材料星故事（二）

劉超

【導(dǎo)語】

2019年第11期的“材料史話”欄目講述了德國(guó)化學(xué)家弗里德里?！ぞS勒其人其事。而本期“材料星故事”的主人公——瑞典化學(xué)家瓊斯·雅各布·貝采利烏斯與維勒有著密切的關(guān)系：1823—1824年，維勒曾師從貝采利烏斯，時(shí)間雖短，但彼此卻惺惺相惜。

瓊斯·雅各布·貝采利烏斯（1779—1848，圖1）一生星光熠熠，無疑是19世紀(jì)上半葉世界最偉大的化學(xué)家，沒有之一。他測(cè)定了45種化學(xué)元素的原子質(zhì)量；首次用元素符號(hào)表示并公布了當(dāng)時(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的原子量表；發(fā)現(xiàn)了硅、釷、硒等元素；發(fā)現(xiàn)“催化現(xiàn)象”并提出“催化”的概念；命名“同分異構(gòu)體”等等。這些成就，使得貝采利烏斯成為19世紀(jì)世界著名的科學(xué)家之一，在世界化學(xué)和材料史上寫下輝煌的一筆。

開創(chuàng) “分析化學(xué)” 新學(xué)科

貝采利烏斯于1779年8月20日出生在瑞典南部東約特蘭省一個(gè)名叫威菲松達(dá)的小村莊里，幼年的貝采利烏斯命運(yùn)坎坷，他4歲喪父，母親改嫁一位牧師，12歲時(shí)母親病逝。他和小他2歲的妹妹被繼父繼續(xù)撫養(yǎng)。他的繼父自己原本有5個(gè)孩子，但在經(jīng)濟(jì)條件極其不富裕的情況下，仍視貝采利烏斯兄妹如己出，對(duì)7個(gè)孩子一視同仁，對(duì)他們的培養(yǎng)更是不遺余力。正因如此，貝采利烏斯對(duì)來之不易的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)倍加珍惜。

在小學(xué)階段，貝采利烏斯對(duì)大自然展現(xiàn)出了濃厚的興趣，鳥兒飛、兔兒跳、蟲兒鳴、狗兒叫等等，無不引起他的注意和觀察。1793年，14歲的貝采利烏斯進(jìn)入了家鄉(xiāng)的林雪平中學(xué)，在這里，他依然將時(shí)間都花在對(duì)自然科學(xué)的鉆研上。在一次野外植物調(diào)查的過程中，貝采里烏斯偶遇了為制作標(biāo)本而正在尋找昆蟲的瑞典著名昆蟲學(xué)家哈格蘭（AndersHaglund），2個(gè)人相談甚歡。之后在哈格蘭的幫助下，貝采利烏斯認(rèn)識(shí)了幾百種動(dòng)植物，學(xué)到了許多制作動(dòng)植物標(biāo)本的方法，中學(xué)期間他就對(duì)林雪平地區(qū)的動(dòng)植物分布進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，采集了370多種動(dòng)植物標(biāo)本。3年后，貝采利烏斯中學(xué)畢業(yè)，在其繼父的支持下，他進(jìn)入瑞典著名的烏普薩拉大學(xué)（圖2）醫(yī)學(xué)系學(xué)習(xí)。當(dāng)時(shí)，醫(yī)學(xué)專業(yè)是被認(rèn)為最接近自然科學(xué)的學(xué)科。

隨著7個(gè)孩子進(jìn)入不同等級(jí)的學(xué)校繼續(xù)深造，貝采利烏斯的繼父已經(jīng)不能完全負(fù)擔(dān)這么多孩子的上學(xué)費(fèi)用?？梢韵胂?，貝采利烏斯的大學(xué)生活是異常艱苦的，但也使其鍛煉出吃苦耐勞的品格和堅(jiān)強(qiáng)的意志，為他以后成為享譽(yù)世界的大科學(xué)家夯實(shí)了“軟件”基礎(chǔ)。為了改變生活，貝采利烏斯不得不在其他同學(xué)享受五彩繽紛課余生活的時(shí)間提升自己。為了靠給當(dāng)時(shí)大批來自歐洲內(nèi)陸國(guó)家的移民子女上課賺取生活費(fèi)和學(xué)費(fèi)，貝采利烏斯除母語瑞典語之外，他先后又自學(xué)了英語、法語和德語。這段時(shí)期的自學(xué)經(jīng)歷，為他以后能在最快時(shí)間閱讀到不同語言的科學(xué)著作提供了巨大的幫助。

然而，貝采利烏斯大學(xué)3年級(jí)的時(shí)候，在他所學(xué)的課程中，除化學(xué)課程游離在不及格的邊緣，其他課程的成績(jī)都名列前茅?；瘜W(xué)，這個(gè)以后成為貝采利烏斯終身事業(yè)的課程在此時(shí)卻依然沒有吊起他的興趣。如果此門課程的成績(jī)?cè)傧陆狄稽c(diǎn)兒，等待他的將會(huì)是學(xué)校的開除。下定決心，貝采利烏斯 “開足馬力”，在化學(xué)課程上奮起直追。當(dāng)時(shí)，歐洲化學(xué)乃至世界化學(xué)界關(guān)于“燃燒”現(xiàn)象的解釋，支持拉瓦錫（圖3）的“氧化學(xué)說”一派與支持斯塔爾的“燃素說”一派的辯論異常激烈。貝采利烏斯正是在這個(gè)背景下，開始燃起對(duì)化學(xué)的興趣，并一發(fā)不可收拾，他的“化學(xué)人生”肇始于此。這位年輕有為而又富有思想的大學(xué)生，開始研究起了《反燃素化學(xué)基礎(chǔ)原理》一書，這是一位德國(guó)化學(xué)家的著作。這本書讓貝采利烏斯心潮澎湃，確定將化學(xué)專業(yè)作為未來自己施展抱負(fù)的事業(yè)方向。

包括貝采利烏斯的導(dǎo)師在內(nèi)，他周圍整個(gè)的瑞典科學(xué)圈子都對(duì)“燃素輪”深信不疑，但他卻堅(jiān)定地支持拉瓦錫的“氧化”理論。他認(rèn)為，長(zhǎng)期以來，“氧化論”一直未能打垮“燃素輪”的關(guān)鍵就是缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，堅(jiān)持“氧化學(xué)說”的科學(xué)家沒有用足夠的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)來對(duì)“燃素論”進(jìn)行反駁。于是，貝采利烏斯開始用實(shí)驗(yàn)說話。他在實(shí)驗(yàn)室制備了足夠量的氧氣，并找來許多同學(xué)一起觀看，讓他們通過親身感受，來掌握學(xué)好化學(xué)這門學(xué)科的最佳方法——實(shí)驗(yàn)。貝采利烏斯所處時(shí)代，歐洲所有大學(xué)的自然學(xué)科都是重理論，而對(duì)最能證明理論是否成立的“實(shí)驗(yàn)”卻不怎么在意，這本就是自然科學(xué)發(fā)展的最大缺失。

1802年，貝采利烏斯從烏普薩拉大學(xué)畢業(yè)，理所當(dāng)然的當(dāng)上了醫(yī)生。但不久之后，他意識(shí)到：作為一門應(yīng)用科學(xué)，醫(yī)學(xué)的進(jìn)步不在醫(yī)學(xué)本身，要考其他學(xué)科的突破促使醫(yī)學(xué)進(jìn)步，而化學(xué)確實(shí)能為醫(yī)學(xué)的進(jìn)步帶來曙光。他覺得自己應(yīng)該在化學(xué)領(lǐng)域有所建樹，與醫(yī)生這個(gè)職業(yè)相比，他更喜歡從事化學(xué)方面的工作。貝采利烏斯決定改行！在麥地維，有一家礦泉水廠，他在這里當(dāng)上了化學(xué)分析師，他的工作就是對(duì)這里天然礦泉水的成分進(jìn)行分析。同期，意大利人伏打發(fā)明了能產(chǎn)生持續(xù)電流的伏打電池（“伏打電堆”），貝采利烏斯就利用伏打電池對(duì)礦泉水進(jìn)行電解，分析出礦泉水中主要的化學(xué)成分。通過電解水的方法得知礦泉水的成分，這在當(dāng)時(shí)是一項(xiàng)重大的研究成果。

沒想到的是，這家礦泉水廠的出資人居然想讓貝采利烏斯人工合成礦泉水，這樣就能節(jié)省許多成本，利潤(rùn)能夠得到成倍的提升。貝采利烏斯斷然拒絕了在他看來這種違背原則的事情。但他答應(yīng)會(huì)幫助礦泉水廠尋找到更多的天然水源。

在一次找水的過程中，貝采利烏斯發(fā)現(xiàn)了一種從未見過的有淡黃色暈的長(zhǎng)石礦，將這塊礦石帶回實(shí)驗(yàn)室，用強(qiáng)酸對(duì)其分解，化驗(yàn)其中的成分發(fā)現(xiàn)，這是一種從未被發(fā)現(xiàn)的新元素，貝采利烏斯將這種新發(fā)現(xiàn)的元素命名為——鈰（Cerium）（見圖4）。他在研究了天平的使用原理后，對(duì)鈰元素的原子質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)定，并且相當(dāng)準(zhǔn)確。

1803年，23歲的貝采利烏斯完成了博士論文的答辯，獲得了醫(yī)學(xué)博士學(xué)位，被聘為斯德哥爾摩醫(yī)學(xué)院醫(yī)療系的醫(yī)學(xué)和藥學(xué)講師。因?yàn)獒t(yī)療系的教授數(shù)量太少，只有3位，每位教授就要開設(shè)好幾門課程。貝采利烏斯開設(shè)了植物學(xué)、藥學(xué)、醫(yī)學(xué)和化學(xué)的課程，前3門課程的學(xué)生很受歡迎，唯獨(dú)上化學(xué)課的學(xué)生寥寥，讓他深感困惑。直覺告訴他，不適自己設(shè)置的課程有問題，也不是自己講得不好，而是傳統(tǒng)習(xí)慣上的化學(xué)老師只注重口頭和書本傳授，不注重實(shí)驗(yàn)和操作，自然就讓學(xué)生感到枯燥無味?；瘜W(xué)知識(shí)，要想讓學(xué)生記憶深刻和喜歡，就要讓他們看到直觀的實(shí)驗(yàn)。于是，貝采利烏斯在上化學(xué)課的時(shí)候最大化增加了實(shí)驗(yàn)的次數(shù)，學(xué)生從最初的寥寥無幾到堂堂爆滿。貝采利烏斯首次將實(shí)驗(yàn)分析與理論相結(jié)合的教學(xué)方法，這種化學(xué)授課方式很快就在歐洲的大學(xué)化學(xué)課上推廣，這種授課方式也一直被沿用至今。

貝采利烏斯通過將分析的方法應(yīng)用在化學(xué)研究，使得定量分析和許多化學(xué)成分的精度達(dá)到了新的高度。從貝采利烏斯之后，分析化學(xué)成為化學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)分支。貝采利烏斯被后世譽(yù)為“分析化學(xué)之父”，瑞典政府為紀(jì)念他的成就，發(fā)行了紀(jì)念郵票（圖5）。

建立原子量訂定和現(xiàn)代化學(xué)命名體系

從1807年開始，貝采利烏斯開始了對(duì)各種鹽、酸、氧化物與其他物質(zhì)組成的基礎(chǔ)研究。1811年，他提出了“電化二元論”，解釋了當(dāng)時(shí)已知的全部無機(jī)化合物的構(gòu)成。一直以來，貝采利烏斯非常注重對(duì)原子量的測(cè)定。為此，他發(fā)明并自己制作了許多分析儀器，創(chuàng)立了許多新的實(shí)驗(yàn)分析方法，其分析方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)在歐洲無人能出其左右。繼從礦物中發(fā)現(xiàn)鈰元素之后，貝采利烏斯又在烏拉爾鉑礦中分理出鈀、鋨、銠、銥4種元素，從四氟化硅中制得了單質(zhì)硅，又從鉛室中發(fā)現(xiàn)了元素——硒（圖6）。

貝采利烏斯還首創(chuàng)了用拉丁字母來表示元素符號(hào)，如硒的發(fā)現(xiàn)和命名。1817年，貝采利烏斯在硫酸制備器皿的底部發(fā)現(xiàn)了一層紅色粉狀物，除去其他雜質(zhì)后，對(duì)其加熱會(huì)產(chǎn)生植物腐爛的味道。起初，他預(yù)測(cè)這是——碲，但對(duì)其化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析，又排除了這個(gè)結(jié)論。這是與碲元素化學(xué)性質(zhì)非常相近的一種新元素，貝采利烏斯將其命名為“Selene（賽勒涅）”，意指“月光女神”。這就是硒（Se）元素。1818年，貝采利烏斯提出他最有名的研究成果原子量訂定，他以16g/mol氧原子為基數(shù)，訂定出45種已知元素的原子量。

貝采利烏斯將化學(xué)元素符號(hào)字母化，這是他對(duì)化學(xué)領(lǐng)域作出的重大貢獻(xiàn)之一。1826年，他以拉丁文訂下各種原子的符號(hào)，并且排出原子量表，這是最早的原素周期表。采用拉丁字母作為元素符號(hào)，非常便于記憶，且邏輯性嚴(yán)謹(jǐn)；可表示準(zhǔn)確的相對(duì)原子質(zhì)量。貝采利烏斯認(rèn)為：日常用字會(huì)隨時(shí)間而改變其用詞的涵義，非口語的拉丁文反而能留下原來的涵義。這一時(shí)期，分子論、元素周期律和化學(xué)結(jié)構(gòu)理論相繼誕生，化學(xué)符號(hào)不僅表示化學(xué)元素還用以表示在反應(yīng)方程式和結(jié)構(gòu)式上，之后還表示離子式、同位素等。在當(dāng)今世界任何一個(gè)國(guó)家的化學(xué)書籍上，語言文字各不相同，但相同的是化學(xué)符號(hào)。

1808年，貝采利烏斯開始著手撰寫《化學(xué)教科書》這一著作，其中對(duì)當(dāng)時(shí)主要使用得化學(xué)儀器的使用方法進(jìn)行了詳細(xì)的說明。這本書在之后的很長(zhǎng)時(shí)期成為化學(xué)領(lǐng)域主要的工具教科書，被譯成多種語言在歐洲及世界的大學(xué)中廣泛使用。

開創(chuàng)多個(gè)有機(jī)化學(xué)先河

早在1806年，貝采利烏斯就曾編寫過生理化學(xué)方面的課程和教材，第一次提出了“有機(jī)化學(xué)”的概念。在之后的多年內(nèi)，他又開啟了化學(xué)專業(yè)一門新的分支——“生理化學(xué)”；他命名了“同分異構(gòu)體”和“蛋白質(zhì)”；并首次發(fā)現(xiàn)了“催化現(xiàn)象”，提出“催化劑”的概念。

1808年，貝采利烏斯通過對(duì)人體血液和各種食物的分析，得出結(jié)論：菠菜富含人體血液血紅素中的鐵元素，多吃菠菜對(duì)人體有益。這個(gè)結(jié)論被當(dāng)時(shí)許多人嘲笑：吃綠色的蔬菜怎么能補(bǔ)充紅色的鐵？對(duì)此，貝采利烏斯不屑去反駁，他相信時(shí)間最終會(huì)證明他的結(jié)論。貝采利烏斯沒想到的是，數(shù)年后的人們受到他的啟發(fā)將分析化學(xué)與醫(yī)學(xué)相結(jié)合設(shè)立了“生理化學(xué)”學(xué)科，貝采利烏斯也成為之一學(xué)科的開山之祖。

之后，維勒與同為化學(xué)家的李比希在氰酸類物質(zhì)的研究中同時(shí)發(fā)現(xiàn)了同一種分子式的不同種結(jié)構(gòu)，但2個(gè)人都無法解釋這一現(xiàn)象。當(dāng)維勒給他致信向老師征求意見時(shí)，貝采利烏斯將維勒合成的尿素與李比希合成的氰酸氨命名為“同分異構(gòu)體（見圖7）”，這一概念由此產(chǎn)生。而在一次對(duì)乳酸的研究中，貝采利烏斯發(fā)現(xiàn)，乳酸在光學(xué)上有左旋和右旋2個(gè)結(jié)構(gòu)，他終于親自發(fā)現(xiàn)并證實(shí)了“同分異構(gòu)體”的真實(shí)性。

1835年8月20日，貝采利烏斯像往常一樣從實(shí)驗(yàn)室回到家，一進(jìn)門就被歡呼聲和祝福聲所感染，所有親朋好友和相交莫逆的同事都向貝采利烏斯致以生日祝福，妻子走過來擁抱了貝采利烏斯并對(duì)他說：“親愛的，今天是你的生日，生日快樂”！忙碌了一天的貝采利烏斯才意識(shí)到，自己的生日居然都忘了，這無疑是一份極大的驚喜。溫馨的氣氛當(dāng)然要用紅酒來渲染，他請(qǐng)妻子將家里珍藏的上好紅酒全部拿出與眾人一起分享。

當(dāng)大家舉杯共飲的時(shí)候，貝采利烏斯感覺喝到嘴里的不是紅酒，而是醋。于是對(duì)愛人說：“親愛的瑪利亞，在這美好的日子里，我們?cè)趺茨苷?qǐng)客人喝醋呢？”妻子深感疑惑，自己明明是從酒窖里拿出的紅酒，還是最好的，怎么會(huì)是醋呢？詢問賓朋，大家都說紅酒很好，并沒有酸味兒。難道是自己的味覺出了問題？貝采利烏斯懷疑到。端著酒杯，他發(fā)現(xiàn)自己的手上沾著一些黑色粉末，而且酒杯里面底部也有相同的粉末沉淀。他恍然大悟，自己太高興了，進(jìn)門后居然不曾洗手。這些黑色粉末是下班前自己做實(shí)驗(yàn)在研磨白金（鉑）時(shí)沾上的鉑黑粉末?；瘜W(xué)家思考問題終究還帶有專業(yè)的色彩，他第一時(shí)間意識(shí)到：紅酒變酸，很有可能是鉑黑粉末與紅酒發(fā)生了反應(yīng)，之前從未有人發(fā)現(xiàn)過這種現(xiàn)象。他趕緊將這杯紅酒連同酒杯收藏起來，并對(duì)賓朋說道：“這可是寶貝，我要收好”！所有人都以為貝采利烏斯似乎還沉浸在實(shí)驗(yàn)室的工作狀態(tài)，有人說：“親愛的瓊斯，這是在家，你怎么做實(shí)驗(yàn)都做到家里來了？”引得哄堂大笑，貝采利烏斯跟著大笑。

第二天，貝采利烏斯來到實(shí)驗(yàn)室，拿出昨天晚上那杯帶有酸味兒的紅酒，對(duì)紅酒與鉑黑粉末的混合物進(jìn)行分析，多次實(shí)驗(yàn)后終于證明：鉑黑粉末就是使紅酒變酸的“元兇”，它加速了紅酒里的乙醇與空氣中的氧氣反應(yīng)，酸味兒是因?yàn)楫a(chǎn)生了乙酸（醋酸）。1836年，貝采利烏斯在《物理與化學(xué)年鑒》雜志上發(fā)表文章闡述了這一發(fā)現(xiàn)和研究結(jié)論，并首次提出加速化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)是“催化劑”這個(gè)概念，并提出并解釋了“催化現(xiàn)象”。從此以后，催化劑在化學(xué)工業(yè)上發(fā)揮的作用越來越大，約有90%以上的化學(xué)工業(yè)過程要使用催化劑。

貝采利烏斯將一生都交給了他熱愛的科學(xué)事業(yè)。他與妻子終身無子嗣，也許從小受到繼父的影響，他與妻子對(duì)待學(xué)生就像對(duì)待自己的孩子一樣。正因如此，他的學(xué)生與他們相處得很是融洽，可以隨時(shí)到他的家里進(jìn)行交流和請(qǐng)教，貝采利烏斯將學(xué)生們既看成是自己的孩子又當(dāng)做朋友。在他的影響下，他的許多弟子都成為了著名的科學(xué)家，如首次人工合成尿素的德國(guó)化學(xué)家維勒，發(fā)現(xiàn)鋰元素的約翰·奧古斯特·阿爾弗德森（Johan August Arfvedson），發(fā)現(xiàn)釩元素的塞夫斯特倫（Sefstrom N G），發(fā)現(xiàn)稀土元素——鑭、鉺、鋱的卡爾·古斯塔夫·莫桑德爾（Carl Gustaf Mosander），提出“蓋斯定律”的俄國(guó)化學(xué)家蓋斯（Hesss），發(fā)現(xiàn)“同晶型定律”的德國(guó)化學(xué)家米希爾里希（E.E.Miischerlich）等。1808年，貝采利烏斯被選舉為瑞典科學(xué)院院士，1810年被選舉為瑞典科學(xué)院院長(zhǎng)。長(zhǎng)期的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，貝采利烏斯不得不經(jīng)常將身體暴露在有毒環(huán)境之下，他的健康受到了極大的傷害。1848年8月7日，貝采利烏斯因病在瑞典首都斯德哥爾摩逝世，享年69歲。瑞典政府和瑞典科學(xué)院為了表示對(duì)貝采利烏斯的尊重，按照貴族標(biāo)準(zhǔn)為他舉行了隆重的葬禮。值得慶幸的是，在貝采利烏斯生命的最后幾個(gè)月時(shí)間，他的得意門生們經(jīng)常陪伴在其左右，尤其是莫桑德爾和維勒幾乎陪伴到他閉上雙眼的那一刻。

貝采利烏斯的學(xué)生亨利·羅茲于德國(guó)柏林大學(xué)紀(jì)念其逝世3周年的演說中曾總結(jié)：“他（貝采利烏斯）就是這樣一個(gè)人，在他的研究工作中表現(xiàn)了極不尋常的品質(zhì)，他用很多實(shí)際和理論上的重要發(fā)現(xiàn)豐富了這門學(xué)科（化學(xué)）的所有分支，他用哲學(xué)精神總結(jié)了他的一生工作。他使他的學(xué)科系統(tǒng)化，用批評(píng)的力量為它開辟了前景。他是無與倫比的理論和實(shí)用化學(xué)教師，教導(dǎo)和鼓勵(lì)了大批學(xué)生。這位化學(xué)大師在如此巨大的范圍內(nèi)履行了科學(xué)的最高要求，以至他的人格在很多世紀(jì)中都將是光輝的榜樣而光芒四射?！睘橛涀∪鸬錃v史上最偉大的化學(xué)家，瑞典政府在首都斯德哥爾摩的市區(qū)修建了貝采利烏斯公園，延續(xù)至今。

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