发现氢气的伟大学者——卡文迪许

Henry Cavendish  1731一1810


    历史上许多著名的科学家都有自己的鲜明形象。在他们当中,英国化学家卡文迪许的形象也许有点奇特,但是他那献身科学的一生给后人留下的印象却是完美而深刻的。

古怪的性格

    17一18世纪,在欧洲的科学家中,出身于中产阶级的为数不少。当时没有专门的科研机构,科学家很多是业余的。,他们根据自己的爱好作一些科学研究,器材、药品都得花自己的钱。这就要求科学家不仅具备有一定的经济条件,更需要一颗奉献给科学的心。卡文迪许恰好具备了这一切。许多人都说,卡文迪许是18世纪英国有学问人中最富者,有钱人中最有学问者。这样说的确毫不夸张。

    1731年10月10日,卡文迪许出生在英国一个贵族家庭。父亲是德文郡公爵二世的第五个儿子,母亲是肯特郡公爵的第四个女儿。早年卡文迪许从叔伯那里承接了大宗遗赠, 1783年他父亲逝世,又给他留下大笔遗产。这样他的资产超过了130万英镑,成为英国的巨富之一。

    尽管家资万贯,他的生活却非常俭朴。他身上穿的,永远是几套过时陈旧的绅士服。他吃的也很简单,就是在家待客,照样是羊腿一只。

    这些钱该怎么用,卡文迪许从不考虑,有一次,经朋友介绍,一老翁前来帮助他整理图书。此老翁穷困可怜,朋友本希望卡文迫许给他较厚的酬金。哪知工作完后,酬金一事卡文迪许一字未提。事后那朋友告诉卡文迪许,这老翁已穷极潦到,请他帮助。卡文迪许惊奇地问:“我能帮助他什么?”朋友说:“给他一点生活费用。”卡文迪许急忙从口袋掏出支票,边写边问:“2万镑够吗?”朋友吃惊地叫起来:“大多,大多了!”可是支票已写好。由此可见,钱的概念在卡文迪许的头脑中是很淡薄的。

    在当时,贵族的社交生活花天酒地。卡文迪许却从不涉足。他只参加一种聚会,那就是皇家学会的科学家聚会。目的很明确:为了增进知识,了解科学动态。当时的目击者是这样描述的,卡文迪许来参加聚会,总是低着头,屈着身,双手搭在背后,、悄悄地进入室内。然后脱下帽子,一声不响地找个地方坐下,对别人都不理会。若有人向他打招呼,他会立即面红耳赤,羞涩不堪。有一次聚会是一位会员作实验示范。这位会员在讲解中发现,一个穿着旧衣服、面容枯槁的老头,紧挨在身边认真听讲。当他看了他一眼,老头急忙逃开,躲在他人身后。过一会儿,这老头又悄悄地挤进前面注意地听讲。这奇怪的老头正是卡文迪许。

    许多熟人都知道卡文迪许性情孤僻,不喜欢与人谈话。在他的朋友中,能与卡文迪许交谈的没有几个人。化学家武拉斯顿算是其中一个。他总结了一条经验:“与卡文迪许交谈,千万不要看他,而要把头仰起,两眼望着夭,就象对空谈话一样,这样才能听到他的一些见解。”就是这样,卡文迪许的话也不多,他沉默寡 言得出奇,在同龄人中,可能是话说得最少的人了。这种怪僻性洛的形成与他从小生长的环境有一定关系。他两岁时,母亲因生育他弟弟而病逝,从此他失去了母爱。他父亲忙于社交活动,撇下他交由保姆看管,与外界极少往来。直到11岁才被送入一所专收贵族子弟的学校,在学校里他仍然很少与别人交往,这就使他显得特别孤独、羞怯。

二氧化碳的研究和氢气的发现

    由于这种古怪的性格,卡文迪许长期深居独处,整天埋头在他科学研究的小于地。他把他家的部分房子进行了改造。一所公馆改为实验室,一处住宅改为公用图书馆,把自家丰富的藏书供大家使用,1733年他父亲死后,他又将他的实验基地搬到乡下的别墅。将别墅富丽堂煌的装饰全部拆去,大客厅变成实验室,楼上卧室变成观象台。甚至在宅前的草地上竖起一个架子,以便攀上大树去观测星象。至于践踏了那些名贵的花草,他毫不在乎。这些都表明,对于科学研究池简直象着了魔一样。

    在社交生活中,他沉默寡言,显得很孤僻,然而在科学研究中,他思路开阔,兴趣广泛,显得异常活跃。上至天文气象,下至地质采矿,抽象的数学,具体的冶金工艺,他都进行过探讨。特别在化学和物理学的研究中,他有极高的造诣,取得许多重要的成果。

    “ 1766年,卡文迪许发表了他的第一篇论文“论人工空气的实验”。这篇论文主要介绍了他对固定空气(即二氧化碳,在化学命名法提出之前,人们是这样称呼二氧化碳的)、易燃空气(即氢气)的实验研究。

    早在1754年英国化学家布莱克就发现了固定空气,但是当时只知道加热石灰石可以获得它,人呼出的空气中含有它,木炭燃烧也产生它。至于怎样收集它,它的物理化学性质如何都不了解。在这些方面卡文迪许做了建设性的工作。 卡文迪许考察了收集反应气体的排水集气法,他发现固定空气能溶解于水,室温下的水可吸收固定空气的体积比水本身的体积还要大一点,水冷时可以吸收得更多。若将水煮沸,溶解于水中的固定空气则会逸出。酒精吸收固定空气的本领更大,约是其本身体积的2.25倍。某些碱溶液也能溶解固定空气,因此收集固定空气不能采用排水集气法,而应在不吸收固定空气的水银面上进行。他的这一介绍对于当时科学家研究气体是很有启发的。

    卡文迪许侧得国定空气比普通空气重1.57倍,测出了酸从石灰石、大理石、珍珠灰等物质中排出固定空气的重量,计算出这些物质中固定空气的含量。他还发现在普通空气中,若固定空气的含量占到总体积的1/9,燃烧的蜡烛在其中就会媳灭。这些实验研究使人们对二氧化碳的性质有了更多的了解。

    在卡文迪许之前,许多人曾制取过氢气,但是并没有认真研究它。卡文迪许用稀硫酸或稀盐酸与金属锌或铁作用获得氢气,发现它点火即燃,不溶于水和碱,比普通空气轻11倍,与已知的其它气体都不一样,从而断定它是一种新的气体。他还发现,一定量的金属与稀酸作用所放出的氢气的多少,与酸的种类、浓度无关,而随金属不同而相异。

    卡文迪许当时信奉燃素说,曾认为氢气就是燃素。恰好,当时的许多燃素说信徒都猜测燃素具有负重量。充满氢气的气球徐徐升空,曾使燃素论信徒受到鼓舞,他们的猜测似乎有了证明。然而细心的卡文迪许在弄清了空气的浮力原理后,以精确的实验测出氢气确有重量,从而否定了燃素具有负重量的观点。尽管他是信奉燃素说的,但是他更尊重科学实验的事实。

确认水的组成和意外的发现

    从1771年起,卡文迪许全神贯注在电学的实验研究上,这是他的一个系统、持久的研究课题。直到1781年普利斯特列在一项卡文迪许曾探索过的研究题目上有了新的发现,才把卡文迪许重 新技回到气体的研究中。
1781年,普利斯特列宣称他做了一个“毫无头绪”的实验:他将卡文迪许发现的氢气和自己发现的脱燃素空气(即氧气)混和在一闭口瓶中,然后用电火花燃爆,发现瓶中有露珠生成。他怀疑自己的实验结果,也无法解释自己的实验。当普利斯特列将这一情况告诉卡文迪许后,引起了后者的兴趣。在征得普利斯特列的许可后,卡文迪许继续这一实验。由于他设计的实验较精确,很快得到结论。在他1784年发表的论文“关于空气的实验,中指出:氢气和普通空气混和进行燃爆,几乎全部氢气和1/5的普通空气凝给成露珠,这露珠就是水。他又采用氧气代替普通空气进行多次实验,同样获得了水。他还证明氢气和氧气相互化合的体积此为2.02:1。由此他确认了水是由氢气和氧气化合而成的。

    在上述实验中,卡文迪许遇到两个意外的问题。他发现燃爆氢气与氧气的混和气体时,有时所产生的水有点酸味,用碱中和,再将水蒸发能得到少量的硝石。若氧气愈多,生成的酸也就多些;若氢气过量,则没有酸生成。这是为什么?为此他继续作了一系列实验,终于解决了疑难。

    在1785年发表的论文中,他指出水的酸味是因为水中含有硝酸或亚硝酸,它们的生成则由于氧气中混有氮气,在电火花燃爆的高温中,氧气和氮气会化合。而氢气与普通空气混和燃爆时,由于大量氮气的存在,反应温度不够高,从而无法生成硝酸。这一精细的实验为人们提供了一种由空气制取硝酸的方法。

    卡文迪许还发现,燃爆反应后的硝酸或亚硝酸用钾碱溶液中和,过量的氧气用硫化押溶液吸收掉后,试管里仍剩下一个很小的气泡,这气泡的体积约是氮气总体积的1/120。这部分气体的性质与氮气不一样。根本不参加化学反应。它究竟是什么呢?卡文迪许没法讲清。但是他为后人提出了一个研究课题,直到100年以后,英国化学家瑞利和拉姆塞才证实,这部分气体是惰性气体。

不图名不图利

    卡文迪许1767年发表的论文也引人瞩目。这篇文章介绍了他、关于水和固定空气的实验。将一个深水井的井水进行煮沸,发现有固定空气逸出,同时产生白色沉淀。他认为白色沉淀和固定空气原先都是溶于水的,它们可能是溶于水中的石灰质土。为了证明这一看法,他在清澈的石灰水中通入圃定空气,开始时产生乳白色沉淀,继续通入固定空气后,沉淀复又溶解,溶液再次澄清透亮。这时他将这溶液煮沸,立刻就象井水那样释放出固定空气并产生白色沉淀。

    卡文迪许的这一实验和他的解释使人们认清了一个常见的自然现象。在石灰岩遍布的地区,含有二氧化碳的雨水或泉水流经石灰岩地层、慢慢地溶解部分石灰石形成重碳酸盐溶液。这些溶液在石岩中缓慢下滴时,可能因温度变化或水汽蒸发,二氧化碳乘机逸去,碳酸钙结晶析出,日积月累,逐渐形成了石钟、石乳、右笋等奇特的景象。喀斯特地形构造有了科学的解释。

    卡文迪许自1766年发表第一篇论文,开始引起社会的重视,以后他又陆续发表了一些关于化学、物理学的富有成果的报告,逐渐引起英国乃至欧洲科学界的震惊,当时有人表示怀疑,为此英国皇家学会曾组织了一个委员会,重复卡文迪许的实验,结果完全证实了卡文迪许的卓越实验技巧和他对科学的诚实态度。卡文迪许是个了不起的科学家,赢得了科学界的尊敬。

    卡文迪许对牛顿是非常敬仰的,他从牛顿身上不仅吸取了献身科学的力量,还接下了牛顿的许多研究项目。他根据万有引力定律,研究过动力学;依据牛顿提出的热是微粒振动的观点,做了有关热的许多实验、发现了比热的测定法。他还运用万有引力定律,通过实验测定出地球的密度为水的密度的5.5倍,由此可以计算地球的相对重量。这些著名的实验不仅验证了万有引力定律的科学性,同时也表明卡文迪许具有扎实的数理基础和高超的实验技巧。

    卡文迪许从事科研不图名、不图利。当许多人推崇他发现氢气时,他谦逊他说:“这事早有别人注意到了。”他的许多论文和实验报告,没有急于发表,特别是关于自然哲学的许多论述基本上没有公开发表。也许由于他慎重,也许由于他羞怯,他自认为没有足够实验依据的手稿大部没有发表。所以在他将近50年的科研生涯中,他没有写一本书,这对于促进科学研究的发展是很可惜的。

    卡文迪许虽然一生独居,但是科学研究所开辟的新天地给他的生活提供了特别的斤趣。虽然他自小身体虚弱,但是他的生活一直很有规律,所以很少生病,直到1810年3月10日,才以79岁的高龄与世永别。