復(fù)雜而有序的化學(xué)世界

到了1830年，已知元素的數(shù)目已猛增至50多個(gè)。顯然，組成宇宙的不再是那少數(shù)“幾種簡(jiǎn)單元素”，化學(xué)中到處充滿混亂。

首先，人們不是用同樣的符號(hào)表示同樣的事情。許多奇怪和神秘的符號(hào)仍然留存，那是很久以前煉金術(shù)士從占星術(shù)那里借用來的。金的符號(hào)是一個(gè)圓圈，中間一個(gè)點(diǎn)；銀的符號(hào)是月牙；硫的符號(hào)是向上的三角形；銻是小王冠。這些符號(hào)不具有實(shí)際意義。道爾頓提出一種系統(tǒng)，是用不同的圓來表示每一種元素，但是這仍然不便于記憶。1826年，貝采里烏斯想到一個(gè)簡(jiǎn)單的方法，就是用各個(gè)元素名字的第一個(gè)字母作為它的符號(hào)。O表示oxygen（氧），N表示nitrogen（氮）， S表示sulfur（硫），如此等等。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)字母相同時(shí)，加上第二個(gè)字母以示區(qū)別。于是鈣（calcium）是Ca，氯（chlorine）是Cl。這一系統(tǒng)至今仍在運(yùn)用。不過在語言之間仍然存在某些混亂：德國化學(xué)家稱氮為Stickstoff，而法國人稱之為azote，英國人稱之為nitrogen。因此，貝采里烏斯以拉丁化的名字作為依據(jù)，這樣的符號(hào)就能在國際上通用。母語是英語的人們很幸運(yùn)，大多數(shù)元素從其拉丁化的名字可以認(rèn)得，只有少數(shù)例外，諸如金（Au）的英文字是gold，而拉丁文是aurum；銀（Ag）的英文字是silver，而拉丁文是argentum；鈉（Na）的英文字是sodium，而拉丁文是natrium。

凱庫勒（FriedrichKekulévonstradonitz，1829—1896）也提出一種設(shè)想，這就是用結(jié)構(gòu)圖來表示分子中原子的排列。例如在凱庫勒的系統(tǒng)中，水（H2O）變成了H—O—H。同樣的，氨（NH3）的三個(gè)氫原子圍繞一個(gè)氮原子組成一個(gè)三角形。不久凱庫勒的結(jié)構(gòu)圖開始流行。

但是即使對(duì)于最普通的化合物，它的分子式也頗有爭(zhēng)議。各種不同元素的原子量無法取得一致，用分子式表示時(shí)，分子里的原子非?；靵y。像醋酸這樣平常的化合物，不同派別的化學(xué)家竟采用不同的表達(dá)式，數(shù)目竟多至19種。

氨分子的結(jié)構(gòu)

卡爾斯魯厄會(huì)議

該是采取行動(dòng)的時(shí)候了。處于運(yùn)動(dòng)中心的是凱庫勒，他發(fā)起了第一屆國際化學(xué)會(huì)議，試圖澄清化學(xué)中的混亂。第一屆國際化學(xué)會(huì)議，于1860年在德國一個(gè)小城卡爾斯魯厄舉行，它位于萊茵河邊，對(duì)岸就是法國。共有140位代表參加，包括當(dāng)時(shí)大多數(shù)杰出的化學(xué)家。

但是他們卻是一群固執(zhí)己見、互不讓步的科學(xué)家，會(huì)議一開始就爭(zhēng)議不休，沒有得出任何結(jié)論，對(duì)原子量也沒有共識(shí)。這時(shí)，坎尼扎羅（StanislaoCannizzaro，1826—1910）登上了講臺(tái)。

坎尼扎羅是一個(gè)熱情奔放、好爭(zhēng)善辯的人。1848年他從家鄉(xiāng)意大利的西西里島逃到法國，是為了躲避那不勒斯政府的迫害，因?yàn)樗麉⒓臃磳?duì)那不勒斯反動(dòng)統(tǒng)治的起義，但是起義失敗了。在法國，他對(duì)化學(xué)的混亂局面有過相當(dāng)深入的思考。1858年，他發(fā)表一篇論文重提阿伏伽德羅假說，這個(gè)假說已被人們忘記幾乎50年了。它說的是，（在同樣溫度下）同樣體積的不同氣體一定含有相同數(shù)目的粒子。他參加卡爾斯魯厄會(huì)議就是為了給原子量、阿伏伽德羅假說和原子與分子的分界給予有力的辯護(hù)。他說，可用阿伏伽德羅假說確定氣體的分子量，運(yùn)用蓋-呂薩克的化合體積定律，再用貝采里烏斯的原子量，三者相結(jié)合就可以解決許多問題。他還采用小冊(cè)子的形式來散發(fā)自己的演講稿，說服了許多與會(huì)者，會(huì)后不久又說服了更多的人。特別是，其中有一位回到俄羅斯后，對(duì)這個(gè)問題做了大量思考。

門捷列夫的單人牌

門捷列夫，具有一頭飄逸的長發(fā)，還有一把灰色的胡須，威武挺拔的姿勢(shì)，看起來更像是一名布道師，他曾經(jīng)獨(dú)自操縱一個(gè)籃子，掛在巨型氣球下升空。這是1887年的一天，他希望從最靠近、最有利的位置拍攝日食情景，這就意味著要有一個(gè)單人飛行氣球。面臨難得的日食，他可不想放棄，于是毅然一個(gè)人起飛，照過相后著陸，然而當(dāng)時(shí)他連最起碼的操縱方法都不知道。他行為夸張，但富有原則和勇氣，不怕懷疑和反對(duì)，不怕政治壓力，也不怕駕駛飛行器。作為一個(gè)西伯利亞土著人，他就像一個(gè)巫術(shù)師那樣，把化學(xué)家于18年前開始陸續(xù)發(fā)現(xiàn)的元素整理得井然有序。1955年，在他死后近　50年，他對(duì)化學(xué)和物理學(xué)的特殊貢獻(xiàn)獲得了完美的獎(jiǎng)賞：一種新發(fā)現(xiàn)的元素被命名為鍆，作為對(duì)他的紀(jì)念。

門捷列夫的母系也許有蒙古人的血統(tǒng)。他出生于一個(gè)大家庭，他是家中最小的一個(gè)孩子，他的祖父是西伯利亞第一份報(bào)紙的出版者，父親是當(dāng)?shù)刂袑W(xué)校長，機(jī)靈的母親經(jīng)營一家玻璃工廠。門捷列夫童年時(shí)曾從一位流放到西伯利亞的政治犯那兒學(xué)習(xí)科學(xué)。不幸的是，門捷列夫的父親在他十幾歲時(shí)就去世了，不久之后，母親的玻璃廠也毀于火災(zāi)。于是，當(dāng)大多數(shù)孩子都長大后，1849年，母親帶著這個(gè)最小的孩子來到俄羅斯的大城市，以便讓他進(jìn)入大學(xué)。在圣彼得堡，在父親生前的一位朋友的幫助下，門捷列夫被大學(xué)錄取。

大學(xué)畢業(yè)后，門捷列夫于1859年去法國和德國讀化學(xué)研究生。在那里，他和本生（Robert Wilhelm Bunsen，1811—1899）一起工作，并在卡爾斯魯厄參加了第一屆國際化學(xué)會(huì)議，坎尼扎羅（Stanislao Cannizzaro， 1826—1910）關(guān)于原子量的雄辯使他著迷。1861年他開始在圣彼得堡大學(xué)任教，1866年被任命為技術(shù)化學(xué)教授。

古怪的俄國科學(xué)家門捷列夫發(fā)展了一種概念，叫做“周期表”，它幫助化學(xué)家認(rèn)識(shí)元素之間的系統(tǒng)性關(guān)系。

有些科學(xué)家猜測(cè)，原子量的接近也許與元素間的相似性有關(guān)。例如，鈷和鎳的原子量如此接近，以至于大多數(shù)化學(xué)家當(dāng)時(shí)都無法區(qū)分它們，而且它們的特性又如此相似。但是這一假說也存在問題。以氯和硫?yàn)槔?，原子量分別大約為35. 5和32，但一個(gè)是黃綠色氣體，一個(gè)卻是黃色固體——驚人的不同！于是，化學(xué)家開始尋找另外的關(guān)系。一些化學(xué)家根據(jù)元素之間在特性上的相似性，多年來一直在琢磨一個(gè)“三和弦”的設(shè)想，或者把某些看來是一“族”的元素歸在一個(gè)類里。早在1817年，德貝賴納（Johann Wolfgang D?bereiner，1780—1849）就已經(jīng)注意到，某些相似元素組成的類里，原子量之間有某種相關(guān)性——處于中間位置那個(gè)元素的原子量等于其他兩個(gè)元素原子量的平均值。例如，在鈣、鍶和鋇這一“三和弦”中，鍶的原子量（當(dāng)時(shí)測(cè)定的是88），大體上是鈣（40）和鋇（137）的平均值。同樣地，鍶的熔點(diǎn)（800℃）也在鈣（851℃）和鋇（710℃）之間。鈣在化學(xué)反應(yīng)中相當(dāng)活躍，鋇更活躍，而鍶則介乎其間！據(jù)此還可列出元素的其他特性，表明鍶確實(shí)位于鈣和鋇的“中間”。這種“三和弦”關(guān)系很是迷人，其他科學(xué)家也參加了進(jìn)來。

1864年，倫敦的工業(yè)化學(xué)家紐朗茲（John Alexander Reina Newlands， 1837—1898）第一個(gè)注意到，按原子量排序的元素表顯示出這樣一種模式：“從指定的元素開始，第八個(gè)元素是第一個(gè)的某種重復(fù)，就像音樂里八度音階中的八分音符?！彼Q這一發(fā)現(xiàn)為“八度音階定律”，但是，當(dāng)他在化學(xué)家的會(huì)議上宣布這一思想時(shí)卻遭到了嘲笑。有一位物理學(xué)教授福斯特（George Carey Foster， 1835—1919）嘲笑說，為什么不按字母排列，看看你會(huì)得到什么模式？紐朗茲的元素表固然有些錯(cuò)誤，但事實(shí)上他看出了一種有用的模式。而福斯特，盡管是一位能干的物理學(xué)家，卻因?yàn)榘l(fā)出嘲弄而使　自己受到嘲弄——這個(gè)例子表明，一個(gè)今天看來似乎難以行得通的科學(xué)思想，也許可以引導(dǎo)出明天的新見解　，考慮欠周的嘲弄回過頭來卻是對(duì)嘲弄者本人的嘲弄。20多年后，皇家學(xué)會(huì)頒給紐朗茲戴維獎(jiǎng)?wù)拢元?jiǎng)勵(lì)他的工作。

但是，針對(duì)元素排序的思想，門捷列夫的工作卻是最具創(chuàng)造性，并且得出了邏輯性最強(qiáng)的結(jié)論。門捷列夫喜愛一種單人紙牌游戲。于是，他把所有已知元素、它們的符號(hào)、原子量和特性標(biāo)注在卡片上。然后　，他把它們分組排列。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如果把它們按原子量的增加來排序，類似的特性就會(huì)周期性地出現(xiàn)。例如，他發(fā)現(xiàn)氫（原子量為1，在他的表上是第一位）、氟（表上第9位）和氯（第17位）相隔都是八位，跟紐朗茲的“八度音階”相似，具有相似的特性。他嘗試把所有具有相似特點(diǎn)的類放在同一個(gè)豎欄中，這樣他就得到了一個(gè)表，其中原子量從左上到右下逐漸增加。

但是門捷列夫的巨大膽量在于，當(dāng)元素不適合表中的位置時(shí)，就像玩單人紙牌游戲一樣，他意識(shí)到，也許沒有把所有的牌拿在手中——有些牌可能仍然在牌盒里。所以，如果有一個(gè)空缺需要具有某種特性的元素來填充（但無人知道有這樣的元素），他就在元素表中留一個(gè)空缺——它們還在紙牌盒里有待發(fā)現(xiàn)呢。他甚至還給其中一些起了名字：準(zhǔn)硼、準(zhǔn)鋁和準(zhǔn)硅。準(zhǔn)鋁位于鋁下面，準(zhǔn)硅位于硅下面。他還預(yù)言了它們的特性。這一工作發(fā)表于1869年，立刻被翻譯成了德文（在這方面他遠(yuǎn)比以前的其他俄國科學(xué)家來得幸運(yùn)，因?yàn)槎韲说墓ぷ鳑]有及時(shí)得到翻譯，往往許多年后才被別人知道）。但是在歐洲，人們都認(rèn)為他是瘋子，甚至有人輕蔑地把他當(dāng)成俄國巫師。

元素留下的指印

正當(dāng)門捷列夫從事周期表的研究時(shí)，一件神奇的新工具分光計(jì)問世了。事實(shí)證明，它不僅對(duì)化學(xué)家很有用處，而且對(duì)于天文學(xué)家和物理學(xué)家也很有用，今天依然如此。

這個(gè)想法最早出現(xiàn)于19世紀(jì)初一位年輕的光學(xué)技師夫瑯和費(fèi)（Joseph von Fraunhofer， 1787—1826）的身上。他是釉工的兒子，11歲時(shí)成了孤兒，給一位光學(xué)技師當(dāng)學(xué)徒。在一個(gè)悲慘的日子里，他居住的樓整個(gè)倒塌，他是唯一的幸存者。但幸運(yùn)的是，巴伐利亞的選帝侯馬克西米利安一世（Maximilian I. Joseph， 1756—1825）得知這一悲慘事件后，給予他足夠的錢，讓他自己開業(yè)。

由于在工作中精益求精，夫瑯和費(fèi)為自己贏得了國際聲譽(yù)，有好幾位著名天文學(xué)家用上了他的棱鏡和光學(xué)儀器。1814年，當(dāng)他測(cè)試自己制作的透鏡時(shí)，用到了一只棱鏡——一個(gè)多世紀(jì)以前牛頓正是運(yùn)用棱鏡，把太陽的白光分解成光譜中的各種顏色。當(dāng)夫瑯和費(fèi)這樣做時(shí)，他注意到有一些奇怪的黑線，似乎打斷了太陽光譜——實(shí)際上他至少看到了600條黑線，有的寬些，有的窄些，把整個(gè)光譜分成了好幾部分。而當(dāng)時(shí)牛頓用的棱鏡質(zhì)量比較差，由于玻璃的缺陷，造成圖像模糊，因此沒有看到這些黑線。

夫瑯和費(fèi)知道，光譜中的每一種顏色都對(duì)應(yīng)于一種獨(dú)特的波長。越接近光譜紫端，波長越短，而更長的光波處于紅端。夫瑯和費(fèi)注意到，光譜中顯著的黑線總是處于同樣的位置。這些奇怪的黑線就好像是某種標(biāo)志，它們肯定具有某些含義。他試著采用不同的光源——從太陽直接發(fā)出的光和經(jīng)過月亮和行星反射的光，甚至星光。他發(fā)現(xiàn)，不同的星體似乎留下了不同的密碼，不同的指印。但是沒有人能夠破譯這些密碼，夫瑯和費(fèi)在1826年死于肺結(jié)核，享年只有39歲，他沒有能夠找到這些黑線的含義。為了紀(jì)念他，人們把那些光譜線稱做“夫瑯和費(fèi)線”。

半個(gè)世紀(jì)之后，海德堡大學(xué)物理學(xué)家基爾霍夫（Gustav Kirchhoff， 1824—1887）和本生（Robert Wilhelm Bunsen， 1811—1899）發(fā)明了一種他們叫做分光計(jì)的儀器——光線通過一條狹縫后再穿過棱鏡，狹縫控制光源，結(jié)果不同的波長位于不同的位置，然后與標(biāo)準(zhǔn)刻度比較，就更易于區(qū)分和解釋。

基爾霍夫和本生用本生設(shè)計(jì)的特殊燃燈（這種燈本身光線微弱），把各種不同的化合物加熱到發(fā)光狀態(tài)。他們注意到，每種化合物發(fā)出的光都具有獨(dú)特的顏色標(biāo)志。例如，如果把鈉蒸氣加熱到發(fā)光狀態(tài)，就會(huì)產(chǎn)生一條雙黃線，這就是它的指印。一旦所有元素的指印都弄清，任何礦物或化合物——實(shí)際上就是任何物質(zhì)——經(jīng)過加熱其成分都可以用這個(gè)方法來分析。更重要的是，分光計(jì)還可以鑒別特別微量的元素。

1859年　10月　27日，基爾霍夫和本生第一次公布他們的發(fā)明，分光計(jì)不可避免地開始一個(gè)接著一個(gè)地發(fā)現(xiàn)新元素。1860年　5月　10日發(fā)現(xiàn)銫，因?yàn)樗l(fā)射清晰的藍(lán)光而得名。第二年發(fā)現(xiàn)銣，紅色譜線道出了它的存在。新一輪元素開始涌現(xiàn)。

1875年，一位名叫布瓦博德朗（Paul Emile Lecoq de Boisbaudran， 1838—1912）的法國化學(xué)家，在研究來自比利牛斯山脈的一大塊鋅礦石時(shí)，發(fā)現(xiàn)一條他從來沒有見過的光譜線。他是在1859年首批進(jìn)入這一激動(dòng)人心的新領(lǐng)域中的研究者之一，在用分光計(jì)經(jīng)過長達(dá)16年的搜尋之后，終于有了結(jié)果。他稱之為鎵（gallium），取自法蘭西的拉丁文“gallus”（也可能是取自他自己的名字，因?yàn)長ecoq在法文中的意思是“公雞”，拉丁文正好是gallus）。當(dāng)門捷列夫讀到新元素的描述時(shí)，欣喜若狂。鎵的特性和他預(yù)言的準(zhǔn)鋁幾乎完全一樣！新元素很容易就放進(jìn)周期表中屬于它的位置。突然之間，每一個(gè)人都開始認(rèn)真對(duì)待門捷列夫了。光譜學(xué)這一有力武器取得了勝利。

1879年發(fā)現(xiàn)另一種元素鈧 （scandium，因斯堪的納維亞半島命名），它的特性幾乎完全適合門捷列夫給準(zhǔn)硼留下的位置。1886年發(fā)現(xiàn)的元素鍺（germanium，因德意志命名），填補(bǔ)了準(zhǔn)硅的空缺。至此，門捷列夫周期表得到了普遍承認(rèn)。他以一個(gè)優(yōu)秀科學(xué)家的工作方式，在似乎混亂無章的地方認(rèn)出了自然的秩序。

但是沒有人知道為什么存在這樣的秩序，以及這種周期性。這需要知道原子核和它的結(jié)構(gòu)，但19世紀(jì)科學(xué)家還沒有準(zhǔn)備放棄原子不可分的思想。隨著元素的數(shù)目在不斷增加，化學(xué)家似乎離他們最初所要發(fā)現(xiàn)的自然界的少數(shù)基本單元越來越遠(yuǎn)了。元素的數(shù)目很快超過了90。 （20世紀(jì)和21世紀(jì)這個(gè)數(shù)目還會(huì)增加，許多新元素是核化學(xué)家發(fā)現(xiàn)的。）

在　19世紀(jì)最后的5年中，著名英國物理學(xué)家斯特拉特（John William Strutt， 1842— 1919，更為人知的名字是瑞利勛爵）和他的助手，蘇格蘭化學(xué)家拉姆塞（William Ramsay，1852—1916，后來被封爵士）重復(fù)了100年前卡文迪什做的實(shí)驗(yàn)，這一次是用分光計(jì)。結(jié)果他們發(fā)現(xiàn)了氬。拉姆塞第二年又發(fā)現(xiàn)了氦，并且和特拉佛斯（Morris Travers，1872—1961）一起，發(fā)現(xiàn)了惰性（完全不起化學(xué)反應(yīng)）氣體氖、氪和氙?？墒情T捷列夫周期表沒有給這些元素留下空缺。這樣一來，周期表是否不再有效？不，回答很簡(jiǎn)單：這位偉大的紙牌游戲者在周期表的右側(cè)遺漏了一整條豎欄，這些元素正好放在這一欄里。

有機(jī)化學(xué)的誕生

就在道爾頓、戴維及門捷列夫成功改造無機(jī)化學(xué)的同時(shí)，另一個(gè)更為混亂的領(lǐng)域也在經(jīng)歷重大變革。1807年，貝采里烏斯把來源于生物體的一類化合物稱為有機(jī)物，而把不是來源于生物體的另一類化合物稱為無機(jī)物。他認(rèn)為，有機(jī)物的功能與無機(jī)物相比，受完全不同的規(guī)律控制，在許多方面差別極大。許多科學(xué)家，包括貝采里烏斯，假設(shè)這一差別來自某種“活力”的存在，這種活力僅與有機(jī)物相關(guān)，但只有生命體或曾經(jīng)的生命體中才能找到或產(chǎn)生這種有機(jī)物。從未有人曾從無機(jī)物中創(chuàng)造過有機(jī)物。按照貝采里烏斯的說法，以后也不會(huì)有。

隨后在　1828年的一天，貝采里烏斯的學(xué)生維勒（Friedrich W?hler， 1800—1882）正在實(shí)驗(yàn)室里對(duì)氰化物作研究，他給氰酸氨加熱。結(jié)果使他大吃一驚：他得到的化合物酷似尿素，但這在當(dāng)時(shí)看來是不可能的事情，因?yàn)槟蛩刈鳛槟蛞旱囊粋€(gè)組成部分，是哺乳動(dòng)物的含氮排泄物，無疑是有機(jī)物。維勒有些難以置信，于是，他再測(cè)試他所制備的物質(zhì)，證明確是尿素。1828年2月22日，他正式通知貝采里烏斯，他已從無機(jī)化合物中合成一種有機(jī)化合物。

貝采里烏斯是一個(gè)相當(dāng)固執(zhí)的人，他認(rèn)為氰酸氨本身可能就是有機(jī)物，而不是無機(jī)物。這樣一來，維勒的發(fā)現(xiàn)也許不那么確定。但是別的化學(xué)家卻被他的成就激勵(lì)，紛紛以其他無機(jī)化合物作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有機(jī)化合物的確可以由無機(jī)材料合成得到。1845年，科爾比（Adolph Wilhelm Hermann Kolbe， 1818—1884）第一次成功地從化學(xué)元素直接合成了有機(jī)化合物（醋酸）。這說明也許根本就不存在什么“活力”。

但是，如果真的不存在活力，為什么比奧（Jean-Baptiste Biot， 1774—1862）在1815年發(fā)現(xiàn)，他在實(shí)驗(yàn)室里產(chǎn)生的酒石酸不能使光發(fā)生偏振（光波的橫向振動(dòng)偏向于某一方向），而葡萄產(chǎn)生的酒石酸卻能使光偏振？這兩批酒石酸具有同樣的成分，同樣的比例和同樣的化學(xué)式。19世紀(jì)20年代，李比希（Justus von Liebig， 1803—1873）和維勒發(fā)現(xiàn)了更多這樣的配對(duì)物。1830年，偉大的命名者，貝采里烏斯給具有同樣化學(xué)式卻有不同行為的成對(duì)化合物起了一個(gè)名字，叫做異構(gòu)體。關(guān)于這一復(fù)雜性，維勒在1835年給貝采里烏斯的信中寫道：“在我看來，有機(jī)化學(xué)就像是熱帶的原始森林，充滿了令人驚異的東西。”

巴斯德對(duì)比奧發(fā)現(xiàn)的酒石酸異構(gòu)體這一奇怪的化學(xué)現(xiàn)象首次進(jìn)行了認(rèn)真的研究。他把實(shí)驗(yàn)室合成的異構(gòu)體分離成單個(gè)晶體，并證明它實(shí)際上還是會(huì)使光發(fā)生偏振的。只是有些沿一個(gè)方向偏振，另一些沿相反的方向。1848年，他有了答案。在實(shí)驗(yàn)室制成的物質(zhì)中，兩種晶體相互抵消，因此整個(gè)物質(zhì)不使光發(fā)生偏振。

與此同時(shí)，凱庫勒的結(jié)構(gòu)式有助于解釋這些復(fù)雜的有機(jī)化合物的內(nèi)部構(gòu)造，它們中的某些具有雙鍵和三鍵構(gòu)造，凱庫勒就用兩重破折號(hào)和三重破折號(hào)表示。異構(gòu)體具有同樣的原子和同樣的比例，但聯(lián)結(jié)方式不同。例如，普通乙醇可以用圖1表示，而具有相同數(shù)目氫、碳和氧原子的二甲醚則可以用圖　2表示。

圖1　普通乙醇的結(jié)構(gòu)

圖2　二甲醚的結(jié)構(gòu)

1858年凱庫勒指出，碳原子相互間可以直接連接（不像大多數(shù)其他原子），形成復(fù)雜的長鏈。他解釋說，因?yàn)樘荚邮撬膬r(jià)的，它正好可以與四個(gè)其他原子化合。他還搞清楚，通過研究反應(yīng)產(chǎn)物，可以確定一個(gè)有機(jī)分子的分子結(jié)構(gòu)。

1861年，凱庫勒出版了《有機(jī)化學(xué)》教科書的第一卷。在書中，他用簡(jiǎn)單明了的做法終止了長期以來糾纏不清的爭(zhēng)論。他定義有機(jī)分子為含碳分子，無機(jī)分子為不含碳分子，根本不涉及它是否有生命或曾經(jīng)有生命。這對(duì)有機(jī)分子含有某種莫名的、不可定義的“活力”論觀念是一種沉重打擊，并為審視有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域提供了有用的新方法。

抓住環(huán)狀

有機(jī)化學(xué)還有一個(gè)問題沒有解決。沒有人能夠解釋苯（C6 H6）的結(jié)構(gòu)，這是1825年法拉第發(fā)現(xiàn)的煤焦油產(chǎn)物。當(dāng)然，即使不知道苯的結(jié)構(gòu)，珀金（william Perkin，1838—1907）和其他致力于染料合成的研究者仍然作出了進(jìn)展。但是，沒有人能夠解釋這些原子為什么能夠互相結(jié)合在一起，正像普通分子的結(jié)合方式一樣。

1865年的一天，凱庫勒夢(mèng)見了環(huán)的結(jié)構(gòu)，他后來這樣寫道：

“我正坐著，在寫我的教科書，但工作沒有進(jìn)展，我理不出個(gè)頭緒。我轉(zhuǎn)過椅子朝向爐火，開始打起瞌睡。原子又一次在我的眼前跳躍。這一次背景上　出現(xiàn)的是大量更小的組合。我那心靈的眼睛由于反復(fù)觀看這類東西，現(xiàn)在可以分辨更大、更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)：長長地排成一列，有時(shí)擠在一起，纏繞和扭曲成蛇形運(yùn)動(dòng)。看！那是什么？有一條蛇咬住了自己的尾巴，在我眼前快速旋轉(zhuǎn)。仿佛是被一陣靈感驚醒，就在這個(gè)晚上，我形成了這一假說?！?/p>

炸藥、染料、香術(shù)和塑料：給工業(yè)的有機(jī)禮品

19世紀(jì)，從煤、水和空氣這些原料，居然制出了好幾種有利可圖的化學(xué)合成物：炸藥、染料、香水和塑料。

1846年，舍恩拜因（Christian Schonbein， 1799—1868）發(fā)現(xiàn)第一種合成炸藥——化纖維素，這完全是出于偶然。有一天他在實(shí)驗(yàn)室里工作，用妻子的圍裙擦掉溢出的化合物——也許是硫酸和硝酸。沒有想到，圍裙中含有的纖維素與酸結(jié)合，突然發(fā)生爆炸。硝化纖維素也叫做火棉，在早期的應(yīng)用中由于意想不到的爆炸引起許多人死亡。

1846年，還發(fā)現(xiàn)了硝化纖維素的一個(gè)衍生物，叫做硝化甘油。這兩種物質(zhì)常用于挖隧道和爆破，但它們實(shí)在是太活潑太不穩(wěn)定了，有時(shí)還會(huì)帶來災(zāi)難性后果。后來找到 了辦法使這兩種材料變得更溫和，這才可以安全使用，這就是無煙火藥和黃色炸藥的問世。這些現(xiàn)代炸藥的應(yīng)用改變了大型工程的建設(shè)，它們包括公路、橋梁、隧道、水壩以及礦山。

1856年，有一位名叫珀金（William Henry Perkin， 1838—1907）的英國化學(xué)家，他從苯胺中偶然發(fā)現(xiàn)了一種紫紅色染料， 因而開創(chuàng)了另一種化學(xué)工業(yè)。原本他是想合成人工奎寧（用于治療瘧疾），但是紫紅色染料很快使他富有。珀金發(fā)現(xiàn)，苯胺在市場(chǎng)上買不到，于是他就從苯制造苯胺，而苯的結(jié)構(gòu)不久被凱庫勒破譯。德國化學(xué)家霍夫曼（August Wilhelm von Hofmann， 1818—1892）第二年發(fā)現(xiàn)如何制作洋紅色染料，于是德國很快就成為利潤豐厚的人工合成染料工業(yè)中心。1868年，格雷貝（Karl Graebe， 1841—1927）在德國合成了一種名叫茜素的橙色結(jié)晶體，接著，拜爾（Adolf von Baeyer， 1835—1917）在1880年合成了靛藍(lán)染料。（科學(xué)往往會(huì)產(chǎn)生附帶效益，生物學(xué)家很快發(fā)現(xiàn)有些植物，特別是動(dòng)物的細(xì)胞，如果用這些染料著色，在顯微鏡下可以更容易看見。）通過把凱庫勒的苯環(huán)概念延伸至茶結(jié)構(gòu)，格雷貝對(duì)認(rèn)識(shí)有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)作出了貢獻(xiàn)，拜爾在1883年發(fā)現(xiàn)了靛藍(lán)的結(jié)構(gòu)式。

1868年，珀金再次最先得到合成香水的成分香豆素，從這一發(fā)現(xiàn)中又生長出了另一個(gè)龐大的工業(yè)。

與此同時(shí)，隨著賽璐路的合成，塑料制造業(yè)也在19世紀(jì)開始。1855年，英國化學(xué)家帕克斯（Alexander Parkes， 1813—1890）第一個(gè)把爆炸性的硝化纖維改變?yōu)椴槐ǖ模ㄈ匀皇强扇嫉模┪镔|(zhì)。不久以后，美國發(fā)明家懷特（John wesley Hyatt，1837—1920）試圖做出更好的臺(tái)球以替代當(dāng)時(shí)的象牙臺(tái)球，為此他改進(jìn)了帕克斯的賽璐路。在20世紀(jì)和21世紀(jì)里，不同類型的塑料層出不窮，從人造纖維、尼龍、聚酯之類的紡織品到可模壓的、固體的塑料——有的柔軟、有的堅(jiān)固——運(yùn)用于日常生活的方方面面，從水管到牙刷，從飲料吸管到淋浴窗簾。

凱庫勒發(fā)現(xiàn)的正是我們今天所謂的苯環(huán)，一種由碳和氫組成的分子結(jié)構(gòu)，它不是敞開的鏈條，而是封閉的六角形，單鍵和雙鍵交替快速轉(zhuǎn)換。

荷蘭化學(xué)家范托夫（Jacobus Van’t Hoff， 1852—1911），把凱庫勒的許多結(jié)構(gòu)性想法轉(zhuǎn)變成三維模型，從而可以澄清許多有機(jī)化學(xué)概念，其中包括比奧和巴斯德研究的異構(gòu)體之謎。凱庫勒的結(jié)構(gòu)見解使有機(jī)化學(xué)走出世紀(jì)之初那種難以置信的混亂，盡管從那以后，又有許多理論上的改進(jìn)，但是他的思想仍然指引著化學(xué)家的合成研究，并且提供一個(gè)模型，使有機(jī)分子更為形象化，從而對(duì)化學(xué)反應(yīng)作出預(yù)言。

對(duì)于化學(xué)來說，19世紀(jì)是豐產(chǎn)的年代。有兩個(gè)重要的新工具——電學(xué)和光譜學(xué)，使化學(xué)家獲得了新方法來處理和觀察物質(zhì)，從而使這門學(xué)科大大改觀，其情形就如同望遠(yuǎn)鏡用在天文學(xué)和顯微鏡用在生物學(xué)一樣。已知的元素?cái)?shù)目幾乎翻了一番。門捷列夫的周期表使這些元素各歸其類，并且為未來在19世紀(jì)和20世紀(jì)之交以及20世紀(jì)初化學(xué)和物理學(xué)的大突破提供必要的基礎(chǔ)。有機(jī)化學(xué)的誕生給應(yīng)用化學(xué)打開了巨大工業(yè)潛力，其中包括新染料和新材料的發(fā)明。

最重要的是，原子論的誕生（或者寧可說是再生），使得道爾頓、阿伏伽德羅以及他們的追隨者不僅認(rèn)識(shí)到氣體的特性，還開始把握了化學(xué)的規(guī)律——物質(zhì)是怎樣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，又是怎樣相互結(jié)合的。

當(dāng)然，在道爾頓提出原子論之前，或者甚至到19世紀(jì)之末，并不是每個(gè)人都能認(rèn)同原子論。具有高度影響的物理學(xué)家馬赫（Ernst Mach， 1838—1916）直到去世時(shí)還在反對(duì)原子論。他說，觀察到兩份氫氣跟一份氧氣結(jié)合形成了水蒸氣是一回事；假設(shè)兩個(gè)看不見的氫原子跟一個(gè)看不見的氧原子結(jié)合形成一個(gè)也看不見的水分子，則完全是另一回事。但是大多數(shù)科學(xué)家還是承認(rèn)，原子論至少提供了一個(gè)極好的模型，通過以符號(hào)代表原子和它們之間的相互作用，可以使討論變得更清晰。

原子論還打開了通向這個(gè)世紀(jì)一個(gè)偉大的關(guān)鍵性發(fā)現(xiàn)的道路：對(duì)熱的本質(zhì)和熱力學(xué)的理解——幾個(gè)世紀(jì)以來這個(gè)領(lǐng)域一直籠罩在神秘的烏云下面。

凱庫勒的苯環(huán)