《人類科學技術史-249》波義耳的化學成就

波義耳的化學成就
1.近代化學的發生

近代化學遲至17世紀中期才產生，它的產生與煉金術有很大關系。當中國煉金術通過阿拉伯傳入歐洲后，第一個真正相信煉金術，并且認真地研究過煉金術的人，是13世紀的實驗科學的開拓者、英國哲學家羅吉爾.培根(1214-1294年），他曾進行過煉金術的實驗，并開始試制火藥。1317年，羅馬教皇約翰二世頒布禁令，嚴禁煉金術，但煉金術仍在發展之中，為尋找黃金和"哲人之石"——當時歐洲人對"丹"的另一種稱呼，眾多的煉金術陷入了盲目的化學實驗中，但卻導致了某些元素、金屬鹽類、無機酸、酒精等許多新的化學發現。

15世紀末和16世紀初，煉金術與煉丹術在歐洲進入了全盛時期，而以行醫和制藥為職業的煉金術士瑞士的巴拉塞爾蘇斯(1493-1541年）則是這一時期內煉金術的主要代表人物。他曾用水銀制劑治好過一些病，并在煉丹術的實驗中煉制過一些金屬藥劑，在一系列的實驗中，他對蒸餾、溶解、升華、還原、凝結等操作過程進行了研究。他相信古希臘自然哲學中四元素理論，認為四元素在人體內變成了鹽、琉、汞三要素，這三要素就構成了人體的三基，而這三基又分別支撐著人的身體、靈魂和精神。他的煉丹術與煉金術奠定了最初的醫藥化學基礎。

比利時的煉金術士赫爾蒙特(1579-1644年）則是從煉金術向近代化學過渡時期的代表人物。1609年他偕同新婚的妻子隱居于維爾伏爾德長達7年，從事他自己所說的"火術"(實為煉金術）的研究。在實驗中，赫爾蒙特最先發現，空氣并不是一種純凈物質，不是一種元素，而是一種含有不同類別氣體的混合物，他曾發現了二氧化碳、一氧化碳、二氧化氮。因此，他曾不止一次地把自己稱為"氣體發明家"。此外，赫爾蒙特還在實驗中試制并使用了硫酸、硝酸等無機酸，辨認出人體的胃液中所含有的酸以及膽汁中所含有的堿。他還初步發現了真空的存在。

然而，赫爾蒙特對近代化學的貢獻，主要是他的化學實驗方法和化學元素理論。

在化學實驗方法上，他十分重視化學實驗中的定量分析，他在實驗中廣泛地使用天平，這就促進了定量分析方法在化學實驗中的運用和發展。定量分析是煉金術向近代化學轉變的重要一步。

在化學元素理論上，赫爾蒙特以他的實驗事實為基礎，否定了古希臘自然哲學中的元素學說，他認為，元素之所以稱為元素，是因為它們不能轉變成別的東西，而且也不能把它們還原為更簡單的狀態。根據元素這一定義，他認為土與火并不是元素，而只有水和空氣才是真正的元素。這個元素的定義為后來波義耳確定元素的科學定義奠定了直接的理論基礎，波義耳認為赫爾蒙特"在實驗方面比許多學者所樂意認為的更加偉大"。赫爾蒙特死于1644年，他的主要著作《醫學入門》于1648年出版，正是在這一著作的影響下，英國青年波義耳踏上了把煉金術徹底轉變為化學的科學道路。

2.波義耳的實驗化學成就

波義耳(1627-1691年）生于愛爾蘭的利菲莫爾堡的一個貴族家庭。為了學習大陸科學，少年時，曾到意大利、瑞士等國留學，在留學期間，他學習了當時尚處于煉金術襁褓中的早期化學。1644年，他父親、保皇黨派的理查德伯爵被擊斃，他只得趕回愛爾蘭多爾塞特郡老家，去看守祖傳莊園并開始過隱居生活。在隱居期間，他進行了哲學和早期化學的研究。

1646年，波義耳應邀加入了由威爾金斯組織的群眾性科學社團——"哲學學會"(亦稱無形學院）。1648年，威爾金斯被克倫威爾政府任命主持對牛津大學的改革，威爾金斯邀請波義耳到牛津去工作。本來，早在1645年，波義耳就曾在他家的位于牛津的祖傳領地斯泰爾橋籌建過物理化學實驗室，此時，波義耳也極想返回自己在牛津的實驗室。1654年，波義耳應邀重返牛津。自此以后，波義耳的實驗化學研究進入了一個新的時期。

在牛津期間，波義耳重建了斯泰爾橋的物理化學實驗室，聘請了包括青年胡克在內的一批助手，開始進行多種課題的實驗化學研究，如與胡克一起進行的大氣壓力實驗、多種燃燒實驗，差不多都是在牛津進行的。波義耳在牛津留居長達十四年之久，斯圖亞特王朝復辟后，波義耳移居倫敦。在倫敦，他創建了英國第一所專門的化學實驗室，以進行新的化學實驗。

在實驗上，波義耳所作過的許多實驗都曾在近代化學史上產生過深遠影響。在牛津期間，波義耳曾與胡克一起用格里凱發明的抽氣機進行過減壓蒸餾實驗，以后又進行過大氣壓力實驗，正是這些實驗，導致波義耳在1662年發現了以他和另一個法國物理學家兩人命名的氣體定律，即氣體的體積與壓力成反比的波義耳——馬略特定律。

波義耳進行過不少燃燒實驗，特別是各種燃燒的對比實驗。他進行了真空條件下燃燒與充足空氣條件下燃燒的對比，發現了燃燒與空氣的密切關系，1673年，他根據這些燃燒對比事實，寫成了論文《關于火焰與空氣關系的新實驗》，最先揭示了空氣是燃燒的基本條件這一事實。

波義耳也進行過不少金屬焙燒實驗，他在1673年發表的《使火與焰穩定并可稱重要的新實驗》一文中，曾描述過這樣一個實驗：把一塊8盎司重的錫放在一個敞開的燒瓶中加熱，結果發現錫的重量增加了18格林。他在這一實驗事實的基礎上提出的"火粒說"成為后來"燃素說"的理論先導。

此外，波義耳還進行過其他許多重要的化學實驗，如酸與堿對類似于指示劑的植物染劑的顏色實驗；動物在真空與非真空兩種不同條件下的呼吸與生存實驗。他還是磷的發現者之一，為研究磷的制取方法和化學性質也進行過不少實驗。

波義耳是近代化學史上第一個杰出的實驗化學家，為近代化學的奠基人，他的成就與他所受培根的實驗歸納法影響密不可分。因此，就科學方法而言，他是培根實驗歸納法的實踐者，是吉爾伯特與哈維的實驗傳統的直接繼承人。

3.波義耳的理論化學成就

在波義耳以前，人們事實上已經發現了不少可以稱得上是元素的元素。遠在古代，人們就發現了銅、錫、鋅、鉛、金、銀、汞等金屬元素，后來，人們又發現了砷、碳等非金屬元素，但是，對于到底什么是元素，人類卻一直處于迷茫之中。在古代中國，人們從自然哲學中的猜測出發，認為土、木、水、火、金是五種基本元素，而古希臘哲學家恩培多克勒把水、土、氣、火稱為四種基本元素，并以此構成煉金術士所說的"三基"。因此，從古代到中世紀，人們一直都說不清楚什么才是真正的元素。只是到了赫爾蒙特時，對元素觀的理論研究才稍有起點，但他的水和空氣是元素的具體結論卻是錯誤的，而他的關于元素不能互相轉變和不能還原成簡單的東西的定義，卻是元素發展史上的一大進步。

正是在積極吸取古希臘哲學原子論和赫爾蒙特的元素定義的基礎上，波義耳提出了一個關于元素的科學定義，他說："我說的元素的意思和那些講得最明白的化學家說他們的要素的意思相同，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份，也是完全混合物最終分解成的要素。"

波義耳的元素定義的提出，激起了人們對已知的"元素"進行重新鑒別的熱情，人們發現，根據波義耳的元素定義，被煉金術士們稱作元素的琉和汞確實是元素；而被煉金術士們稱為元素的鹽、水、空氣根本不是元素；反之，煉金術士們認為不是元素的銅、鐵、鋅、碳等倒是真正的元素。

波義耳的元素定義的提出，也激起了人們尋找新元素的熱情，正是在波義耳元素定義的指引下，終于導致以后一系列新的化學元素的發現。而化學也因之得到迅速發展。

波義耳的元素定義，除受赫爾蒙特的元素定義的影響外，也受到了古希臘哲學中的原子學術的影響。波義耳不僅在原子學說的基礎上提出了元素的定義，而且還試圖以原子學說來解釋化學反應。他認為，有些元素之間之所以能發生化合作用，是因為在元素中存在著粒子團，由于粒子團中的"粒子并不是非常緊密的附著在一起，但這些粒子可以在另一種微粒中相遇，同其中的一些微粒結合，比這些粒子彼此之間的結合更為緊密"。波義耳的上述見解，已初具化學原子論的理論雛形。

4.近代化學的奠基

由于波義耳在實驗化學與理論化學兩方面的重要貢獻，就為近代化學奠定了初步基礎。他一生著述甚豐，其主要化學著作是發表于1661年的對話集：《懷疑的化學家：或化學物理的懷疑與悖論，涉及煉金家普遍推崇并為之辯護的而又為化學家通常認為實在的種種要素》，他的主要化學成就，大都反映在此書中。

由于"波義耳把化學確立為科學"(《自然辯證法》），由于他在化學史上確實開創了一個新的時期，即近代化學時期，因此他被視為近代化學的奠基者，柏廷頓這樣評述："把波義耳稱為近代化學奠基者有三個理由：①他認識到化學值得為其自身目的去進行研究，而不僅僅是從屬于醫學或作為煉金術去進行研究——雖然他相信煉金術是可能成功的；②他把嚴密的實驗方法引入了化學中；③他給元素下了清楚的定義，并且通過實踐證明亞里士多德的四元素和煉金家的三要素(水銀、硫磺和鹽）根本不配稱為元素或要素，因為其中沒有一個可以從物體(例如金屬）中提取出來"。他為化學贏得了獨立的科學地位；把嚴密的實驗方法引入化學；最終確立了元素定義。

正是由于這三大貢獻，波義耳使化學最終擺脫煉金術的襁褓，進入了近代化學新的發展時期。