罗伯特 · 波义耳：把化学确立为科学，提出人类历史上第一个被发现的“定律”
来源 | 自然杂志/科普中国 编辑 | 化学加
导读
人类的化学知识 , 可以追溯到几千年前的古代。到了十七世纪初 , 人们在生产和生活的各个领域 , 特别是在金属冶炼 、药物制造两大部门中 , 积累了相当丰富的化学知识。不过当时的化学知识还相当零乱，需要收集整理。化学理论也非常空虚，化学家盲目地信奉着以亚里士多德为代表的逍遥派哲学家的 “ 四元素 ” 学说， 以及医药化学家的 “ 三元素 ” 学说。著名的英国学者罗伯特 · 波义耳 第一个在这荆棘载途的土地上开出一条路来，指引化学沿着正确的道路前进 , 从而把化学确立为科学。历史上的今天，1627 年1月25日，罗伯特 · 波义耳于生于爱尔兰利斯莫尔城。这篇文章就为大家介绍一下波义耳和化学之间那些事。
波义耳肖像图
波义耳生活在英国资产阶级革命时期，也是近代科学开始出现的时代，这是一个巨人辈出的时代。波义耳在1627年1月25日生于爱尔兰的利兹莫城。就在他诞生的前一年，提出“知识就是力量”著名论断的近代科学思想家弗朗西斯·培根刚去世。伟大的物理学家牛顿比波义耳小16岁。近代科学伟人，意大利的伽利略、德国的开普勒、法国的笛卡尔都生活在这一时期。
波义耳出生在一个贵族家庭，家境优裕为他的学习和日后的科学研究提供了较好的物质条件。童年时，他并不显得特别聪明，他很安静，说话还有点口吃。没有哪样游戏能使他入迷，但是比起他的兄长们，他却是最好学的，酷爱读书，常常书不离手。8岁时，父亲将他送到伦敦郊区的伊顿公学，在这所专为贵族子弟办的寄宿学校里，他学习了3年。随后他和哥哥法兰克一起在家庭教师陪同下来到当时欧洲的教育中心之一的日内瓦过了2年。在这里他学习了法语、实用数学和艺术等课程，更重要的是，瑞士是宗教改革运动中出现的新教的根据地，反映资产阶级思想的新教教义熏陶了他。此后波义耳在实际行动中虽然未参与任何一派，但是他在思想上一直是倾向于革命的。
波义耳在家里是14个兄弟姐妹中最小的一个：在他三岁时，母亲不幸去世。也许是缺乏母亲照料的缘故，他从小体弱多病。有一次患病时，由于医生开错了药而差点丧生，幸亏他的胃不吸收将药吐了出来，才未致命。经过这次遭遇，他怕医生甚于怕病，有了病也不愿找医生。并且开始自修医学，到处寻找药方、偏方为自己治病。哈特利伯的鼓励使他下决心研究医学。当时的医生都是自己配制药物，所以研究医学也必须研制药物和做实验，这就使波义耳对化学实验发生了浓厚的兴趣。
在研究医学的过程中，他翻阅了医药化学家的许多著作，他很崇拜比他大50岁的比利时医药化学家海尔蒙特。海尔蒙特不论白天黑夜，完全投入化学实验，自称为“火术的哲学家”。这就成为波义耳学习的榜样。波义耳为自己创造了一个实验室，整日浑身沾满了煤灰和烟，完全沉浸于实验之中。波义耳就是这样开始了自己献身于科学的生活，直到1691年底逝世。
他发明了酸碱指示剂
波义耳的口头禅是：“要想做好实验，就要敏于观察。”而他就是如此践行的。
相信读过初中化学的人们对石蕊试纸一定不陌生，这种试纸有红色和蓝色，碱性溶液使红色试纸变蓝，酸性溶液使蓝色试纸变红。有了石蕊试纸，就可以知道一瓶溶液的酸碱性。聪明的读者已经猜到了，石蕊试纸就是由波义耳所发明。
波义耳是一个热爱生活和艺术的翩翩绅士，他喜欢在实验室里摆放一株自己最爱的紫罗兰花，欣赏花的芬芳以中和实验的紧张。在一次实验中，波义耳不慎将浓盐酸溅到花瓣上面，花瓣上立刻逸散出丝缕白烟，波义耳刻不容缓把花拿到水龙头处冲洗一番，然后插回花瓶。这时波义耳突然发现一个奇怪的现象，原本深紫色的紫罗兰竟然变成了红色。细心的波义耳将这一现象记录在案，后续进行了许多花木与酸碱相互作用的实验。通过大量的实验，波义耳发现大部分花草受酸或碱作用都能改变颜色，其中从石蕊地衣中提取的紫色浸液最为明显，它遇酸变红，遇碱变蓝。波义耳用石蕊浸液把纸浸透，然后烤干，这就是世界上第一张石蕊试纸。
他对化学元素下了清楚的定义
研究化学归根结底是研究不同元素之间的反应，在波义耳之前，关于元素的说法最广为人接受的有两个，第一个是古希腊哲学家柏拉图的“四元素说”，他认为万物都可以用以下这四种元素来表示，即：火、土、水、气。这一说法广为流传，一度被认为是雷打不动的真理。第二个是由医药化学家学家们所提出的“三要素说”，医药化学家是一个在今天看来很奇怪的称呼，但在当时却非常流行。因为当时的医生都是自己配制药物，所以研究医学也必须研制药物和做实验。值得一提的是，波义耳一开始就是通过医药研究实验热爱上化学。他们根据自己实验的提取物，认为世界是由硫、汞、盐三要素组成。
三要素也好，四要素也罢，波义耳都没有轻信。一个好的科学家的必备是具有怀疑一切真理的能力，包括上帝。波义耳通过一系列实验将这两个说法相继推翻。
海尔蒙特认为，元素之所以称为元素，是因为它们不能转变成别的东西，而且也不能把它们还原为更简单的状态。波义耳借鉴前者的观点，为化学元素下了一个清楚的定义：“我说的元素的意思和那些讲得最明白的化学家说他们的要素的意思相同，是指某种原始的、简单的、一点也没有掺杂的物体。元素不能用任何其他物体造成，也不能彼此相互造成。元素是直接合成所谓完全混合物的成份，也是完全混合物最终分解成的要素。”
这样一来，元素就不是简单的三个或者四个，而是有无数个。
他是第一位真正的临床分析化学家
如果你以为波义耳只会做一些实验，那就太小瞧他了，他不仅能够熟练地操作实验室里的器材，完成各种微妙而复杂的化学实验，他同时对人体也有着开创先河的研究。
1684年，波义耳出版了一部名为《人血的自然史略》的医学著作，在这本书里，他总结了自己在血液分析方面的实验成果。这是有史以来，人类第一次将化学分析方法用于临床医学。通过实验，波义耳证明了血液中含有氯化钠，并将之称为固定盐。血液蒸馏后的砖红色残渣也引起了他的注意，由此推断血液中含有铁。他是最早发现血液中存在氯化钠和铁的科学家。仅仅这一点，就足以让他青史留名。但波义耳从来没有停止在自己的研究成果之上，他总是不断地开创、开创、开创，重要的事情要说三遍。
研究完血液之后，波义耳对人体内另外一种液体发生了兴趣——他通过对尿液的化学分析，独立制取了磷元素，并对磷的物理性质和化学性质都进行了研究。
波义耳发现了血液中含有氯化钠和铁
他是第一个引入并使用“化学分析”一词的人
波义耳不但会做实验，他还很会著书立说。波义耳一生出版了许多化学方面的书籍，每一本都是对化学发展一个巨大的推动力。
在波义耳的众多著作中，最引人注目的是那本使他声名大噪的《怀疑派化学家》。他在这本书中提出最重要的一个观点就是为化学正名。一直以来，化学都是药剂学家和炼金术师们所使用的一种工具而已。波义耳称化学“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。”由于这本书影响之大，后来人们常常拿伽利略的著作《关于两门新科学的对话》来进行对比。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。波义耳一直非常崇拜伽利略，《怀疑派化学家》的写作风格就是模仿了《对话》一书。这本书出版于1661年，被认为是近代化学诞生的元年。
1663年波义耳出版了《实验自然哲学的用途》，这本书对物质的本质进行了研究；1666年波义耳出版《物质形态与性质的起源》，书中阐述了“分解”和“分析”的术语。波义耳还陆续出版了《颜色的实验与观察》、《矿泉水的实验研究简史》、《论宝石》、《静流医学》、《神学大全》、《化学悖论》、《物理学的观察与实验》等等。后者是他发表的最后一部著作。
翻译原因，有版本将《怀疑派化学家》译为《怀疑的化学家》
波义耳定律——人类历史上第一个被发现的“定律”
在排气泵容器中气压计水银柱下降；在真空中虹吸作用失效；压力降低时沸点降低在抽成真空的容器中动物（蜜蜂、鼠、鳝鱼等）不能维持生命，钟表不能传出嘀嗒声等等。这些在今天看来是非常普遍的常识，但在17世纪时却很新鲜。这些都被罗伯特•波义耳实验所证明。
波义耳生活在英国资产阶级革命时期，也是近代科学开始出现的时代，这是一个巨人辈出的时代。而在他科学生涯的早期，气体物理学是科学界颇为热门的研究方向。
气体实验仪器
当时法国科学家根据实验得出“空气没有弹性”的结论，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。
1659年，他了解到盖利克的神奇的抽气泵之后，决心设计出更好的抽气机。他与年轻的助手胡克制造出了精密的抽气机。这个装置的精妙之处便在于它能够使观察者看到玻璃试管内部的情况，并允许人们引导甚至控制实验的发展。空气泵现在看起来似乎貌不惊人，但在当时造价却极其昂贵，全世界也不过只有4台。
波义耳定律
因为波义耳的泵大部分是按照他自己的想法所设计，并由罗伯特•虎克负责建造，整台机器非常复杂。尽管有不足，他用这种抽气机做了一系列关于空气压力和稀薄空气中的现象的实验，并于1660年出版了《关于空气弹性及其效应的物理、力学新实验》一书。在书中，详细阐述了他所进行43个实验，说明了空气在不同现象中的效果，试验了抽空空气时的氧化、磁场、声音及气压特性，检验了在不同物质上增加气压的效果。
在这本书中，波义耳提出了对气体“弹性”的两种可能解释。一种认为把气体微粒看成是许多细小弹性游丝；另一种认为微粒在热的扰动下不断作旋涡运动，由这种运动引起弹性。但书出版后却得到荷兰的以研究科学为名的教会神父利努斯的攻击。
利努斯不相信关于存在真空的说法，他认为空气的重量和弹性不能够大到足以承受托里拆利管中的29英寸水银柱的重量，并与之均衡。他说气压表中的水银柱是由某种特殊的无形的线悬挂住的，这无形的线就在管子的上端。他甚至要求在将玻璃管理上端封口时用手摸一摸，企图找出这根无形的线。
为了反驳这一无端的批评，波义耳发表了《关于空气的弹力和重量学说的答辩》，并决定重新做实验。从这个意义上来说，还得感谢这位利努斯神父，如果没有这一荒谬的批评，波义耳也许永远不会发现以他的名字命名的定律。
波义耳把一根长玻璃管弯成二臂和短不等的U形管（虹吸管），把短的一臂上端封住，附上标尺，然后把水银一点一点灌入管内，使水银在玻璃管两边相等，记下刻度。再灌进水银肝至封闭的一边的空气食糖压缩到原来的一半，波义耳发现此时管子长臂中的水银比另一臂高出29英寸。这说明“当空气的密度啬到约为原来的两倍时，它的弹性也增加两倍”。
但这根玻璃管偶然被打碎了，波义耳又重新作了一根更长的管子，约有8英尺高。由于在室内用太长了，因此只能在二层楼的楼梯里用绳子吊起来作实验。他使密封空气的压力在1-英寸到117-英寸高银柱之间变化，从一个极端到另一个极端做了40多次实验，每一次都把观察值与按设想“温度一定时，压力与膨胀成反比的假设”应得的值作比较，发现两者非常相符合，从而得到了历史上除运动现象之外的又一个度量的自然规律。
1666年，波义耳发表了《流体静力学佯谬》一文，有力地驳斥了那种轻的流体不能对重的流体施加压力的传统偏见，得出了气体的体积与压强成反比的关系，这正就是波义耳气体定律的最初发表形式，它为分子运动论的发展开辟了道路。
借助空气泵实验，波义耳提出了人类历史上第一个被发现的“定律”——“波义耳定律”。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。
波义耳据此实验结果在1662年提出：“在密闭容器中的定量气体，在恒温下，气体的压力和体积成反比关系。”这是第一个描述气体运动的定律，为气体的量化研究和化学分析奠定了基础。这个定律的伟大不是在怎么计算、怎么运用，这个定律的永垂不朽，是因为：这是人类历史上第一个被发现的『定律』，证明宇宙里是有不改变的律。
一个世纪以后，法国人查理和盖一吕萨克建立了更全面的定量规律。
实验表明，一定质量的某种气体，在温度不变的情况下，压强与体积成反比。
这个结论是英国科学家波义耳（1627-1691）和法国科学家马略特（1620-1684）各自通过实验发现的，叫做波义耳定律。这些实验都在他出版的《新机械物理实验——感受空气的活力及其效用（由新气压泵所完成的大部分实验）》一书中作了详细的描述。
[1] 刘劲生. 罗伯特·波义耳——把化学确立为科学的人[J]. 自然杂志, 1983(8):65-68.
[2] 化学之父波义耳 http://www.xinhuanet.com/science/2015-10/28/c_134757980.htm
[3]波义耳定律——人类历史上第一个被发现的“定律” http://www.xinhuanet.com/science/2015-12/04/c_134884079.htm
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