱与酸反应时形成的；贝采里乌斯把前一类盐称为卤化物，把第二类称为两性盐，包括含碳盐、含硫酸盐、硒盐、碲盐等等。贝采里乌斯还进行了大量关于氢氟酸的研究。在他之前，泰纳德和盖·吕萨克都研究过氢氟酸，他们得到了纯氢氟酸并制取了它的许多化合物，但他们没能把研究坚持下去。第一次获得许多重要的氟化金属的任务，是贝采里乌斯完成的。接着，他又研究了氢氟酸与某些氟化物如四氯化硅、氟化硼、氟化钛等化合物，贝采里乌斯最早测定了硅氟酸以及它的许多化合物的正确组成成分。他还研究了水对四氯化硅的作用，水分解氟化硼的反应，同时还发现了氯化硼。

另外，贝采里乌斯也注意了对贵金属的研究。在1811年时，他就得到了氯化金，并从中获得了一氧化二金。1813年，他又获得了氯化铂和氢氧化铂。从1813年开始，贝采里乌斯开始了矿物学研究，他提出了一个化学矿物系统，并按照这一系统整理了自己的收藏品。他想要证明矿物也是服从各种化合量定律的，是可以根据矿物的化学成分来对它们进行系统化与分类的。

他认为：“矿物学尽管也被看成是一门专门的科学，但它终究是一种关于组成我们的地球的无机化合物的学说，并且只是化学的一部分，它完全是建立在化学的概念之上的。化学概念的每一种科学分类都必须建立在那些作为任何化合物的基础的电化学化合比上。矿物乃是这样一些物体，研究它们时必须考察到它们的组成，而且任何矿物学系统都必须建立在这上面。”

建立科学的矿物学系统，就需要有坚实的理论基础。用贝采里乌斯的话来说：“只要看一看矿物学，就能够在那里面发现元素相互关系的一些定律，就能够在大量的类土矿物中看出硅石是酸，而其他土是碱；在这里，与我们在实验室中的实验一样，酸和碱也服从同一些化合定律。这样一来，就在矿物学中产生了一个化学体系，这个体系和化学一样建立在同一基础上，这个基础不会导致错误的认识。从这时起，矿物学使人产生了新的兴趣；如果说从前它是无机界的未经精确测定的产物纪录，那它现在已经上升到真正科学的水平了。”

1814年，贝采里乌斯出版了《试论化学矿物学》一书。随后，这部书被译成了英、法、德、拉丁等多种语言。按照贝采里乌斯的化学分类，一切物质都可以按照它们的电化合量来加以划分。在这本书中，他按正电组来排列矿物。以后他又制定了一个矿物分类方案，在这个方案中，矿物是按照它们的负电元素来排列的。

贝采里乌斯对于矿物学的研究，给矿物的系统和分类工作以巨大的推动作用。他把当时精确的化学定律和电化学观念应用到矿物学中，就使得不仅有可能按照比重、颜色、硬度、形状等种种特征来论述矿物，而且也可能按照化学物质的组成来论述它们。这样做就很容易分清矿物的类和族。限于当时的研究水平以及条件，贝采里乌斯对于矿物的分类系统自然会有相当的缺陷。例如电化学理论存在着相当的缺陷，以后曾被不断地修改，因此在很大程度上依靠它而建立的矿物学分类法，就很难说符合现代的科学理论了。但在当时，在贝采里乌斯的时代，他的这种分类法无疑是有巨大进步意义和作用的。