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罗伯特波义耳

罗伯特波义耳(Robert Boyle,1627-1691),英国化学家,化学史家都把1661年作为近代化学的开始年代,因为这一年有一本对化学发展产生重大影响的著作出版问世,这本书就是《怀疑派化学家The Sceptical Chemist》,它的作者是英国科学家罗伯特波义耳。革命导师马克思、恩格斯也同意这一观点,他誉称"波义耳把化学确立为科学"。

罗伯特波义耳(Boyle,R.1627-1691)出身于爱尔兰的贵族,家境富裕。自幼受过良好的教育,8岁入伊顿学校,11岁能操法语和拉丁语,12岁去法国、瑞典、意大利旅游和学习。4年后回到英国住多尔塞特,博览了科学、哲学和神学等方面的书籍。波义耳27岁迁居牛津,同胡克等许多科学家进行每周一次的学术交流,自称他们的聚会是“无形大学”,后来这个组织发展为世界第一个学会组织──英国皇家学会。1663年该学会受英王查尔斯第二之特许,设会所于伦敦。

波义耳崇信弗培根的唯物主义哲学和实验方法论。在17世纪初期,弗培根一方面提倡科学,宣传功利主义的科学观。他的科学思想在英国的传播对皇家学会的建立起了极其关键的作用。另一方面,培根几乎倾全力研究实验方法论。为新兴的近代科学提供新工具。对欧洲尤其是英国的近代科学的先驱者牛顿、胡克、波义耳等产生了重大的影响,波义耳在培根思想的影响下,在青年时就建立了自己的实验室。

1689年后波义耳本来就不是很好的健康继续恶化,他退出了一切社会活动,结束了与皇家学会的关系,公开对不能接待来访者进行道歉。在这种闲居中,他打算整理思想和文章,并希望从事一些秘密的传给后人的化学研究。1691年12月30日,他姐姐去世后仅仅一周,波义耳去世。葬于圣马丁教堂墓地,按照他的遗嘱,他捐赠他写的关于上帝存在讨论的演讲稿,以供后来学者进行讨论。

波义耳在科学研究上的兴趣是多方面的。他曾研究过气体物理学、气象学、热学、光学、电磁学、无机化学、分析化学、化学、工艺、物质结构理论以及哲学、神学。其中成就突出的主要是化学。

和当时的许多科学家一样,波义耳首先研究的对象是空气。通过对空气物理性质的研究,特别是真空实验,他认识到真空所产生的吸力乃是空气的压力。他做了一系列实验来考察空气的压力和体积的关系,并推导出空气的压力和它所占体积之间的数学关系。在他的著作《关于空气弹性及其物理力学的新实验》中,他明确地提出:“空气的弹性和它的体积成反比”。法国物理学家马略特在此后15年也根据实验独立地提出这一发现。所以后人把关于气体体积随压强而改变的这一规律称作波义耳一马略特定律。这一定律用当今较精确的科学语言应表达为;一定质量的气体在温度不变时,它的压强和体积成反比。

在化学实验中,波义耳读了不少前人的有关著作,也了解到当时的一些科研成果。这不仅开阔了他的眼界,丰富了他的思想,同时也为他整个实验的安排提供了指导。当时德国有位工业化学家格劳伯,大半生从事化学实验,对金属冶炼、酸碱盐的制取有较多的研究,对于振兴德国的工业做出了重大贡献,格劳伯的事迹以及他的关于化学实验的著作《新的哲学熔炉》给了波义耳一个重要的启示,使他认识到化学在工业生产中所具有的广泛意义,化学不应只限于制造医药,而是对于整个工业和科学都有着重要作用的科学。为此,他认为有必要重新来认识化学,首先要讨论的是什么是化学。

波义耳根据自己的实践和对众多资料的研究,主张化学研究的目的在于认识物体的本性,因而需要进行专门的实验)收集观察到的事实。这样就必须使化学摆脱从属于炼金术或医药学的地位,发展成为一门专为探索自然界本质的独立科学。这就是波义耳在《怀疑派化学家》中所阐述的第一个观点。为了引起人们的重视,他在书中进一步强调指出:“化学到目前为止,还是认为只在制造医药和工业品方面具有价值。但是,我们所学的化学,绝不是医学或药学的婢女,也不应甘当工艺和冶金的奴仆,化学本身作为自然科学中的一个独立部分,是探索宇宙奥秘的一个方面。化学,必须是为真理而追求真理的化学”

为了确定科学的化学,波义耳考虑到首先要解决化学中一个最基本的概念:元素。最早提出元素这一概念的是古希腊一位著名的唯心主义哲学家柏拉图,他用元素来表示当时认为是万物之源的四种基本要素:火、水、气、土,。这一学说曾在两千年里被许多人视为真理。后来医药化学家们提出的硫、汞、盐的三要素理论也风靡一时。波义耳通过一系列实验,对这些传统的元素观产生了怀疑。他指出:这些传统的元素,实际未必就是真正的元素。固为许多物质,比如黄金就不含这些“元素”,也不能从黄金中分解出硫、汞、盐等任何一种元素。恰恰相反,这些元素中的盐却可被分解。那么,什么是元素? 波义耳认为:只有那些不能用化学方法再分解的简单物质才是元素。例如黄金,虽然可以同其它金属一起制成合金,或溶解于王水之中而隐蔽起来,但是仍可设法恢复其原形,重新得到黄金。水银也是如此。

至于自然界元素的数目,波义耳认为:作为万物之源的元素,将不会是亚里士多德的“四种”也不会是医药化学家所说的三种,而一定会有许多种。现在看来,波义耳的元素概念实质上与单质的概念差不多,元素的定义应是具有相同核电荷数的同一类原子的总称。现在这种科学认识是波义耳之后,又经三百多年的发展,直到20世纪初才清楚的。波义耳当时能批判四元素说和三要素说而提出科学的元素概念已很不简单,是认识上一个了不起的突破,使化学第一次明确了自己的研究对象。在《怀疑派化学家》一书中,在明确地阐述上述两个观点的同时,波义耳还强调了实验方法和对自然界的观察是科学思维的基础,提出了化学发展的科学途径。波义耳深刻地领会了培根重视科学实验的思想,他反复强调:“化学,为了完成其光荣而又庄严的使命,必须抛弃古代传统的思辨方法,而象物理学那样,立足于严密的实验基础之上。”波义耳正是这样身体力行的。波义耳把这些新观点新思想带进化学,解决了当时化学在理论上所面临的一系列问题,为化学的健康发展扫平了道路。如果 把伽利略的《对话》作为经典物理学的开始,那么波义耳的《怀疑派化学家》可以作为近代化学的开始。

在波义耳众多的科研成果中,还有几项不能磨灭的化学成就。波义耳常说,“要想做好实验,就要敏于观察。”这几项成就都是实验中敏锐观察的结果。

波义耳女友去世后,他一直把女友最爱的紫罗兰花带在身边。在一次紧张的实验中,放在实验室内的紫罗兰,被溅上了浓盐酸,爱花的波义耳急忙把冒烟的紫罗兰用水冲洗了一下,然后插在花瓶中。过了一会波义耳发现深紫色的紫罗兰变成了红色的。这一奇怪的现象促使他进行了许多花木与酸碱相互作用的实验。由此他发现了大部分花草受酸或碱作用都能改变颜色,其中以石蕊地衣中提取的紫色浸液最明显,它遇酸变成红色,遇碱变成蓝色。利用这一特点,波义耳用石蕊浸液把纸浸透,然后烤干,这就制成了实验中常用的酸碱试纸石蕊试纸。

也是在这一类实验中,波义耳发现五倍子水浸液和铁盐在一起,会生成一种不生沉淀的黑色溶液。这种黑色溶液久不变色,于是他发明了一种制取黑墨水的方法,这种墨水几乎用了一个世纪。

在实验中,波义耳发现,从硝酸银中沉淀出来的白色物质,“如果暴露在空气中,就会变成黑色。这一发现,为后来人们把硝酸银、氯化银、溴化银用于照相术上,做了先导性工作。

晚年的波义耳在制取磷元素和研究磷、磷化物方面也取得了成果,他根据“磷的重要成分,乃是人身上的某种东西”的观点,顽强努力地钻研,终于从动物尿中提取了磷。经进一步研究后,他指出:磷只在空气存在时才发光;磷在空气中燃烧形成白烟,这种白烟很快和水发生作用,形成的溶液呈酸性,这就是磷酸,把磷与强碱一起加热,会得到某种气体(磷化氢),这种气体与空气接触就燃烧起来,并形成缕缕白烟。这是当时关于磷元素性质的最早介绍。

波义耳所以取得这么大的成就,正如他所说:“人之所以能效力于世界,莫过于勤在实验上下功夫。”

波义耳定律(Boyle's law,有时又称 Mariotte's Law):在定量定温下,理想气体的体积与气体的压力成反比。是由英国化学家波义耳(Boyle),在1662年根据实验结果提出:“在密闭容器中的定量气体,在恒温下,气体的压强和体积成反比关系。”称之为波义耳定律。这是人类历史上第一个被发现的“定律”。

公式:V=k/P

V是指气体的体积

P指压强

k为一常数

这个公式又可以继续推导,理想气体的体积与强的乘积成为一定的常数,即:

PV=k

如果在温度相同的状态下,A、B两种状态下的气体关系式可表示成:

PAVA=PBVB

习惯上,这个公式会写成:

p2=p1V1/V2

波义耳定律的伟大意义 

波义耳创建的理论波义耳定律,是第一个描述气体运动的数量公式,为气体的量化研究和化学分析奠定了基础。该定律是学习化学的基础,学生在学习化学之初都要学习它。

波义耳具有实验天赋,还证实了气体像固体一样是由原子构成的。但是,在气体中,原子距离较远,互不连接,所以它们能够被挤压得更密集些。早在公元前440年,德谟克里特就提出原子的存在,在随后的两千年里人们一直争论这个问题。通过实验,波义耳是科学界相信原子确实是存在的。

波义耳定律的发现历程 波义耳生于伯爵之家,是英国科学协会的会员。在1662年科学协会的会议上,罗伯特胡克(Robert Hooke)宣读了一篇论文,论文描述法国关于“空气弹性”的实验。17世纪,科学家对空气特征产生了浓厚兴趣。

法国科学家制造了一个黄铜气缸,中间装有活塞,安装得很紧。几个人用力按下活塞,压缩缸里的空气。然后,他们松开活塞,活塞弹回来,但是没有全部弹回来。不论他们隔多长时间做一次实验,活塞总是不能全部弹回来。

通过这项实验,法国科学家声称空气根本不存在弹性,经过压缩,空气会保持轻微的压缩状态。

波义耳宣称法国科学家的实验不能说明任何问题。他指出,活塞之所以不能全部弹回来,是因为他们使用的活塞太紧。有人反驳道,如果活塞稍松,四周就会漏气,影响实验。

罗伯特波义耳许诺要制造一个松紧适中的绝好活塞,证明上述实验是错误的。

两周后,罗伯特波义耳手持“U”形大玻璃管站在众会员面前。这个“U”形玻璃管是不匀称的,一支又细又长,高出3英尺多,另一支又短又粗,短的这支顶端密封,长的那只顶端开口。

波义耳把水银倒进玻璃管中,水银盖住了“U”形玻璃管的底部,两边稍有上升。在封闭的短管中,水银堵住一小股空气。波义耳解释,活塞就是任何压缩空气的装置,水银也可以看作“活塞”。向法国实验所期望的那样,波义耳的做法不会因为摩擦而影响实验结果。

波义耳记录下水银重量,在水银和空气交界处刻了一条线。他向长玻璃管中滴水银,一直把它滴满。这时,水银在短玻璃管中上升到一半的高度。在水银的挤压下,堵住空气的体积变成不到原来的一半。

在短玻璃管上,波义耳刻下了第二条线,标示出里面水银的新高度和堵住空气的压缩体积。

然后,通过“U”形玻璃管底部的阀门,他把水银排出,直到玻璃活塞和水银的重量与实验开始时的重量完全相等。水银柱又回到它实验开始的高度,堵住的空气又回到它当初的位置。空气果真有弹性,法国科学家的实验是错误的,波义耳是正确的。

罗伯特波义耳用玻璃活塞继续实验,发现了很多值得注意的事情。当他向堵住的空气施加双倍的压力时,空气的体积就会减半;施加3倍的压力时,体积就会变成原来的1/3。当受到挤压时,空气体积的变化与压强的变化总是成比例。他创建了一个简单的数学等式来表示这一比例关系,现在我们称之为“波义耳定律”。就认识大气、利用大气为人类服务而言,这一定律是极为重要的。

《怀疑派化学家》1661年出版,《化学家的故事》,《矿泉的博物学考察》,《关于空气弹性及其物理力学的新实验》 《关于火焰与空气关系的新实验》,《形式与性质的起源》(1666年,一书总结了原子论哲学的要点

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