电解离析出金属钾钠钙镁的戴维

Humphry Davy 1778一1829


    戴维和道尔顿是同时代的化学家。比道尔顿小12岁的戴维热情奔放,擅长演说,实验技术高明,年轻时就困做出了不少惊世之举而成为举世瞩目的化学家。他以实际行动在资本主义发展时期显示了科学的意义,为提高科学的社会地位作出了突出的成绩。

从学徒到科学家

    1778年12月17日,亨弗利·戴维出生在英格兰彭赞斯城附近的乡村。父亲是个木器雕刻匠。他5岁入学,是个淘气、贪玩的学生。他衣服的两个口袋,常常是一个装着钓鱼的器械,另一个装满了各种矿石,这是在离家不远的矿区拣的。他有惊人的记忆力,别人讲过的故事或自己看过的书,他不但记得故事情节,还能生动他讲叙出来。每逢过节聚会,大人们都喜欢让他背诵诗歌,小伙伴们则求他讲故事,这无形中培养了他的口才。当他读完小学后,父亲送他到彭赞斯城读书,寄养在外祖父家。在城里有一件新鲜享吸引了他,那就是医士配制药物时物质的各种奇异变化。此后他时常偷偷躲人顶楼,用碗、杯、碟作器具,学着做起实验来。偶而在实验中惹了麻烦,遭到外祖父的讽斥,但这丝毫也没有减弱他对化学实验的爱好。

    1794年他父亲去世,家境更加困难了。为了谋生糊口,作为长子的戴维被送到当地一位名叫柏拉兹的医生那里当学徒。这项工作很符合戴维的志趣。他一方面充当医生的助手,护理病人,学习行医的本领,另一方面他必须天天调配各种药物,用溶解、蒸馏的方法配制丸药和药水,真正地操作化学实验仪器。这时他才明白自己的知识大浅薄了,于是开始勤奋地学习,抓紧空隙认真阅读拉瓦锡的《化学概论》等化学著作。通过学习,他做实验的内容和目的明确了,凡是著作中讲过的实验,他尽可能地一一试试。凡是好书他都设法借到,如饥似渴地阅读。遇到学识渊博者,他就主动求教。恰好此时有个叫格勒哥里。瓦特(发明家詹姆斯·瓦特的次子)的人来到彭赞斯考察,小戴维闻讯后,登门求教。瓦特很喜欢这个聪明好学的年轻人,热情地帮助他解疑答惑。就这样,在四年的学徒生洁中,他的知识增长很快。

    1798年经瓦特介绍,戴维来到布里斯托尔,在帕多斯医生开设的气体疗病研究所实验室当管理员。在当时,许多气体相继被人们发现。人体吸人氧气,感到清新舒畅;氨气则有强烈的刺激性。究竟各种气体如何影响人的生理功能?哪些气体能用来治病?这些都是很多医生所关心的。帕多斯创办的这一研究机构则专门从事这一问题的探索。帕多斯懂得化学,擅长医术,戴维对这里有更好的学习和实验机会感到称心如意。他们共事一段时间后,帕多斯发现戴维有精湛的实验技术,是个有前途的人才,于是提出愿意资助戴维进大学学医。但是,这时的戴维对化学兴趣益浓,已下决心要一辈子从事化学研究,所以谢绝了帕多斯的好意。

    1799年4月,气体疗病所发生了一件事,使戴维的名声大振:戴维制取了一氧化二氮(又名笑气)。有人认为它是一种有毒气体,帕多斯认为它能治疗瘫痪病。究竟怎样多戴维决心亲自试验一下。许多朋友都劝他,认为这样做太危险。勇于探险的性格使戴维立即投入实验,事后在记录上他写道:“我是知道进行这实验是很危险的,但从性质来推测可能不致于危及生命。……当吸入少量这种气体后,觉得头晕目旋,如痴如醉,再吸四肢有舒适之感,慢慢地筋肉部无力了,脑中外界的形象在消失,而出现各种新奇的东西,一会儿人就象发了狂那样又叫又跳,……”醒来后,他觉得很难受。通过亲身的体会,他知道这种气体显然不能过量地吸人体内,但少量的可用在外科手术中作麻醉剂。随后他将这试验的过程和亲身的感受及笑气的性质写成小册子。许多人读到这小册子后,为戴维的介绍所吸引,好奇地以吸入笑气为时髦。戴维的名声就随着笑气而宣扬开了,许多人争先恐后地来结识戴维。此时他仅22岁。

    因研究热力学而出名的物理学家汤普逊即伦福德伯爵, 1799年来到了英国。为了普及科学知识,他通过私人募捐,在伦敦创办了皇家科普协会。这一科学团体并不进行教学活动,而是定期地举办各种讲座,传授科学的新发现及其应用。协会设有教授席位,并为教授提供设备完善的实验室。所聘请的教授几乎全是当时著名的科学家。

    1801年初,经多人推荐,戴维被皇家科普协会聘请。伦福德伯爵早闻戴维才干,但是他们第一次见面时,戴维穿的很破旧,神态也很拘谨,伦福德很失望。考虑到他很年轻,就委任他为化学助教,兼管实验室。不久戴维丰富的知识和高超的实验技术使伦福德意识到他最初的印象是个错觉,所以戴维到职后第六个星期就升任副教授,第二年又提为教授,成为第二任化学教授。

    在科学的讲座上,戴维以他的超群智力和非凡口才获得了出乎意料的成功。人们蜂拥而来,有时竟达千人之多,把会场挤得水泄不通。他很快就赢得了杰出讲演者的名声,成为伦敦的知名人士。正如当时有人的评述:“他的讲演给人的感觉和所得到的热烈称赞,完全出乎想象之外。许多科学家、文学家、大学生及那些庄重的绅士、时髦的小姐急切地拥挤在会场,看着这文弱青年的简单操作,听着那富于表情的叙述。他那渊博的知识、生动的比喻和精巧的实验引起了惊奇的注目,获得了极高的赞赏。许多人恭维他,请他吃饭,送他礼物,几乎把戴维忙得难以招架。听众的热烈情绪,对戴维是个极大鼓励,他更加勤奋地进行化学研究。每天很早起床,早饭前从事2小时的阅读和著写,上午10时进入实验室工作到下午4时,晚上是讲座或各种社交活动。日复一日坚持下去。成绩和荣誉没有辜负勤奋的人, 12年中戴维先后在电化学、建立酸的氢学说、发现碘元素、发明矿用安全灯、创制电弧灯等方面作出贡献。1303年他被选为英国皇家学会会员,1807年出任皇家学会秘书, 1820年被选为皇家学会会长。1826年积劳成疾而病倒,1827年死于日内瓦,终年51岁。

电化学的丰硕成果

    1799年意大利物理学家伏打发明了将化学能转化为电能的电池,使人类第一次获得了可供实用的持续电流。1800年英国的尼科尔逊和卡里斯尔采用伏打电池电解水获得成功,使人们认识到可以将电用于化学研究。许多科学家纷纷用电做各种实验。戴维在思考,电既然能分解水,那么对于盐溶液、固体化合物会产生什么作用呢?在皇家科普协会繁忙的工作中,他开始研究各种物质的电解作用。首先他很快地熟悉了伏打电池的构造和性能,并组装了一个特别大的电池用于实验。然后他针对拉瓦锡认为苏打、木灰一类化合物的主要成分尚不清楚的看法,选择了木灰(即苛性钾)作第一个研究对象。开始他将苛性钾制成饱和水溶液进行电解,结果在电池两极分别得到的是氧和氢,加大电流强度仍然没有其它收获。在仔细分析原因后,他认为是水从中作祟。随后他改用熔融的苛性钾,在电流作用下,熔融的苛住钾发生明显变化,在导线与苛性钾接
触的地方不停地出现紫色火焰。这产生紫色火焰的未知物质因温度太高而无法收集。再次总结经验后,戴维终于成功了。在1807年皇家学会的学术报告会上,戴维是这样介绍的:

    将一块纯净的苛性钾先露置于空气中数分钟,然后放在一特制的白金盘上,盘上连接电池的负极。电池正极由一根白金丝与苛性钾相接触。通电后,看到苛性钾慢慢熔解,随后看到正极相连的部位沸腾不止,有许多气泡产生,负极接触处,只见有形似小球、带金属光泽、非常象永银的物质产生。这种小球的一部分一经生成就燃烧起来,并伴有爆鸣声和紫色火焰,剩下来的那部分的表面慢慢变得暗淡无光,随后被白色的薄膜所包裹。这小球状的物质经过检验,知道它就是我所要寻找的物质。

    通过实验戴维进一步认识到,这种物质投入水中,沉不下来,而是在水面上急速奔跃,并发出咝咝响声,随后就有紫色火花出现。这些奇异的现象使他断定这是一种新发现的元素,它比水轻,井使水分解而释放出氢气,紫色火焰就是氢气在燃烧。因为它是从木灰中提取的,故命名为钾。

    对木灰电解成功,使戴维对电解这种方法更有信心,紧接着他采用同样方法电解了苏打,获得了另一种新的金属元素。这元素来自苏打,故命名为钠。

    连续六个星期的紧张实验,把戴维累得形容枯槁,两眼窝陷,脸色苍白,但是他还是以坚强的毅力坚持着。1807年11月19日,他支撑着在学术报告会上介绍了发现钾、钠两元素的经过。暴风雨般的掌声和热烈的祝贺,使戴维感到非常幸福,当他回到家中,病魔终于把他打倒。操劳过度招来的热病使他在死亡的边缘挣扎了9个星期。由于公众的关心,医生的日夜看护,病势终于好转了。

    疾病丝毫也没挫减他的锐气和热情。当身体稍好一点,他又来到实验室,开始新的攻关。从1808年3月起,他进而对石灰、苦土(氧化镁)等进行电解,开始时他仍采用电解苏打的同样方 法,但是毫不见效。又采用了其它几种方法,仍未获得成功。这时瑞典化学家贝采里乌斯来信告诉戴维,他和篷丁曾对石灰和水银混和物进行电解,成功地分解了石灰。根据这一提示,戴维将石灰和氧化汞按一定比例混和电解,成功地制取了钙汞齐,然后加热蒸发掉汞,得到了银白色的金属钙。紧接着又制取了金属镁、锶和钡。电化学实脸之花在戴维手中结出了丰硕的果实。

永载史册的业绩

    拉瓦锡曾认为所有的酸中都含有氧。这一观点一度很流行。据此,盐酸中应含有氧,氯不是元素而是氧化物。然而,化学家们想尽办法也没有从盐酸或氯气中找到氧刚刚在电解制取碱金属。碱土金属的实验中获得成功的戴维开始研究这一难题。通过一系列精心设计的实验,戴维确认氯气是一种元素,盐酸中不含氧,氢才是一切酸类不可缺少的要素。经过一段时间的检验,人们接受了戴维的观点,酸的氢元素说取代了错误的酸的氧元素说。从此,人们对酸的本质有了正确的认识。

    戴维生活的时代,工业革命在英国蓬勃地展开。燃料普遍以煤代替木材,大大刺激了煤矿的开采。然而瓦斯爆炸时常发生,它象魔鬼一样使矿工不寒而栗。矿主和矿工组成的“预防煤矿灾祸协会,久仰戴维的大名,登门请求戴维帮助。戴维立即亲赴矿场分析这一爆炸性气体,证明可燃气体都有一定燃点,而瓦斯的燃点较高,只有在高温下才可能点燃爆炸,通常由于矿井中点火照明而引爆了瓦斯。针对这点,戴维制作了一种矿用安全灯,并亲自携带此灯深入最危险的矿区作示范。戴维的发明很快被推广,有效地减少了瓦斯的燃爆,深受矿工们欢迎。这时有人劝戴维保留这一发明的专利,但是他拒绝了,他郑重申明:“我相信我这样做是符合人道主义的。”由此可见他从事科研的目的。

    戴维在研究硼酸、硝石、金刚石,在发现碘元素、发明弧光灯等许多方面作出了出色的成绩。在这些成绩之外,还有两件工作是后人常常称颂的。

    伦福德创办的皇家科普协会是靠私人捐助维持的,但是这种捐款很不容易筹得。虽然教授们的讲座的好坏对捐款有影响,但起决定作用的是学院的方向。按伦福德原先的设想,主要从事科普和应用科学新成就的示范。戴维等人让协会主动地为一些有影响的团体做一些科学实验,积极地承担某些有影响的研究项目,从而扩充了协会的工作内容。例如1802一1812年间,由于法国大革命而减少了对英国的粮食进口,为帮助农业发展,戴维在协会开设了农业化学的课程。1801一1806年,戴维还开展了制革技术的研究。1815年他发明了矿用安全灯。就这样,协会不再单纯地开设讲座,而兼作一个科研组织。不仅进行科普宣传,而且密切了科学与生产的联系,显示了科学的意义,提高了科学的社会地位。

    伟大的科学家法拉第是戴维发现的。由于戴维的帮助,法拉第来到了皇家科普协会实验室,由一个贫穷的订书工变成戴维的助手。虽然戴维在晚年,曾因嫉妒法拉第的成就而压制过他,但是不能不承认正是戴维对他的培养,为法拉第以后完成科学的勋业创造了必要的条件。所以戴维发现并培养了法拉第这样一个杰出人才,这本身就是对科学事业的一个重大贡献。