书城童书我的第一本化学探索发现全纪录
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第23章 重大科学发明和发现(4)

白磷被发现以后,又大量投入生产并成为商品出售,它到底有什么用途呢?它在最早时期,除了供应实验室用及制造磷头火柴之外,几乎没有其他的用途。磷头火柴是当时使用最方便的引火工具。然而白磷有剧毒,又极易着火,很快就被安全火柴所代替。我们现在所用的安全火柴也要用磷,那就是涂在火柴盒两侧酱紫色的东西,它的主要成分是红磷。红磷跟白磷互为同素异形体,但红磷的着火点比白磷要高得多,而且毒性也极小。现在生产的白磷主要用于合成含磷的农药,这类农药有极强的毒性,使用时要特别小心。

磷就是这样被发现和推广应用的。

磷是一种化学性质很特别的元素,它是动植物体内必需的营养元素,缺少它,植物的果实便不能丰硕饱满,人的骨质特别是神经的发育就会受到影响。因此人在青少年发育时期,就应多吃含磷质较多的食物。

溶液导电性的揭示

我们知道,液体溶液具有导电性,解开这个秘密的是瑞典化学家阿累尼乌斯,由此他创立了化学上的电离理论。

阿累尼乌斯生于瑞典,父亲是乌普萨拉大学的总务主任。阿累尼乌斯3岁就开始识字,并学会了算术。父母并没有专门教他学什么,他是看哥哥写作业时逐渐学会了识字和计算。他的启蒙教育可以算得上“无师自通”了。6岁时他就能够帮助父亲进行复杂的计算。

阿累尼乌斯聪明,好学,精力旺盛,有时候也惹是生非。在教会学校上小学时,就常惹老师生气。有一次他给同学们讲故事,竟过了上课时间,老师想要处罚他,却又被他逃了过去。

进入中学后,阿累尼乌斯各门功课都名列前茅,特别喜欢物理和化学。聪明的人总喜欢多想一些为什么,遇到疑难的问题他从不放过,经常与同学们争论一番,有时候也和老师辩个高低。中学毕业,他以优异的成绩考入乌普萨拉大学。他选择了物理专业但仍然保持了对化学的兴趣。接着,他比通常期限提前半年通过了候补博士学位的考试,被校方认为是奇才。阿累尼乌斯选择有关电解质方面的课题作为学位论文,而乌普萨拉大学在这方面条件不足,于是他决定拜斯德歌尔摩大学的埃德隆教授为师。当时埃德隆教授正在研究和测量溶液的导电性质。埃德隆教授非常欢迎阿累尼乌斯的到来,在教授的指导下,阿累尼乌斯研究浓度很稀的电解质溶液的电导。

从19世纪80年代初开始,阿累尼乌斯对溶液的导电性进行了一系列的测量,直到次年才结束。他花了几个月时间对实验结果进行整理,概括、计算。同时,他还查阅了学术刊物中与这个问题有关的论文,对有关数据都做了比较,探索各种物质意想不到的现象和解释。在实验中,最使他惊奇的是,很稀的溶液通电后的反应与浓溶液相比,规律要简单得多。以前的化学家也发现了在浓溶液中加入水之后,电流就比较容易通过,甚至已经发现加水的多少与电流的增加有一定的关系。然而他们却很少去想一想,电流和溶液浓度之间的关系。

通过实验和计算,阿累尼乌斯发现,电解质溶液的浓度对导电性有明显的影响。“浓溶液和稀溶液之间的差别是什么?”阿累尼乌斯反复思考着这个很简单的问题。“浓溶液加了水就变成稀溶液了,可水在这里起了很大的作用。”阿累尼乌斯静静地躺在床上,顺着这个思路往下想:“纯净的水不导电,纯净的固体食盐也不导电,把食盐溶解到水里,盐水就导电了。水在这里起了什么作用?”阿累尼乌斯坐起来,决定把这个问题搞清楚。他想起英国科学家法拉第19世纪30年代中期提出的一个观点:“只有在通电的条件下,电解质才会分解为带电的离子。”“是不是食盐(化学名称是氯化钠)溶解在水里就电离成为氯离子和钠离子了呢?”这是一个非常大胆的设想。因为法拉第认为:“只有电流才能产生离子。”可是现在食盐溶解在水里就能产生离子,与法拉第的观点不一样。不要小看法拉第这个人,虽然他已经去世了,但是他对物理上的一些观点在当时还是金科玉律。

另外,还有一个问题要想清楚,氯是一种有毒的黄绿色气体,盐水里有氯,并没有哪个人因为喝了盐水而中毒,看来氯离子和氯原子在性质上是有区别的,因为离子带电,原子不带电。到19世纪80年代初阿累尼乌斯根据实验作出这样的结论:溶液稀释时,导电性增加的原因是水。

阿累尼乌斯的新理论是这样的:要解释电解质水溶液在稀释时导电性的增加,必须假定电解质在溶液中具有两种不同的形态。即非活动性的分子形态和活动性的离子形态。实际上,稀释时电解质的部分分子分解为离子,这是活性的形态;而另一部分则不变,这是非活性的形态。因为当时化学家一般都认为溶液中的离子是通入电流后产生的。

阿累尼乌斯决定对他的想法进行理论上的概括,并准备写成论文发表。他把第一篇题名为《电解质的导电率研究》,第二篇题名为《电解质的化学理论》。这两篇论文经斯德哥尔摩科学院讨论后推荐发表。阿累尼乌斯渴望留在乌普萨拉工作,他把两篇论文的校样作为学位论文向大学提出。学术委员会接受了这两篇论文,并指定在一年后进行答辩。阿累尼乌斯获得委员会的赞许,答辩得很好。但教授克利夫不同意他的理论。他认为:“纯粹是空想,我不能想象,比如,氯化钾怎样会在水中分解为离子。钾在水中单独存在可能吗?任何一个小学生都知道,钾遇水就会产生强烈的反应,同时形成氢氧化钾和氢气。可是氯呢?它的水溶液是淡绿色的,又有剧毒,而氯化钾溶液则是无色的,完全无毒。”

虽然溶液中离子的形成不决定于电流的想法,威廉逊、克劳胥斯等化学家早已提出过,但那仅仅是一种没有验证的假设。阿累尼乌斯不但论述得很明确,而且通过实验证明了这个假设的正确性。他甚至还计算出,在氯化氢的溶液中,有92%的溶质处于活性形态,也就是说大部分溶质分解为离子了。这些结果也为其他科学家所证实 。

阿累尼乌斯进一步研究认为,在电解中两极间的电位差只起指导离子运动方向的作用,并没有分解分子;相同当量的离子,不管溶质是什么,都带有同量的电荷,因而在两极沉淀物的当量是相同的,这与法拉第的认识是一致的。这个理论还解释了各种溶液中的反应热。例如稀释的强酸和强碱的中和热,不管它们是什么,都是相同的。这是因为在强酸和强碱之间的反应都是氢离子和氢氧根离子结合成水分子的反应,中和热都相同。其他溶液中的反应热都可以从电离理论中得到解释。分析化学反应中的许多现象,如沉淀、水解、缓冲作用、酸和碱的强度以及指示剂的变色等也都可以从电离理论中得到合理的解释。

阿累尼乌斯由于提出了电离学说,于1903年荣获了诺贝尔化学奖。阿累尼乌斯的电离理论为物理化学的发展开创了新阶段,同时也促进了整个化学的进步。

甚至当初反对过电离理论的克利夫,也在阿累尼乌斯获得诺贝尔奖后认为:“这一新的理论是在困难中成长起来的。那时化学家不认为它是一种化学理论,物理学家也不认为它是一种物理学理论 。但是 ,这种理论却在化学与物理学之间架起了一座桥梁。”克利夫还认为阿累尼乌斯与贝采里乌斯是瑞典的骄傲。他在纪念贝采里乌斯的讲演会上说:“从贝采里乌斯肩上卸下的斗篷,现在已经由阿累尼乌斯戴上了。”这句话充分指出了阿累尼乌斯理论的重要意义。

阿累尼乌斯是一个著名的化学家,他所创立的电离理论为化学的发展开创了一个新的阶段,同时也促进了整个化学的发展和进步。

“裂变”概念的提出

我们知道,原子弹、氢弹的原理是裂变,提出这一概念的是核化学家莉泽·迈特纳。

20世纪初的一个秋天,迈特纳刚刚获得博士学位,抱着求知的强烈愿望,从她的故乡奥地利维也纳来到当时的普鲁士帝国的首都柏林,加入了奥托·哈恩所在的柏林大学研究所工作。值得一提的是,当时这个研究所是不准许妇女进入工作的,只因用化学反应确定糖的结构而于5年前获得诺贝尔化学奖金的著名科学家、柏林大学化学教授埃米尔·费舍尔慧眼识才,她才被安排在装满辐射检测仪器的楼外的一个工作间里,进出还只能走外面的大门。

迈特纳做了实实在在的化学实验,其结果是惊人的——分离并发现了新的放射性元素镤即元素周期表的91号元素。可是,这个伟大成果是以哈恩为第一作者报道的,迈特纳只是哈恩的“助手”!这个功绩几乎完全记在哈恩头上。

20世纪30年代后期,有部分犹太血统的迈特纳从希特勒德国逃亡到荷兰,随身仅仅携带两个小箱子、10马克以及哈恩的母亲送给她“以备急需”的一枚钻戒,她被准许进入挪威。经过多次的商谈,迈特纳终于在斯德歌尔摩的诺贝尔研究所谋到了一个职位,做实验研究。但在这里远比她在柏林的待遇差得多,她不受老板的欢迎,她的感受是整个地被隔离在科学研究基础设施之外,不能激励起智慧来。不久,她的外甥奥托·罗伯特·弗里施来斯德歌尔摩过圣诞节,发现她正在读哈恩寄来的信,信中描述了用中子作用于铀发现产物具有钡的放射性的惊人事件。她认为,这是因为,吸收了中子的铀几乎都分裂成完全相等的两部分(原子核发生分裂),生成原子序数居中的多种元素。于是迈特纳跟弗里施一起对这一实验结果做出了理论解释,并以来信的形式发表出版的《自然》杂志上,在这篇著名的文章里,迈特纳跟弗里施一起提出了一个新的核反应概念——裂变。在这篇刚过一页的小文里,他们描绘了铀裂变的基本图景。后来,迈特纳又用实验验证了裂变。她还弄清了原子核分裂时会放出巨大能量的事实,原子弹的制造就是从这里开始的。

迈特纳一生没有嫁人,过独身生活,但她并非孤僻冷漠。她与许多科学家建立长期良好的关系,是许多科学家及其妻子们的密友。

原子弹可以说是战争中的终极武器,它的作用原理是核裂变反应。发现这个化学反应的是女化学家莉泽·迈特纳。她的这个发现具有很大的突破性,使人类充分认识了物质内部的反应方式,获得了取得巨大能量的化学方法。

药品中的特种兵——锂

锂,又叫锂盐,是一种人们不太熟悉的元素。它是一种柔软的银白色的金属,别看它的模样跟有些金属差不多,但它的作用可是与众不同呢。

在医学上锂是作为一种治疗精神病的药物——碳酸锂服务于医学界的。发现这个用途的是澳大利亚一位名叫卡特的精神病学家。

20世纪40年代中期,卡特发现,从某些英国的水井中取出来的水有助于治疗精神病,经过化验发现,这些井水中恰恰含有锂的化合物。

在寻找癫狂症——精神压抑症病因的过程中,卡特发现,由于甲状腺的过分活化或者过分不活化,则会引起这种精神失调症;在对患者进行临床观察时,卡特曾推测,有一种存在于尿中的物质可能是造成癫狂症和精神压抑症的主要原因。于是他就将某些癫狂病人的尿的试样有控制地注射到猪的腹腔中去,结果发现猪果然中毒了。他猜测这种毒性分子可能就是尿酸。然而当卡特进一步想用尿酸做试验时却碰到了具体的困难,因为尿酸在水中的溶解度低,于是他又考虑用尿酸盐来代替,其中尿酸锂的溶解度比较大。当给试验过的猪注射尿酸锂溶液以后,卡特出乎意外地发现这种试验动物中毒性现象大大减低。这就说明锂离子可以抵御尿酸所产生的毒性。于是卡特进一步用碳酸锂代替尿酸锂,试验取得了更好的效果,这便有力地证明了锂盐具有治疗癫狂症和精神压抑症的作用。

20世纪40年代后期,卡特开始把他的成果应用于临床试验,即用碳酸锂来治疗到他那儿就医的、有限的、比较合适的病人。在取得成功的那些病例中,有一个最引人注目的例子。这位患者已经51岁,他处在慢性的癫狂性的兴奋状态足足已有5年。他不肯休息一下,有时还要胡闹和捣乱,经常妨碍别人休息,因而成为被长期监护的对象。但是这位患者经过卡特医生三周的锂化合物的治疗以后,便开始安定下来,并且很快成为恢复期的病人。以后,他又经过一段时间的观察,并继续服用了两个月的锂药剂后,就完全康复了,并且很快地回到了原来的工作岗位。

从卡特的研究取得成功后,一直到今天为止,锂盐已经广泛地被用来治疗精神失调症,虽然锂的作用机理还有待于进一步探讨研究,但是它的治病效果却是肯定可靠的,并且也是非常惊人的。卡特的工作成果是十分宝贵的,因为他仅仅是用了一种简单的无机化合物,便能控制住难治的精神失调症。

一个医生的研究和发现,却在化学上产生了巨大的影响,这说明科学的相通性和复杂性。它启示我们,只要认真做一件事,就会成功的。

元素周期表中未发现的四种元素存在吗

1869年,俄国的门捷列夫发明了元素周期表。这个周期表不仅对当时已知的元素做了清楚的分类和整理,也能够根据前后左右邻接的元素的性质,相当详细地掌握未知元素的性质。因此,科学家们开始有组织地探索新元素。

到1925年为止,除43号元素、61号元素、85号元素和 87号元素外,从1号元素氢到92号元素铀,都已发现。

围绕着剩下的四种元素,化学家之间不顾一切地展开竞争。当然,这些元素是稀有的,再用过去的化学分析方法已行不通。因此,使用光谱线的分光镜分析法,利用莫兹利法则,用电子轰击物质,使之发出X射线,根据其波长来判断原子序数等方法,就成了进行研究的有力武器。对发现者,不仅个人可获得荣誉,而且还有权给发现的元素命名。

其间,有许多人都公布说自己发现了这四种元素。但是,这些“发现”都是假的。实际上,在这四种元素中,有三种地球上根本不存在。1937年,佩里埃和西格雷取得了43号元素。这是人类取得的第一个人造元素,因此,他取希腊语43(人造)这个词,命名为锝。85号元素和61号元素分别于 1904和 1947年由西格雷和马林斯基等人制造出来,分别命名为砹(即希腊语不稳定的意思)和钷(由希腊神话中的巨人普罗米修斯而来)。87号元素,是1939年由佩雷小姐根据锕放出X射线后发生蜕变这种罕见现象发现的,于是用她的祖国法国命名为钫。但是,这种元素的寿命只有12分钟,因此,即使说地球上存在,也只不过是一瞬间而已。