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罗伯特·波义耳

罗伯特·波义耳

罗伯特·波义耳(Robert Boyle,1627—1691),英国化学家,化学史家都把1661年作为近代化学的开始年代,因为这一年有一本对化学发展产生重大影响的著作出版问世,这本书就是《怀疑派化学家》,它的作者是英国科学家罗伯特·波义耳。革命导师马克思·恩格斯也同意这一观点,他誉称“波义耳把化学确立为科学”。

 

巨人辈出时代的平凡经历

 

家庭背景

 

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。

 

他和他的兄弟们

 

1641年,波义耳兄弟又在家庭教师陪同下,游历欧洲,年底到达意大利。旅途中即使骑在马背上,波义耳仍然是手不释卷。就在意大利,他阅读了伽利略的名著《关于两大世界体系的对话》。这本书给他留下了深刻的印象,20年后他的名著《怀疑派化学家》就是模仿这本书的格式写的。他对伽利略本人更是推崇备至。

波义耳的哥哥们和他们的父亲一样,在英国的资产阶级革命中都是保皇派。1644年,他父亲在一次战役中死去。家庭情况的突变,经济来源的中断,使波义耳回到战乱的英国。回国后他随着同情革命的姐姐莱涅拉夫人一起迁居到伦敦。在伦敦他结识了科学教育家哈特·利泊,哈特·利泊鼓励他学习医学和农业。

 

从医的始末

 

波义耳在家里是14个兄弟姊妹中最小的一个: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,这就便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。

罗伯特·波义耳

 

传奇人生

 

罗伯特·波义耳(Robert Boyle,1627年1月25日-1691年12月30日),爱尔兰自然哲学家,在化学和物理学研究上都有杰出贡献。虽然他的化学研究仍然带有炼金术色彩,他的《怀疑派的化学家》一书仍然被视作化学史上的里程碑。

 

求学

 

波义耳生于爱尔兰沃特福德郡的莱斯摩尔城堡,是当时英国最富有的人“伟大的科克伯爵”理查德·波义耳的第七个儿子。他体弱但早慧,学会了爱尔兰语,并曾给父亲当作爱尔兰语翻译。随后他在家庭教师教育下,学了拉丁语和法语。八岁母亲去世,他进入父亲朋友亨利·沃顿爵士任教务长的伊顿公学。在伊顿期间他不喜欢参加体育锻炼并且常常生病。三年之后他在法国家庭教师陪伴下出国学习,在日内瓦度过了两年。1641年前往意大利佛罗伦萨,研究伽利略的天文学著作与实验。

 

科学研究与发现

 

1643年理查德·波义耳死于战争,为罗伯特·波义耳留下了位于英格兰多塞特特郡和爱尔兰利默里克郡的庄园和地产。1644年波义耳回到英格兰,看守庄园同时开始了他的科学研究。1646年波义耳应邀加入了由威尔金斯组织的群众性科学社团——“哲学学会”(又称无形学院)这一社团成员常常在伦敦的格雷沙姆学院或是牛津大学聚会交流。1647年开始,波义耳时而会回到爱尔兰照看庄园,并于1652年迁居爱尔兰,他在爱尔兰感到很难开展化学研究,曾在信里抱怨道:“这个未开化的地方存在着大量对化学的误解,很难买到化学仪器,无法试验Hermetic thoughts”

1648年克伦威尔任命威尔金斯主持对牛津大学的改革,威尔金斯邀请波义耳到牛津去工作。1654年波义耳前往牛津,在自己的祖传领地上建立了实验室,聘请罗伯特·胡克为助手开始对气体和燃烧进行研究。

1657年他在罗伯特·胡克的辅助下对奥托·格里克发明的气泵进行改进。1659年制成了“波义耳机器”和“风力发动机”。接下来他用这一装置对气体性质进行了研究,并于1660年发表对这一设备的研究成果。这一论文遭到一些人如弗朗西斯·莱恩反对,为了反驳异议,波义耳阐明了在温度一定的条件下气体的压力与体积成反比的这一性质,法国物理学家马略特得到了同样的结果,但是一直到1676年才发表。[3]于是在英语国家,这一定律被称为波义耳定律,而在欧洲大陆则被称为马略特定律。

1661年波义耳发表了《怀疑派的化学家》,在这部著作中波义耳批判了一直存在的四元素说,认为在科学研究中不应该将组成物质的物质都称为元素,而应该采取类似海尔蒙特的观点,认为不能互相转变和不能还原成更简单的东西为元素,他说:“我说的元素...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。”而元素的微粒的不同聚合体导致了性质的不同。由于波义耳在实验与理论两方面都对化学发展有重要贡献,他的工作为近代化学奠定了初步基础,故被认为是近代化学的奠基人。

1668年他离开牛津前往伦敦他妹妹的庄园居住。在伦敦他建立了自己的实验室,主要进行化学方面的实验。他努力把严谨的实验方法引入化学。1673年波义耳和胡克对物质的燃烧进行了研究,发现在真空情况下,物质无法燃烧。波义耳根据燃烧实验的结果,写成了论文《关于火焰与空气关系的新实验》,最先揭示了空气是燃烧的必要条件。但是他仍然认为燃烧是火与物质之间的作用。另外波义耳还发现了某些植物的色素可以在酸性和碱性条件下出现不同的颜色,从而引入指示剂的概念。

1680年波义耳被选为英国皇家学会会长,但是由于誓言的问题,他拒绝了这一职务。

波义耳父母墓上的雕塑,被认为是波义耳

 

晚年

 

1689年后波义耳本来就不是很好的健康继续恶化,他退出了一切社会活动,结束了与皇家学会的关系,公开对不能接待来访者进行道歉。在这种闲居中,他打算整理思想和文章,并希望从事一些秘密的传给后人的化学研究。1691年12月30日,他妹妹去世后仅仅一周,波义耳去世。葬于圣马丁教堂墓地,按照他的遗嘱,他捐赠他写的关于上帝存在讨论的演讲稿,以供后来学者进行讨论。

 

英国皇家学会的元老

 

一批对科学感兴趣的人,其中包括教授、医生、神学家等,从1644年起定期地在某一处聚会,讨论一些自然科学问题。他们自称它为无形学院。1648年因为伦敦战局不稳,更因为资产阶级革命派的军队攻占了牛津,革命派首领克伦威尔任命无形学院的成员维尔金斯担任牛津大学瓦当学院的院长,无形学院的部分成员也纷纷迁往牛津,活动的中心从伦敦转移到牛津。1660年,因政局趋于稳定,活动中心又转回到伦敦。随着无形学院的队伍扩大,在1660年的一次集会上,宣布正式成立一个促进物理—数学实验知识的学院。不久经国王查理二世批准,这学院变成以促进自然科学知识为宗旨的英国皇家学会。皇家学会根据培根的思想,十分强调科学在工艺和技术上的应用,建立起新的自然哲学,成为著名的学术团体。

波义耳1646年在伦敦就参加了无形学院的活动。后来由于厌倦首都上层社会生活中的空虚,更重要的是想集中精力做一些科学实验,于是迁往他父亲一所偏远的庄园,在那里读书、进行科学实验,一住就是8年。庄园的生活虽然安静,但是对于波义耳的科学活动毕竟有很多不便之处,特别是他很想念那些无形学院的朋友们。1654年,他迁往牛津,寄宿在牛津大学附近一个药剂师家里。以后他又建立了自己设备齐全的实验室,并为自己聘用了一些助手,有些助手还是些很有才华的学者。例如罗伯特·虎克后来也戌为一个著名的科学家,他发现了形变同应力成正比的固体弹性定律,制成了显微镜,观察到植物细胞。这些助手在波义耳领导下进行观察和实验,并帮助波义耳收集整理科学资料和来往信件。这样就在波义耳的周围形成了一个科学实验小组,波义耳的实验室也一度成为无形学院的集会活动场所。波义耳的一系列科研成果都是在这里取得的,那本划时代的名著《怀疑派化学家》也是在这里完成的。据统计,在1660一1666年的6年里,他写了10本书,在《皇家学会学报》上发表了20篇论文。在牛津,波义耳一直是无形学院的核心人物,正式成立一个促进实验科学的学术团体也是波义耳的主张。不过当皇家学会在伦敦成立时,波义耳身在牛津,所以没有成为该学会的第一批正式会员,但是大家都公认波义耳是皇家学会的发起人之一,固而被任命为首属干事之一。

1668年,波义耳得知他姐夫去世的消息后,决定从牛津迁往伦敦,和他亲爱的姐姐莱涅拉夫人住在一起。到伦敦后,他又在他姐姐家的后院建造了一所实验室,继续进行他的研究工作。对于社交活动,他看得很淡漠,甚至有点厌恶。但是他却把自己的科学活动与皇家学会密切地联系起来,因而在皇家学会赢得很高的声誉,是科学界公认的领袖。1671年他园劳累而中风,经过很长时间的治疗才痊愈。因此1680年波义耳被选为皇家学会会长时,他因为体弱多病又讨厌宣誓仪式而拒绝就任。

波义耳的真空泵

 

杰出的成就,不朽的贡献

 

波义耳在科学研究上的兴趣是多方面的。他曾研究过气体物理学、气象学、热学、光学、电磁学、无机化学、分析化学、化学、工艺、物质结构理论以及哲学、神学。其中成就突出的主要是化学。

和当时的许多科学家一样,波义耳首先研究的对象是空气。通过对空气物理性质的研究,特别是真空实验,他认识到真空所 产生的吸力乃是空气的压力。他做了一系列实验来考察空气的压力和体积的关系,并推导出空气的压力和它所占体积之间的数学关系。在他的著作《关于空气弹性及其物理力学的新实验》中,他明确地提出:“空气的弹性和它的体积成反比”。法国物理学家马略特在此后15年也根据实验独立地提出这一发现。所以后人把关于气体体积随压强而改变的这一规律称作波义耳一马略特定律。这一定律用当今较精确的科学语言应表达为;一定质量的气体在温度不变时,它的压强和体积成反比。

在化学实验中,波义耳读了不少前人的有关著作,也了解到当时的一些科研成果。这不仅开阔了他的眼界,丰富了他的思想,同时也为他整个实验的安排提供了指导。当时德国有位工业化学家格劳伯,大半生从事化学实验,对金属冶炼、酸碱盐的制取有较多的研究,对于振兴德国的工业做出了重大贡献,格劳伯的事迹以及他的关于化学实验的著作《新的哲学熔炉》给了波义耳一个重要的启示,使他认识到化学在工业生产中所具有的广泛意义,化学不应只限于制造医药,而是对于整个工业和科学都有着重要作用的科学。为此,他认为有必要重新来认识化学,首先要讨论的是什么是化学。

波义耳根据自己的实践和对众多资料的研究,主张化学研究的目的在于认识物体的本性,因而需要进行专门的实验)收集观察到的事实。这样就必须使化学摆脱从属于炼金术或医药学的地位,发展成为一门专为探索自然界本质的独立科学。这就是波义耳在《怀疑派化学家》中所阐述的第一个观点。为了引起人们的重视,他在书中进一步强调指出:“化学到目前为止,还是认为只在制造医药和工业品方面具有价值。但是,我们所学的化学,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。化学,必须是为真理而追求真理的化学”

为了确定科学的化学,波义耳考虑到首先要解决化学中一个最基本的概念:元素。最早提出元素这一概念的是古希腊一位著名的唯心主义哲学家柏拉图,他用元素来表示当时认为是万物之源的四种基本要素:火、水、气、土,。这一学说曾在两千年里被许多人视为真理。后来医药化学家们提出的硫、汞、盐的三要素理论也风靡一时。波义耳通过一系列实验,对这些传统的元素观产生了怀疑。他指出:这些传统的元素,实际未必就是真正的元素。固为许多物质,比如黄金就不含这些“元素”,也不能从黄金中分解出硫、汞、盐等任何一种元素。恰恰相反,这些元素中的盐却可被分解。那么,什么是元素? 波义耳认为:只有那些不能用化学方法再分解的简单物质才是元素。例如黄金,虽然可以同其它金属一起制成合金,或溶解于王水之中而隐蔽起来,但是仍可设法恢复其原形,重新得到黄金。水银也是如此。

至于自然界元素的数目,波义耳认为:作为万物之源的元素,将不会是亚里士多德的“四种”也不会是医药化学家所说的三种,而一定会有许多种。现在看来,波义耳的元素概念实质上与单质的概念差不多,元素的定义应是具有相同核电荷数的同一类原子的总称。现在这种科学认识是波义耳之后,又经三百多年的发展,直到20世纪初才清楚的。波义耳当时能批判四元素说和三要素说而提出科学的元素概念已很不简单,是认识上一个了不起的突破,使化学第一次明确了自己的研究对象。在《怀疑派化学家》一书中,在明确地阐述上述两个观点的同时,波义耳还强调了实验方法和对自然界的观察是科学思维的基础,提出了化学发展的科学途径。波义耳深刻地领会了培根重视科学实验的思想,他反复强调:“化学,为了完成其光荣而又庄严的使命,必须抛弃古代传统的思辨方法,而象物理学那样,立足于严密的实验基础之上。”波义耳正是这样身体力行的。波义耳把这些新观点新思想带进化学,解决了当时化学在理论上所面临的一系列问题,为化学的健康发展扫平了道路。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。

罗伯特·波义耳

 

实验和观察是一切的基础

 

在波义耳众多的科研成果中,还有几项不能磨灭的化学成就。波义耳常说,“要想做好实验,就要敏于观察。”这几项成就都是实验中敏锐观察的结果。

波义耳女友去世后,他一直把女友最爱的紫罗兰花带在身边。在一次紧张的实验中,放在实验室内的紫罗兰,被溅上了浓盐酸,爱花的波义耳急忙把冒烟的紫罗兰用水冲洗了一下,然后插在花瓶中。过了一会波义耳发现深紫色的紫罗兰变成了红色的。这一奇怪的现象促使他进行了许多花木与酸碱相互作用的实验。由此他发现了大部分花草受酸或碱作用都能改变颜色,其中以石蕊地衣中提取的紫色浸液最明显,它遇酸变成红色,遇碱变变成蓝色。利用这一特点,波义耳用石蕊浸液把纸浸透,然后烤干,这就制成了实验中常用的酸碱试纸——石蕊试纸。

也是在这一类实验中,波义耳发现五倍子水浸液和铁盐在一起,会生成一种不生沉淀的黑色溶液。这种黑色溶液久不变色,于是他发明了一种制取黑墨水的方法,这种墨水几乎用了一个世纪。

在实验中,波义耳发现,从硝酸银中沉淀出来的白色物质,“如果暴露在空气中,就会变成黑色。这一发现,为后来人们把硝酸银、氯化银、溴化银用于照相术上,做了先导性工作。

晚年的波义耳在制取磷元素和研究磷、磷化物方面也取得了成果,他根据“磷的重要成分,乃是人身上的某种东西”的观点,顽强努力地钻研,终于从动物尿中提取了磷。经进一步研究后,他指出:磷只在空气存在时才发光;磷在空气中燃烧形成白烟,这种自烟很快和水发生作用,形成的溶液呈酸性,这就是磷酸,把磷与强碱一起加热,会得到某种气体(磷化氢),这种气体与空气接触就燃烧起来,并形成缕缕自烟。这是当时关于磷元素性质的最早介绍。

波义耳所以取得这么大的成就,正如他所说:“人之所以能效力于世界,莫过于勤在实验上下功夫。”

波义耳定律(Boyle's law,有时又称 Mariotte's Law):在定量定温下,理想气体的体积与气体的压力成反比。是由英国化学家波义耳(Boyle),在1662年根据实验结果提出:“在密闭容器中的定量气体,在恒温下,气体的压强和体积成反比关系。”称之为波义耳定律。这是人类历史上第一个被发现的“定律”。

罗伯特·波义耳

公式:V=k/P

V 是指气体的体积

P 指压强

k 为一常数

这个公式又可以继续推导,理想气体的体积与圧强的乘积成为一定的常数,即:

PV=k

如果在温度相同的状态下,A、B两种状态下的气体关系式可表示成:

PAVA=PBVB

习惯上,这个公式会写成:

p2=p1V1/V2

波义耳定律的伟大意义 波义耳创建的理论——波义耳定律,是第一个描述气体运动的数量公式,为气体的量化研究和化学分析奠定了基础。该定律是学习化学的基础,学生在学习化学之初都要学习它。

波义耳具有实验天赋,还证实了气体像固体一样是由原子构成的。但是,在气体中,原子距离较远,互不连接,所以它们能够被挤压得更密集些。早在公元前440年,德谟克里特就提出原子的存在,在随后的两千年里人们一直争论这个问题。通过实验,波义耳是科学界相信原子确实是存在的。

波义耳定律的发现历程 波义耳生于伯爵之家,是英国科学协会的会员。在1662年科学协会的会议上,罗伯特·胡克(Robert Hooke)宣读了一篇论文,论文描述法国关于“空气弹性”的实验。17世纪,科学家对空气特征产生了浓厚兴趣。

法国科学家制造了一个黄铜气缸,中间装有活塞,安装得很紧。几个人用力按下活塞,压缩缸里的空气。然后,他们松开活塞,活塞弹回来,但是没有全部弹回来。不论他们隔多长时间做一次实验,活塞总是不能全部弹回来。

通过这项实验,法国科学家声称空气根本不存在弹性,经过压缩,空气会保持轻微的压缩状态。

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。

两周后,罗伯特·波义耳手持“U”形大玻璃管站在众会员面前。这个“U”形玻璃管是不匀称的,一支又细又长,高出3英尺多,另一支又短又粗,短的这支顶端密封,长的那只顶端开口。

波义耳把水银倒进玻璃管中,水银盖住了“U”形玻璃管的底部,两边稍有上升。在封闭的短管中,水银堵住一小股空气。波义耳解释,活塞就是任何压缩空气的装置,水银也可以看作“活塞”。向法国实验所期望的那样,波义耳的做法不会因为摩擦而影响实验结果。

罗伯特·波义耳

波义耳记录下水银重量,在水银和空气交界处刻了一条线。他向长玻璃管中滴水银,一直把它滴满。这时,水银在短玻璃管中上升到一半的高度。在水银的挤压下,堵住空气的体积变成不到原来的一半。

在短玻璃管上,波义耳刻下了第二条线,标示出里面水银的新高度和堵住空气的压缩体积。

然后,通过“U”形玻璃管底部的阀门,他把水银排出,直到玻璃活塞和水银的重量与实验开始时的重量完全相等。水银柱又回到它实验开始的高度,堵住的空气又回到它当初的位置。空气果真有弹性,法国科学家的实验是错误的,波义耳是正确的。

罗伯特·波义耳用玻璃活塞继续实验,发现了很多值得注意的事情。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。当受到挤压时,空气体积的变化与压强的变化总是成比例。他创建了一个简单的数学等式来表示这一比例关系,现在我们称之为“波义耳定律”。就认识大气、利用大气为人类服务而言,这一定律是极为重要的。

《怀疑派化学家》1661年出版,

《化学家的故事》,《矿泉的博物学考察》,《关于空气弹性及其物理力学的新实验》 《关于火焰与空气关系的新实验》,

《形式与性质的起源》(1666年,一书总结了原子论哲学的要点)。

 

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