化学和波义耳定律

化学和波义耳定律

波义耳是每个学生都知道的科学家，他发现了以他名字命名的定律——尽管波义耳自己却总是把“波义耳定律”归于他的一名学生唐尼（Richard Townley，？—1711）。无论如何，波义耳作为当时一名先驱科学家的名声要远远超出他的这一命题：容器中一定量气体的体积与其压强成反比。毫无疑问，他的最大贡献是把化学确立为一门纯粹科学：致力于探讨　自然界的基本过程　，而不只是为了实用　目的，为了制取产物而采用的一系列配方以及方法。它也决不仅限于炼金术士的这一努力，要把贱金属转化成黄金，于是充满希望地投入，却以一无所获而告终。

化学的开端

化学的最初转变开始于16世纪，这时化学开始从传统工艺——陶瓷上釉、制作合金、为普通金属镀上银和金（冶金学）以及生产染料——中脱离出来。古人的实用工艺和炼金术活动，对早期认识物质的结构、组成和特性，它们是怎样与其他物质相互作用，以及它们的转变，也就是说，对了解物质的化学过程，有过巨大的贡献。慢慢地，实践者开始褪去炼金术这一神秘色彩（尽管许多人，包括波义耳和牛顿，还继续从事炼金术活动）。化学作为科学开始崭露头角。大约与此同时，古代研制药物的方法也开始演变为一门科学，它立足于观察药物带来的相互作用及其治疗效果，这就有了药理化学。随着化学缓慢地以科学的面貌出现，好几位科学家对其知识的稳步增长作出了贡献。帕拉塞尔苏斯（Paracelsus，约1493—1541）和其他人对药理学的贡献将在本编第八章讨论。与此同时，化学的其他领域也开始引起人们注意。

阿格里科拉

在对化学知识的积累作出贡献的科学家中有德国医生阿格里科拉（Georgius Agricola，1494—1555），他探讨如何用化学药物治疗疾病，但是他更著名的工作却是对矿物学和冶金学的研究。他写过一本书，被认为是应用化学方面的首部著作，书名叫《论金属》（De re metallica） （1556年出版），其中探讨了采矿和冶金中涉及的各种实际过程。

比利时的佛兰芒族医生和炼金术师赫尔蒙特（Jan Baptista van Helmont，约1579—1644）发明gas（气体）这个词，源于chaos（混沌），他还成功地离析出好几种气体。他应用定量方法，通过使物质燃烧、发酵以及其他过程，对气体进行研究，并分析由此产生的蒸气。他还主张物质在化学反应的过程中不生不灭。

然而，赫尔蒙特具有浓郁的神秘主义色彩。他致力于寻找哲人石，据说它是炼金魔法术的关键。此外，他还声称，有这么一种“武器药膏”，若是某人受伤，只需把这种药膏涂于致伤的武器上，就可治愈这一伤口，这一说法引来诸多非议。为此，1625年西班牙的宗教裁判所谴责他是异教，赫尔蒙特的余生从此遭到软禁。伽利略也有类似的命运。因此，赫尔蒙特的大部分著作在其死后才出版，他也才为世人所知。

大多数化学史家承认，直到　18世纪，化学中的真正革命才达到高潮。也许部分原因在于，有如此之多的化学家陷于炼金术这一神秘主义氛围中，致力于寻找能够点石成金的哲人石以及所谓的长生不老药。然而，还有一个理由，就是化学家试图了解的物质过于复杂。什么是人体化学？人体是由哪些成分构成？行星呢？动物呢？是什么使金属熔化？制造玻璃的化学原理是什么？酸是什么？醋呢？酒呢？这些基本问题不容易回答，特别是在当时的设备之下。

还存在许多其他绊脚石。在讨论化学问题时没有共同语言，没有我们现在所用的归类术语，如有机物和无机物，气液固三态，酸碱盐的分类。17世纪初还没意识到气体的存在。更糟的是　，当时有些过于偏激的理论，不仅没有条理，相互矛盾，而且不符合新兴物理学和天文学中的世界观。难怪自然哲学家、物理学家、天文学家以及其他科学家都视化学为伪科学，是神秘过时的东西。

基于“chaos”一词，赫尔蒙特新造了“gas”这个词。

科克郡的天才

波义耳是科克郡第一任伯爵理查德·波义耳（Richard Boyle， 1566—1643）大家庭中出生的第　7个儿子和第　14个孩子。年轻的波义耳有许多优势条件。他的家庭很富有，而且是贵族，他又是一个神童，家里给他请了私人教师，并且让他出国受教育，这个机会给他提供了广阔的视野，使他比同代人更少地受亚里士多德的传统束缚。波义耳14岁时伽利略去世，当时他正在意大利研读这位大科学家的著作。他也受到笛卡儿（Rene Descartes， 1596—1650）的很大影响，笛卡儿当时已经被公认为最有影响力的哲学家之一，也是一位很有名望的科学家和理论家。

知识的分享

17世纪科学的变化是如此之快，以至于科学家发现他们需要相互间经常保持联系，通报科学消息。到17世纪40年代，有一群英国科学家开始经常聚会，非正式地交换看法，并且报告他们的实验情况及其结果。于是，在1660年11月28日，他们中的几位——其中有波义耳和雷恩（Christopher Wren, 1632—1723)—　正式建立了“物理数学实验知识促进学院”(A College for the Promoting of Physio-Mathematicall Experimentall Learning )。这群人开始每周在伦敦的格雷欣( Gresham）学院聚会，雷恩是这里的天文学教　授，大家报告新发现　实验中的见闻　。波义耳过去的助手胡克（Robert Hooke, 1635—1703）成了第一任实验主管。

1662年这个组织获得许可，得到了国王查理二世颁发的第一份特许证书，于是成为伦敦皇家学会。1663年又得到第二份特许证书。到了1675年，皇家学会成功地说服国王建立一个皇家天文台（也叫做格林威治天文台）；由于当时的英国需要绘制精确的地图，而这又离不开能够精确测定星座位置的天文台，于是，天文台的建造就有了正当理由。弗拉姆斯提德（John Flarnsteed, 1646—1719) 英国第一位皇家天文学家，着手制作恒星位置详表和星图。哈雷继承弗拉姆斯提德任台长，在这里他发现了一种方法，可借助观侧月亮来判断海上的经度。

起初，学会面向那些科学事业和向皇家学会捐献财富的业余爱好者。后来学会变得更有选择性，会员只吸收作出过重要贡献的科学家（并不一定是专业的，专业是指以其为主要谋生手段）。

1666年，一个类似的组织．科学院（Academic des Sciences)，　在法国巴黎成立。发起人是考伯特(Jean-Baptiste Colbert,1619—1683）和路易十四·法国科学院提倡科学，担当法国科学中心的角色。但是，法国科学院与英国皇家学会相比，更多表现出官僚色彩而非私人友情，它最初是一个由选中的12人组成的小团体，这些人以学会的名义匿名开展工作。

交流无所顾忌地越过了国家界限，甚至在两国关系紧张时也不例外。17世纪科学家之间的通信十分频繁。其实，皇家学会秘书的主要任务之一就是担当信使的角色，为欧洲各地的专业和业余人士提供来自各种渠道的科学新发现。

波义耳于1644年回到不列颠群岛，并决定留在英格兰，因为在他的家乡爱尔兰，新教徒和天主教徒之间冲突不断。1643年他父亲去世，分得的遗产可以让他独立生活，并把一生投入科学。在已经成为牛津科学界的一员之后，他又参加他们的聚会，这一活动被非正式地叫做“无形学院”，聚集在一起深入研究新的实验方法。这正是英国哲学家培根（Francis Bacon）和伽利略新近提倡的方法，波义耳已经有所掌握。1654年波义耳迁居到牛津，1660年，该团体的成员组织了后来成为世界上最早、最受尊敬的科学社团——伦敦皇家学会。

关于真空实验

波义耳听说德国物理学家盖里克（Otto von Guericke， 1602—1686）在　1650年建造了第一台空气泵，目的是探讨真空（不包含物质的空间）是否存在。关于这个问题，亚里士多德没有经过试验，就断然回答“不”。盖里克的空气泵类似抽水泵，它的各个部件相当紧凑以至足够密封。盖里克把容器中的气体抽空，成功地证明了真空的可能性。亚里士多德说过，声音在真空中无法传播，而盖里克证明，在他所创造的真空里，人们确实听不到钟声（正如亚里士多德所想），尽管如此，声音可以在液体、固体和空气中传播。通过进一步实验，盖里克证明动物无法在真空容器中生活，蜡烛不能在其中燃烧（当时对气体还知之甚少——氧气甚至还没有被发现）。在一场引人注目的演示中，他还证明，即便50个人同时猛拉一根拴在活塞上的绳索，都无法克服空气压力使得活塞进入真空状态。

1657年，波义耳开始听说这些实验，并且得到胡克的帮助，胡克心灵手巧，善于制作各种器具装备。他们两人设计了比盖里克更好的空气泵。这次实验成功之后，人们常常把空气泵产生的真空叫做“波义耳真空”。

当时化学家和物理学家面临的重要挑战之一，是设计能够进行精确定量测试的仪器。波义耳还发明了温度计，那是一种真空并且完全封闭的装置。他也是第一位证明伽利略关于自由落体定律为正确的人：在真空中，不同重量的物体以同样的速率下落。如果没有空气阻力，羽毛不会浮在空气中，它将和比它重得多的铅块以同样的速率下落。在另一个有趣的实验中，波义耳还证明，钟的滴答声在真空中是听不到的，但是电的吸力可以穿过真空并在另一侧产生效应。

根据这些真空实验，波义耳开始研究气体的性质。

波义耳把化学科学带到近代。

胡克为波义耳的真空实验制造的空气泵。

认识气体

很难想象，今天甚至连小孩子都知道的许多概念，17世纪那些一流化学家却不知道。1662年　，波义耳表示　，他可以压缩空气。他还发现　，如果施加于气体的压力增加一倍　，它的体积就会减少一半。用更为简洁和完整的话来表述，就是如果气体保持恒定的温度，则其体积与压强成反比。实验步骤如下：在一个17英尺长、一端封口的J型管内压入空气，另一开口端灌入水银以防空气逃逸。然后，增加汞的数量，使压强加倍，则空气的体积减为一半。再增加汞的数量，使压强增加为三倍，则空气的体积减为三分之一。如果减小压强，空气将成比例地膨胀。这一原理被称为波义耳定律。波义耳则诗意般地称之为“空气的弹性”。

波义耳定律的演示。波义耳把一些汞放进J型管中，管子一头封死，测量气体的体积。当他使汞的数量加倍时，他发现禁锢在J型管一端的气体体积减少到一半。

波义耳的结论是：除非空气是由微粒或粒子组成，否则不可能以这种方式被压缩，因为在微粒中间才有空隙存在。因此，当压强增加时，这些微粒可以靠得更近些。波义耳的同事们重复他的实验，对这些结果留下了深刻的印象。 自从希腊哲学家德漠克利特和希罗（Hero，公元60年左右）的时代以来，原子的概念首次有了长足的进展。正是德漠克利特最先提出原子观；希罗是古希腊的工程师，他在大约公元62年写道，空气一定是　由原子组成，因为它是可压缩的。

波义耳在气体方面的工作为接近他的目标铺平了道路：把化学确立为一门基于机械论之上的、理性的理论科学。他发现的重要概念为理解物质的本性，尤其是气体，打下了扎实的基础，它们在18世纪结出了丰硕的果实。

化学的搭建：方法与元素

波义耳是第一位针对空气做科学研究的人；他的书《空气的一般历史》　（ The General History of the Air）在他死后的1692年出版。

以今天的标准来看，波义耳不是一个彻底的近代化学家。他热心于炼金术并且相信金子可以从其他金属转化而来。通信证据表明，他和牛顿秘密（所有的炼金术都是如此）分享他们相信能最终实现炼金术目标的配方和物质。不过，他坚持的某些基本原则，却有助于把化学建成一门科学。

在他那本出版于1661年的《怀疑的化学家》（The Sceptical Chymist）一书中，他怀疑希腊人的这一说法，亦即元素（一种基本的、不可分的物质）能够直觉地认识到。波义耳强调说，元素只能通过实验才能提炼出来。波义耳并未抛弃传统的元素观，只是他认为这些元素应该通过实验得到，从而为接下来的三个世纪里诸多元素的发现创造了条件，这些元素都是古人、他的同代人，甚至他本人连做梦都未曾想到过的。

他提出，元素实际上是一种物质实体，只有通过实验才能确认。如果实验证明一种物质不能进一步分解，那么这就证明该物质就是元素。他还看到这一特性：几种元素可以组合在一起，形成其他物质——但是由此形成的化合物往往可以再分解，重新得到原来的元素。对于化学来说这是重要和决定性的一步，它因此而有资格与物理学及天文学平起平坐。这一功绩甚至远胜于波义耳定律，它是波义耳对化学和科学的最大贡献。

波义耳坚持把实验作为主要证据，这对当时的科学家产生了巨大的影响。波义耳决意要让化学引起自然哲学家的注意，因此他成功地使那些自以为是严肃科学家的人们相信，化学值得研究并且加以关注。至于下一步进展则不得不等待另一位有洞察力的化学家——拉瓦锡（Antoine-Laurent Lavoisier， 1743—1794），他在接下来的世纪兴起一场化学革命。

与此同时，物理学的革命也远未完成。伽利略打开了许多大门，并且为此打下基础。随后，不利的周遭环境迫使一位尚未确立人生志向的学院研究者不得不度过一段额外的长假，结果这却成为有史以来最为重要（也许是这样）的一段科学生涯的开端。这个研究者的名字就是牛顿。