化學和波義耳定律

波義耳是每個學生都知道的科學家，他發(fā)現(xiàn)了以他名字命名的定律——盡管波義耳自己卻總是把“波義耳定律”歸于他的一名學生唐尼（Richard Townley，？—1711）。無論如何，波義耳作為當時一名先驅科學家的名聲要遠遠超出他的這一命題：容器中一定量氣體的體積與其壓強成反比。毫無疑問，他的最大貢獻是把化學確立為一門純粹科學：致力于探討　自然界的基本過程　，而不只是為了實用　目的，為了制取產(chǎn)物而采用的一系列配方以及方法。它也決不僅限于煉金術士的這一努力，要把賤金屬轉化成黃金，于是充滿希望地投入，卻以一無所獲而告終。

化學的開端

化學的最初轉變開始于16世紀，這時化學開始從傳統(tǒng)工藝——陶瓷上釉、制作合金、為普通金屬鍍上銀和金（冶金學）以及生產(chǎn)染料——中脫離出來。古人的實用工藝和煉金術活動，對早期認識物質(zhì)的結構、組成和特性，它們是怎樣與其他物質(zhì)相互作用，以及它們的轉變，也就是說，對了解物質(zhì)的化學過程，有過巨大的貢獻。慢慢地，實踐者開始褪去煉金術這一神秘色彩（盡管許多人，包括波義耳和牛頓，還繼續(xù)從事煉金術活動）。化學作為科學開始嶄露頭角。大約與此同時，古代研制藥物的方法也開始演變?yōu)橐婚T科學，它立足于觀察藥物帶來的相互作用及其治療效果，這就有了藥理化學。隨著化學緩慢地以科學的面貌出現(xiàn)，好幾位科學家對其知識的穩(wěn)步增長作出了貢獻。帕拉塞爾蘇斯（Paracelsus，約1493—1541）和其他人對藥理學的貢獻將在本編第八章討論。與此同時，化學的其他領域也開始引起人們注意。

阿格里科拉

在對化學知識的積累作出貢獻的科學家中有德國醫(yī)生阿格里科拉（Georgius Agricola，1494—1555），他探討如何用化學藥物治療疾病，但是他更著名的工作卻是對礦物學和冶金學的研究。他寫過一本書，被認為是應用化學方面的首部著作，書名叫《論金屬》（De re metallica） （1556年出版），其中探討了采礦和冶金中涉及的各種實際過程。

比利時的佛蘭芒族醫(yī)生和煉金術師赫爾蒙特（Jan Baptista van Helmont，約1579—1644）發(fā)明gas（氣體）這個詞，源于chaos（混沌），他還成功地離析出好幾種氣體。他應用定量方法，通過使物質(zhì)燃燒、發(fā)酵以及其他過程，對氣體進行研究，并分析由此產(chǎn)生的蒸氣。他還主張物質(zhì)在化學反應的過程中不生不滅。

然而，赫爾蒙特具有濃郁的神秘主義色彩。他致力于尋找哲人石，據(jù)說它是煉金魔法術的關鍵。此外，他還聲稱，有這么一種“武器藥膏”，若是某人受傷，只需把這種藥膏涂于致傷的武器上，就可治愈這一傷口，這一說法引來諸多非議。為此，1625年西班牙的宗教裁判所譴責他是異教，赫爾蒙特的余生從此遭到軟禁。伽利略也有類似的命運。因此，赫爾蒙特的大部分著作在其死后才出版，他也才為世人所知。

大多數(shù)化學史家承認，直到　18世紀，化學中的真正革命才達到高潮。也許部分原因在于，有如此之多的化學家陷于煉金術這一神秘主義氛圍中，致力于尋找能夠點石成金的哲人石以及所謂的長生不老藥。然而，還有一個理由，就是化學家試圖了解的物質(zhì)過于復雜。什么是人體化學？人體是由哪些成分構成？行星呢？動物呢？是什么使金屬熔化？制造玻璃的化學原理是什么？酸是什么？醋呢？酒呢？這些基本問題不容易回答，特別是在當時的設備之下。

還存在許多其他絆腳石。在討論化學問題時沒有共同語言，沒有我們現(xiàn)在所用的歸類術語，如有機物和無機物，氣液固三態(tài)，酸堿鹽的分類。17世紀初還沒意識到氣體的存在。更糟的是　，當時有些過于偏激的理論，不僅沒有條理，相互矛盾，而且不符合新興物理學和天文學中的世界觀。難怪自然哲學家、物理學家、天文學家以及其他科學家都視化學為偽科學，是神秘過時的東西。

基于“chaos”一詞，赫爾蒙特新造了“gas”這個詞。

科克郡的天才

波義耳是科克郡第一任伯爵理查德·波義耳（Richard Boyle， 1566—1643）大家庭中出生的第　7個兒子和第　14個孩子。年輕的波義耳有許多優(yōu)勢條件。他的家庭很富有，而且是貴族，他又是一個神童，家里給他請了私人教師，并且讓他出國受教育，這個機會給他提供了廣闊的視野，使他比同代人更少地受亞里士多德的傳統(tǒng)束縛。波義耳14歲時伽利略去世，當時他正在意大利研讀這位大科學家的著作。他也受到笛卡兒（Rene Descartes， 1596—1650）的很大影響，笛卡兒當時已經(jīng)被公認為最有影響力的哲學家之一，也是一位很有名望的科學家和理論家。

知識的分享

17世紀科學的變化是如此之快，以至于科學家發(fā)現(xiàn)他們需要相互間經(jīng)常保持聯(lián)系，通報科學消息。到17世紀40年代，有一群英國科學家開始經(jīng)常聚會，非正式地交換看法，并且報告他們的實驗情況及其結果。于是，在1660年11月28日，他們中的幾位——其中有波義耳和雷恩（Christopher Wren, 1632—1723)—　正式建立了“物理數(shù)學實驗知識促進學院”(A College for the Promoting of Physio-Mathematicall Experimentall Learning )。這群人開始每周在倫敦的格雷欣( Gresham）學院聚會，雷恩是這里的天文學教　授，大家報告新發(fā)現(xiàn)　實驗中的見聞　。波義耳過去的助手胡克（Robert Hooke, 1635—1703）成了第一任實驗主管。

1662年這個組織獲得許可，得到了國王查理二世頒發(fā)的第一份特許證書，于是成為倫敦皇家學會。1663年又得到第二份特許證書。到了1675年，皇家學會成功地說服國王建立一個皇家天文臺（也叫做格林威治天文臺）；由于當時的英國需要繪制精確的地圖，而這又離不開能夠精確測定星座位置的天文臺，于是，天文臺的建造就有了正當理由。弗拉姆斯提德（John Flarnsteed, 1646—1719) 英國第一位皇家天文學家，著手制作恒星位置詳表和星圖。哈雷繼承弗拉姆斯提德任臺長，在這里他發(fā)現(xiàn)了一種方法，可借助觀側月亮來判斷海上的經(jīng)度。

起初，學會面向那些科學事業(yè)和向皇家學會捐獻財富的業(yè)余愛好者。后來學會變得更有選擇性，會員只吸收作出過重要貢獻的科學家（并不一定是專業(yè)的，專業(yè)是指以其為主要謀生手段）。

1666年，一個類似的組織．科學院（Academic des Sciences)，　在法國巴黎成立。發(fā)起人是考伯特(Jean-Baptiste Colbert,1619—1683）和路易十四·法國科學院提倡科學，擔當法國科學中心的角色。但是，法國科學院與英國皇家學會相比，更多表現(xiàn)出官僚色彩而非私人友情，它最初是一個由選中的12人組成的小團體，這些人以學會的名義匿名開展工作。

交流無所顧忌地越過了國家界限，甚至在兩國關系緊張時也不例外。17世紀科學家之間的通信十分頻繁。其實，皇家學會秘書的主要任務之一就是擔當信使的角色，為歐洲各地的專業(yè)和業(yè)余人士提供來自各種渠道的科學新發(fā)現(xiàn)。

波義耳于1644年回到不列顛群島，并決定留在英格蘭，因為在他的家鄉(xiāng)愛爾蘭，新教徒和天主教徒之間沖突不斷。1643年他父親去世，分得的遺產(chǎn)可以讓他獨立生活，并把一生投入科學。在已經(jīng)成為牛津科學界的一員之后，他又參加他們的聚會，這一活動被非正式地叫做“無形學院”，聚集在一起深入研究新的實驗方法。這正是英國哲學家培根（Francis Bacon）和伽利略新近提倡的方法，波義耳已經(jīng)有所掌握。1654年波義耳遷居到牛津，1660年，該團體的成員組織了后來成為世界上最早、最受尊敬的科學社團——倫敦皇家學會。

關于真空實驗

波義耳聽說德國物理學家蓋里克（Otto von Guericke， 1602—1686）在　1650年建造了第一臺空氣泵，目的是探討真空（不包含物質(zhì)的空間）是否存在。關于這個問題，亞里士多德沒有經(jīng)過試驗，就斷然回答“不”。蓋里克的空氣泵類似抽水泵，它的各個部件相當緊湊以至足夠密封。蓋里克把容器中的氣體抽空，成功地證明了真空的可能性。亞里士多德說過，聲音在真空中無法傳播，而蓋里克證明，在他所創(chuàng)造的真空里，人們確實聽不到鐘聲（正如亞里士多德所想），盡管如此，聲音可以在液體、固體和空氣中傳播。通過進一步實驗，蓋里克證明動物無法在真空容器中生活，蠟燭不能在其中燃燒（當時對氣體還知之甚少——氧氣甚至還沒有被發(fā)現(xiàn)）。在一場引人注目的演示中，他還證明，即便50個人同時猛拉一根拴在活塞上的繩索，都無法克服空氣壓力使得活塞進入真空狀態(tài)。

1657年，波義耳開始聽說這些實驗，并且得到胡克的幫助，胡克心靈手巧，善于制作各種器具裝備。他們兩人設計了比蓋里克更好的空氣泵。這次實驗成功之后，人們常常把空氣泵產(chǎn)生的真空叫做“波義耳真空”。

當時化學家和物理學家面臨的重要挑戰(zhàn)之一，是設計能夠進行精確定量測試的儀器。波義耳還發(fā)明了溫度計，那是一種真空并且完全封閉的裝置。他也是第一位證明伽利略關于自由落體定律為正確的人：在真空中，不同重量的物體以同樣的速率下落。如果沒有空氣阻力，羽毛不會浮在空氣中，它將和比它重得多的鉛塊以同樣的速率下落。在另一個有趣的實驗中，波義耳還證明，鐘的滴答聲在真空中是聽不到的，但是電的吸力可以穿過真空并在另一側產(chǎn)生效應。

根據(jù)這些真空實驗，波義耳開始研究氣體的性質(zhì)。

波義耳把化學科學帶到近代。

胡克為波義耳的真空實驗制造的空氣泵。

認識氣體

很難想象，今天甚至連小孩子都知道的許多概念，17世紀那些一流化學家卻不知道。1662年　，波義耳表示　，他可以壓縮空氣。他還發(fā)現(xiàn)　，如果施加于氣體的壓力增加一倍　，它的體積就會減少一半。用更為簡潔和完整的話來表述，就是如果氣體保持恒定的溫度，則其體積與壓強成反比。實驗步驟如下：在一個17英尺長、一端封口的J型管內(nèi)壓入空氣，另一開口端灌入水銀以防空氣逃逸。然后，增加汞的數(shù)量，使壓強加倍，則空氣的體積減為一半。再增加汞的數(shù)量，使壓強增加為三倍，則空氣的體積減為三分之一。如果減小壓強，空氣將成比例地膨脹。這一原理被稱為波義耳定律。波義耳則詩意般地稱之為“空氣的彈性”。

波義耳定律的演示。波義耳把一些汞放進J型管中，管子一頭封死，測量氣體的體積。當他使汞的數(shù)量加倍時，他發(fā)現(xiàn)禁錮在J型管一端的氣體體積減少到一半。

波義耳的結論是：除非空氣是由微?；蛄Ｗ咏M成，否則不可能以這種方式被壓縮，因為在微粒中間才有空隙存在。因此，當壓強增加時，這些微粒可以靠得更近些。波義耳的同事們重復他的實驗，對這些結果留下了深刻的印象。 自從希臘哲學家德漠克利特和希羅（Hero，公元60年左右）的時代以來，原子的概念首次有了長足的進展。正是德漠克利特最先提出原子觀；希羅是古希臘的工程師，他在大約公元62年寫道，空氣一定是　由原子組成，因為它是可壓縮的。

波義耳在氣體方面的工作為接近他的目標鋪平了道路：把化學確立為一門基于機械論之上的、理性的理論科學。他發(fā)現(xiàn)的重要概念為理解物質(zhì)的本性，尤其是氣體，打下了扎實的基礎，它們在18世紀結出了豐碩的果實。

化學的搭建：方法與元素

波義耳是第一位針對空氣做科學研究的人；他的書《空氣的一般歷史》?。?The General History of the Air）在他死后的1692年出版。

以今天的標準來看，波義耳不是一個徹底的近代化學家。他熱心于煉金術并且相信金子可以從其他金屬轉化而來。通信證據(jù)表明，他和牛頓秘密（所有的煉金術都是如此）分享他們相信能最終實現(xiàn)煉金術目標的配方和物質(zhì)。不過，他堅持的某些基本原則，卻有助于把化學建成一門科學。

在他那本出版于1661年的《懷疑的化學家》（The Sceptical Chymist）一書中，他懷疑希臘人的這一說法，亦即元素（一種基本的、不可分的物質(zhì)）能夠直覺地認識到。波義耳強調(diào)說，元素只能通過實驗才能提煉出來。波義耳并未拋棄傳統(tǒng)的元素觀，只是他認為這些元素應該通過實驗得到，從而為接下來的三個世紀里諸多元素的發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造了條件，這些元素都是古人、他的同代人，甚至他本人連做夢都未曾想到過的。

他提出，元素實際上是一種物質(zhì)實體，只有通過實驗才能確認。如果實驗證明一種物質(zhì)不能進一步分解，那么這就證明該物質(zhì)就是元素。他還看到這一特性：幾種元素可以組合在一起，形成其他物質(zhì)——但是由此形成的化合物往往可以再分解，重新得到原來的元素。對于化學來說這是重要和決定性的一步，它因此而有資格與物理學及天文學平起平坐。這一功績甚至遠勝于波義耳定律，它是波義耳對化學和科學的最大貢獻。

波義耳堅持把實驗作為主要證據(jù)，這對當時的科學家產(chǎn)生了巨大的影響。波義耳決意要讓化學引起自然哲學家的注意，因此他成功地使那些自以為是嚴肅科學家的人們相信，化學值得研究并且加以關注。至于下一步進展則不得不等待另一位有洞察力的化學家——拉瓦錫（Antoine-Laurent Lavoisier， 1743—1794），他在接下來的世紀興起一場化學革命。

與此同時，物理學的革命也遠未完成。伽利略打開了許多大門，并且為此打下基礎。隨后，不利的周遭環(huán)境迫使一位尚未確立人生志向的學院研究者不得不度過一段額外的長假，結果這卻成為有史以來最為重要（也許是這樣）的一段科學生涯的開端。這個研究者的名字就是牛頓。