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化學之大成者:勇敢且無畏!

2024-02-16 21:31:26

化學之所以被稱為“中心科學”,是因為它是眾多學科的源頭和基礎。現代化學的創立和締造,靠著多代人的篳路藍縷和前仆後繼。他們探究物質的終極特性,捕捉元素的純淨形態,合成自然界不存在的東西。當試管、燒杯中億萬條化學鍵轉移重組,浩蕩的新分子脫穎而出,時常伴隨著爆炸、燃燒、腐蝕和劇毒。

化學家的職業特徵之一,也許就是離危險很近。

戴維的“備用性命”

英國皇家學會第23任主席戴維爵士是近代化學重要的奠基人。1807年,他使用伏打電池對熔融狀態的氫氧化鉀和氫氧化鈉進行電離,第一次得到純淨的金屬鉀和鈉,次年接連發現了鈣、鍶、鎂、鋇,宣告了“電化學”的誕生。化學界曾把電解獲得的金屬通稱為“戴維金屬”。戴維最早確定氯是一種元素,打破了拉瓦錫提出的所有酸都含有氧的錯誤概念。戴維的一生成就,得益於對化學實驗的不厭其詳和不避艱險。

戴維的出生地——英國康沃爾郡彭贊斯城立有他的雕像

21歲時,戴維為測試各種氣體屬性,曾大量吸入一氧化碳導致嚴重中毒,多虧及時搶救才起死回生。朋友們調侃說他就像“有兩三條備用的性命”。

戴維還多次吸入由普利斯特里1772年合成的一氧化二氮而陷入昏迷,自此發現了最早的“麻醉劑”,並引發了上流社會吞吐“笑氣”尋歡作樂的時尚。1812年秋,戴維得到安培傳來的訊息,化學家杜龍發現新的合成物三氯化氮並因發生爆炸而失去1隻眼睛和3個指頭。戴維毫無畏懼,立即著手重複杜龍的實驗,他成功製取了三氯化氮並測定出這種黃色揮發性油狀液體的屬性。他也沒有逃脫爆炸的厄運,導致眼睛嚴重灼傷並一度失明。

對於這次事故,後人在痛惜之餘也感到幾分慶幸,因為戴維受傷後需要助手,法拉第才有機會當上了皇家學會實驗室的“臨時工”,從此走進了科學的殿堂。

當蒸汽機向煤礦深處挖進,億萬年積存的甲烷便“破煤而出”,接連不斷的礦難成為最恐怖的社會新聞。1812年5月25日,蓋茨黑德煤礦瓦斯爆炸造成92名礦工死亡,新成立的煤礦安全委員會正式具函英國皇家學會,點名懇請戴維出來應對危局,這也是工業界最早對科學界求援。

戴維發明的礦工用安全燈

戴維立即深入到最危險的礦井考察,並將6瓶瓦斯標本帶回實驗室,很快研製出著名的“戴維燈”——用細密的金屬絲網罩住燈芯,將火焰變成“籠中的金絲雀”,讓介面溫度散發到瓦斯的燃點以下又不影響空氣流通。1815年10月,安全燈在北英格蘭煤礦正式使用,戴維親自陪同煤礦工程師巴德爾到掌子面“以身試燈”,他確信“提燈的人應該走在前面”。安全燈挽救了無數礦工生命,也極大促進了煤炭生產。戴維因此獲得1817年拉姆福德獎。

1829年5月29日,戴維去世,年僅50歲。沒人知道究竟哪次化學實驗成為“壓倒駱駝的最後一根稻草”,但日積月累的毒物浸染,無疑是他死於盛年的重要原因。

舍勒的“家常便飯”

化學教科書上關於許多物質“無嗅、無味”等描述,都是化學家們用感官去體驗和認知的。

舍勒不愧為近代化學的著名先行者。這位瑞典藥劑師率先從礦石中發現氧、鉬、鎢、錳、氯等元素,從自然物中提取酒石酸、草酸、尿酸、乳酸、檸檬酸、氫氟酸、氫氰酸、亞砷酸等一大批有機和無機酸,並對氯化氫、一氧化碳、二氧化碳、二氧化氮等多種氣體有深入的研究。他實現了磷的規模化生產,帶來瑞典火柴工業的世界領先地位。舍勒做過上千次化學實驗,在極其原始的條件下,他習慣了用舌頭和鼻子充當最便當的“檢測儀器”。

舍勒

拿破崙之死,被歸因於流放聖赫勒拿島時桌布顏料“舍勒綠”(亞砷酸氫銅)黴變而引起的砷中毒,而砷、汞、鉛卻是舍勒的“家常便飯”,他品嚐和嗅聞過無數有害物質。1785年秋後,健康的“欠債”開始總清算,他的皮膚髮生病變,腎臟迅速衰竭,醫生的結論是汞中毒。1786年5月21日,舍勒最終病逝,時年43歲,結婚僅2天。阿西莫夫說舍勒是“最背運的化學家”,他的諸多成果因發表延誤和身份低微而記入了別人的功勞簿。但舍勒沉迷實驗,淡泊名利,成為科學精神的楷模,“舍勒嘗百毒”的故事也不脛而走,留給後人久遠的遐思和追念。

本生的“赴湯蹈火”

大凡在高中上過化學實驗課的人都熟悉“本生燈”。比起那些火焰明亮而溫度不高的煤氣燈,“本生燈”預先將煤氣和空氣按比例充分混合並完全燃燒,產生沒有光彩卻達到2000℃高溫的“純淨火焰”,這也許最能體現它的發明者——德國化學家本生的性格和人品。

本生電池則用碳棒取代格魯夫電池中的鉑作為陰極,成為廉價高效的通用電源,帶來電鍍業和鎂光燈的問世。本生用電解法成功製備出足量的鈉、鈣、鎂、鋁、錳、鋇、鋰、氯,讓這些元素從實驗走向實用。本生最具里程碑意義的貢獻,是和基爾霍夫一起發明了分光儀,讓每種元素獨特的譜線成為其“身份證”;19世紀60年代先後發現了銫和銣,帶來了新一輪元素大發現和星際化學的創立。很少有人像本生那樣,在化學各分支都立下豐功偉績,也很少有人像他那樣,一生都在化學實驗中赴危歷險。

本生從1843年起研究劇毒易燃的二甲砷基化合物,實驗中發生爆炸掀開了面罩,玻璃碎片飛進他的右眼造成永久失明。1868年實驗室又發生銠和銥金屬粉末爆炸,幾乎奪去另一隻眼睛。本生兩次因吸入含砷化合物而嚴重中毒,多虧自己發現的水合氧化鐵解毒劑才使他起死回生;1845年冰島海克拉火山爆發,本生“赴湯蹈火”深入到地下30多米,對超過100℃的“過熱水”源頭觀測研究,發現了間歇泉的噴湧機理。

德國海德堡的本生銅像

本生的一雙大手如同專為化學實驗定做的,飽受酸鹼腐蝕和煙火燻烤,像鐵匠和木匠的手一樣長滿老繭。他從來不用鉗子而用手揭開灼熱的坩堝蓋,他用指頭在本生燈上測試火焰溫度,他的右手拇指在“用進退廢”中比左手拇指大一號,能輕鬆利索堵住測氣管口。只有在和女士同赴宴席時,才會儘量把引為自豪的大手悄悄藏到桌下。

本生因沉迷於實驗而嚴重怠慢了女友致使終身未娶,但卻廣樹桃李、弟子如雲,他的學生中有門捷列夫和三位諾貝爾獎獲得者拜耳、哈伯、勒納德。而大巧若拙、履險若夷的本生精神成了化學行業的表率和典範。

化學界的“氟之殤”

化學界最曠日持久、英勇悲壯的一役,大概要數將氟“捉拿歸案”了。氟作為鹵族元素中“個頭”最小、電負性最強的原子,化學性質超級活潑,幾乎能和一切金屬或非金屬劇烈反應,產生牢不可破、難解難分的化合物,地球上從來沒有遊離狀態的氟。

螢石又稱氟石,主要成分是氟化鈣。自然界中的螢石色彩多樣

自從1771年舍勒從氟石中製出氫氟酸後,戴維便對氟加以命名並率先嚐試用電解法分離出單質。而氟卻會“咬爛”電極,“撕裂”容器,沒有一種材料耐得住它的腐蝕。氫氟酸的毒性尤為可怕,不僅吸入後摧毀肺臟和軟組織,只要接觸皮膚便能以小分子的“靈巧身段”鑽進體內,並向縱深穿插直至刻骨,和體內的鈣、鎂結合,破壞神經系統而造成肌肉麻痺和心臟停搏。

但科學家並沒有“談氟色變”。1836年,愛爾蘭的諾克斯兄弟用氟石當容器,對氟化銀和氟化汞進行電解,哥哥幾乎中毒身亡,弟弟3年臥床不起;1850年,比利時化學家魯耶特出師未捷,便因吸入過多氫氟酸而不幸捐軀;此後犧牲於“氟之殤”的是法國化學家尼克爾;1856年,巴黎理工學院教授弗雷米電解氟化鈣,眼見陰極上生成了氟,卻搖身即變,無法捕捉;1869年,英國科學家戈爾電解氟化銀已頗有勝算,但得到的少量氟氣卻和陰極產生的氫氣發生爆炸,最終落得負傷下陣,功敗垂成。

歷經百年損兵折將和生聚教訓,法國化學家莫瓦桑挑起了天降大任。這位弗雷米的學生和尼克爾的同鄉曾使用多種方法,但均告失敗,4次因嚴重中毒而被迫停止實驗,最終選取了氫氟酸和氟化鉀混合配方——既維持無水性又確保導電性。並用鉑銥合金U形管為容器,以天然氟石蓋子密封。最關鍵的突破是將電解裝置冷凍到-23℃的低溫,減緩氟和鉑金電極的反應速度。

莫瓦桑可謂“使盡了拖刀計,費盡了擔山力”,1886年6月26日,“撒旦元素”氟終於一舉成擒,現出淡黃色氣體的原形和“真身”。人類自此把鹵族元素盡收彀中。1906年莫瓦桑成為法國第一個諾貝爾獎得主,但2個多月後便在巴黎猝然病逝,年僅54歲。

莫瓦桑

因為和化學打交道而遇險蒙難的科學家是指不勝屈的。蓋·呂薩克、法拉第都曾在爆炸中眼睛受傷;諾貝爾家族更為“安全炸藥”付出了親人的生命;萬花筒的發明者布魯斯特曾因化學毒物濺入雙目而終身備受煎熬;太陽光譜吸收線發現者夫朗禾費長期研製玻璃透鏡而鉛中毒,39歲便英年早逝;碳14發現者魯本在實驗事故中死於碳醯氯中毒。

隨著防護技術的進步和操作規範的嚴格,化學實驗室不再是危機四伏的地方,但卻從來沒有告別風險。

1996年8月14日,美國新罕布什爾州達特茅斯學院48歲的化學教授沃特哈恩不慎將一滴二甲基汞落在左手手套上,雖然立即徹底清洗,但劇毒卻已經滲透乳膠進入皮膚,沃特哈恩最終因汞中毒於次年6月8日去世;2006年3月24日,法國米盧斯國立高等化學院實驗室發生爆炸使大樓摧毀,41歲的光化學家布林吉特當場身亡;2009年12月29日,美國加州大學洛杉磯分校23歲的化學助理桑吉在處置叔丁基鋰時不慎起火,造成3度燒傷並於18天后去世……

令人痛心的清單每年都在繼續延伸,並且永遠不會打住。 在化學家們已經發現118種元素和掌握6000萬種物質及其相互作用的今天,誠如諾貝爾獎得主沃爾伍德所言,“從老的自然界旁邊又建立了一個新的自然界”。 而人類知識疆界的每次開拓,都必須準備跨過未知的雷區和不測的陷阱。

(來源:網路 版權屬原作者 謹致謝意)

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