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第5章 维勒冲破“生命力论”

从18世纪到19世纪初期,化学界广泛流行着一种“生命力论”。它认为,有机物都来自有生命力的动、植物体,不可能用人工的方法来制造。这种把有机物神秘化的说法,人为地在有机物和无机物之间,制造了一条不可逾越的界限,严重阻碍了化学的发展。

1828年,科学界发生了一件大事,有人用无机物人工合成了有机物——尿素,以实验事实冲破了“生命力论”,为有机化学的发展开辟了广阔的道路。这位功绩卓著的人就是德国化学家弗里德里希?维勒。

弗里德里希?维勒1800年7月31日生于德国梅因河畔法兰克福城附近的埃斯欣姆。十几岁时就特别喜欢收集矿物和做化学实验。他对化学实验的爱好,到了入迷的程度。有时不动手做点实验,就难以入睡。也许正因为如此,后来他才从实验中有了重大发现。

卧室就是实验室

维勒在上中学时学习成绩不是很好,有时数学作业都不能按时完成,为此,老师还向家长告过他的状。可是,你到他家的二楼走进维勒的房间时,定会使你感到惊奇。这哪里像个居室,简直就是一间小小实验室。屋里摆满了烧杯、烧瓶、量筒、研钵,还有曲颈甑。地下几只木箱,盛满了各色各样的矿石。他常常在下课后钻进这个小小实验室,对照着一本《化学实验》书,做化学实验。他把做实验当成自己的最大乐趣。就因为这样,他时常忘了去完成老师布置的作业。

他的父亲并不支持他的这种爱好,甚至都不知道儿子的这个小小实验室是怎么搞起来的。但他父亲的一位好友布赫医生,却非常喜欢他。当他的《化学实验》书被生气的父亲没收以后,布赫医生便把自己的化学书借给他看。就此机会,他读了不少大化学家的著作和论文。

随着化学知识的增长,他觉得再在自己的实验室里做些硫燃烧之类的小实验,已经很不够了。他从一篇论文中看到,英国化学家维戴用电流成功地分解氢氧化钾和氢氧化钠,而制得两种新金属钾和钠。这引起了他的极大兴趣。他也要试一试用电解法制金属钾的实验。

还是在布赫医生的帮助下,他找来铜和锌板制成了电池,然后把两个电极插入熔融的氢氧化钾中。经过多次长时间通电,都未成功。他认为,自制的电池可能电流强度不够。但他不甘失败,又翻阅了许多书刊。他看到了盖吕萨克和泰纳提出的一种用高温还原制钾的方法。决定改用这种方法制取。他东奔西走,找来大石墨坩埚、风箱、木炭等等。小小实验室已不够用,他就把厨房也占用了。这次实验终于获得成功。制出的金属钾虽然只有很少的几粒,但用它与水反应时,现象跟文章里说的完全符合。

维勒,一个十几岁的中学生,在自己那简陋得不能再简陋的小小实验室里,靠自学、自己查阅资料,做了大量的实验。这充分表现出他那不凡的化学才能,为他以后的科学研究工作打下了很好的基础。

投奔名师

1819年,19岁的维勒成了马尔堡大学的大学生。按照父亲和家人的意见,他学的是医学,为的是让他能继承父业成为一个有名望的医生。但是,对维勒来说,感兴趣的还是化学,而不是医学。

入学后不久,他就把自己住的宿舍变成了化学实验室。每天下课回到宿舍,他就要做化学实验。否则,他躺在床上就难以入睡。就是在这间屋里,他对硫氰酸汞的性质进行了实验研究,并写出了第一篇科研论文。这篇论文发表后,得到著名化学家贝采利乌斯的好评。

为了使自己的化学研究能得到名师的指导,上大学的第二年,他便转到有著名化学家格梅林任教的海德堡大学。因为格梅林看过不久前他发表的论文,认为他的化学知识深厚、扎实,并具有很好的实验才能,同意他到自己实验室工作。这件事使他格外高兴。

格梅林的实验室,设备完善、药品齐全,他工作起来非常得心应手,再加上名师的指导,他的研究不断取得新的成果。1822年~1823年间,他连续发表了有关氰酸盐的制取和性质的论文。随后,他又研究有机体的排泄物,做了动物实验,从尿中分离出尿素。这对尿素的性质进行了详尽的研究。这些研究成果,都得到了教授们的称赞。

1823年9月,维勒顺利通过了毕业考试,并获得了海德堡大学医学博士学位。毕业后到哪里去?他对格梅林教授说:“如果让我离开化学,我的心就无法跳动。”格梅林教授热情鼓励他献身化学科学,并立即写信向瑞典著名化学家贝采利乌斯推荐了他。

不久,维勒便来到了贝采利乌斯的实验室,作为留学生进行了一年的研究。这是他第二次投奔名师。

贝采利乌斯是当时世界上最有名望的化学家。他在化学研究中,涉及的领域最广,科学成果最多,实验水平最高,被誉为世界化学大师。他研究工作的特点是,严密精确、观察细致、描述清晰、系统性强,但又在许多问题上表现得固执、保守。贝采利乌斯给维勒的课题是沸石的定量分析。这是一个难度很大的分析工作。正因为如此,维勒在这位名师的指导下,收益很大。

1824年秋末,维勒的留学期限已满,他恋恋不舍地离开了贝采利乌斯,返回故里法兰克福。

准备做些休整,再谋职业。但实际上,这个跟化学实验结下了不解之缘的年轻人是不会真正休息的。不几天,他的居室又变成了实验室。在这里,他又做了氨与氰酸反应制取氰酸铵的实验。但实验结果却出乎他的意外。他把反应后的溶液加热,然后冷却结晶,得到的白色晶体,并不具有氰酸铵的化学性质。因为氰酸铵与碱反应能放出氨气,但他的实验没有放出氨气;氰酸铵与酸反应会产生氰气,也没有发现氰。这种晶体到底是什么?他当时没能作出结论。

1825年,他接受聘请,在柏林工业学校任教。维勒一生中最卓越的成就,都是在这里取得的。最早制成金属铝他的第一项卓越成就,是制出了金属铝。

铝是地壳中分布很广、蕴藏量很大的元素。除了氧和硅之外就是铝了。但由于它的性质活泼,自然界没有游离的铝单质,均以化合状态存在,其中以铝硅酸盐为最多。如粘土、长石、云母等。

因为铝的性质活泼,所以要从铝的化合物提炼出纯的金属铝,并不是一件容易的事。1808年,大化学家贝采利乌斯和戴维曾用电解法分解铝土(含氧化铝)来制取金属铝,但没有获得成功。后来,维勒的朋友、丹麦化学家厄斯泰德又用生成铝汞齐的方法制取,也因为制得的铝不纯,未得到科学界的公认。

1827年,维勒先重复了厄斯泰德的方法,找到了铝不纯的原因。他又设计了用反应生成的无水氯化铝与钾高温反应的方法,终于获得了成功:灰色粉末——金属铝制取出来了。尽管他当时制得的铝很少,但他是第一个找到制铝方法的人。

后来,法国化学家亨利?德维尔,研究了维勒的方法并加以改进,制出了第一块银白色的铝锭。在当时,铝还没有大量生产,其价格跟黄金一样贵。德维尔说这是“来自粘土的白银”。此后,他就全力以赴研究出工业生产的方法,生产出大量的铝锭。

当德维尔制出铝锭并实现了工业生产后,有人就认为,德维尔才是铝的发现人。但德维尔本人仍然认为,维勒是第一个找到制铝方法的人。他用在博览会上展出的第一块铝锭,铸了一枚勋章,上面有维勒的名字和维勒提出制铝方法的年代——“1827”。他把这枚勋章赠给维勒。从此,他们二人结下了深厚的友谊,还共同做了一些课题的研究。

科学技术总是不断前进、不断发展的。继德维尔之后,美国的豪尔和法国的埃罗又研究出电解制铝的方法。现代工业生产中采用的就是电解法。

显然,我们不能以今天的科技水平,来衡量或贬低一个科学家在历史上的成就。我们要用历史唯物主义的观点,根据当时的历史条件,来评价一个人或一项成果所具有的价值。这样才会正确看待1827年维勒制出金属铝的功绩。

在维勒制出金属铝的第二年,又取得了一项具有历史意义的成就。这就是用无机物合成了有机物。

冲击“生命力”论

我们把物质分为有机物和无机物,是有一个历史过程的。17世纪后半期,化学家把自然界的物质,按照它们的来源分为矿物物质、动物物质和植物物质三大类。后来发现,植物中存在的一些物质,动物体内也存在。这样,动物物质和植物物质间的界限便消除了。于是,就把所有存在于生物界的物质统称有机物,意思就是有生机的物质;而把其他物质统称无机物,意思就是没有生机的物质。人类应用有机物的历史是很长的,但人类制取有机物则是18世纪末期才开始的。当时制取的有机物全来自生物体。例如,从动物的尿中制取尿素;从葡萄汁中制取酒石酸;从柠檬汁中制取柠檬酸;从酸牛奶中制取乳酸等。由此,人们得出一个结论,有机物只能来自生物体,不能用人工的方法来合成,并认为生物体内存在着一种“生命力”或者叫“活力”,有机物就是靠这种“生命力”而产生的。这就是直到19世纪初期,广为流传的“生命力论”,或者叫“生命力学说”。当时,包括贝利乌斯在内的许多大科学家,都相信这种学说。

果真有机物与无机物之间,就存在着这样一条不可跨越的界限吗?果真用无机物不能合成有机物吗?1828年,维勒用实验事实对此做了完全否定的回答。

这个实验就是他在4年前做过的。他用氨和氰酸本想制取氰酸铵,但得到的白色晶体却不具有氰酸铵的性质。这种白色晶体是什么?当时他没有作出结论。4年后,他重做这个实验,并对白色晶体作了认真的分析、检验,证明这种白色晶体就是尿素〔化学式为CO(NH2)2〕。

这正是他上大学时,从动物的尿中分离出来的尿素。那是从动物体中得来的,而这是人工合成的。他总结自己的实验结果,发表了题为《论尿素的人工制成》的科研论文。这篇论文就像是一发重炮,有力地冲击了流传已久的“生命力论”,破除了无机物与有机物之间那条人为的界限,为有机化学的发展开辟了新的途径,从而结束了不能用人工合成方法制取有机物的历史。

论文发表后,在化学界引起强烈反响。那些顽固坚持“生命力论”的人,还在千方百计地进行辩解。有人说,尿素是动物体的分泌物,是界于有机物与无机物之间的物质,不能算做真正的有机物。要制取真正的有机物,还是要靠“生命力”的。

但是,“生命力论”的辩护士们并没有守住自己的阵地。继维勒之后,科学家又陆续合成了醋酸、葡萄酸、柠檬酸、琥珀酸、油脂类及糖类物质。在大量无可争辩的事实面前,“生命力论”彻底被推翻了!正如恩格斯所说:“新创立的有机化学,它一个跟一个地从无机物制造出所谓有机化合物,从而扫除了这些所谓有机化合物的神秘性的残余。”

维勒与李比希

维勒在合成了尿素之后,为了进一步弄清尿素CO(NH2)2与氰酸铵NH4CNO的关系,他又继续做了研究。1823年,他分析过跟合成尿素有关的氰酸银的组成,结果发现,氰酸银的组成和化学家李比希对雷酸银组成的分析基本相同。为什么性质截然不同的两种物质组成竟然是相同的呢?他和李比希对此都没能做出解释。有一次,他们在朋友家里相遇,一见面就讨论起这个问题。当时,李比希还怀疑维勒测定的数据是不是有错误。当两人十分详尽地介绍了自己的实验后,疑虑便打消了。这次长时间的交谈使他们之间建立了友谊,并决定今后在研究工作中携手合作。

氧化银含量氰酸含量

氰酸银:7723%2277%

雷酸银:7753%2247%

从1829年开始,他们共同研究了氰酸、苦杏仁油等课题,还共同编辑出版了《物理学和化学年鉴》。他们感到迷惑不解的问题,也因为贝采利乌斯提出了同分异构的概念,而得到了解决。同分异构就是指组成相同而结构不同从而表现出不同性质的现象。氰酸银和雷酸银就是同分异构体。由此不难得出,尿素CO(NH2)2和氰酸铵NH4CNO也是同分异构体的结论。

1831年,由于李比希的推荐,维勒担任了卡赛尔工学院的教授。这里和柏林相比,离李比希工作的吉森大学更近了。他们经常会面或通信,商讨化学上的问题,还经常共同署名发表文章。他们这种志同道合的友谊,一直延续着、发展着。

由于维勒在化学上的卓越贡献。德国著名的格丁根大学于1836年又聘请他担任教授。欧洲几乎所有国家的科学协会、科学院和大学,都相继授予他名誉会员、名誉院士和名誉博士称号。1872年,英国皇家学会又授予维勒一枚金质奖章。

晚年,他的健康状况虽不如以前,但他依然进行研究,没有离开自己的实验室。1882年7月31日,在格丁根,他度过了82岁寿辰,两个月后便病逝了。临终前他还留下遗嘱,不要为他树立纪念碑。

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