第11章 红色的紫罗兰——化学学科的奠基人波义耳

化学反应广泛存在于物质世界。铁块在氧气中生锈，人体、动植物从食物中吸取养份，都是化学反应。尽管自远古时代起，人类就发现了许多化学现象并有意识地使它为人类服务，但和许多其它学科一样，化学成为一门科学，是近代的事情，并非古已有之。自从化学成为专门学科以来还不到四百年，人类生活就大大改变了。仅从医药学的角度说，就不知新制造出多少种从未有过的药品。人们的衣、食、住、行，在每个领域化学表现出都巨大的威力。化学为我们提供了日益丰富多样的物品。如今，没有化学，人类将寸步难行。然而，今天的化学，却脱胎于古代的炼金术，把化学从炼金术中解放出来的人就是波义耳。

1627年1月25日，罗伯特·波义耳（Robert Boyle，1627～1691，英国化学家、物理学家和自然哲学家，1661年发表波义耳定律，指出恒温下，气体的体积与压力成反比）生于爱尔兰的利斯莫尔的一个伯爵家庭里。曾在伊顿公学读书，从伊顿公学毕业后，他和家庭教师一起到法国、瑞士、意大利旅行和学习，开阔了他的知识视野，他对科学发生了愈来愈浓厚的兴趣，开始研究伽利略的著作。1644年末，他在伦敦定居，博览了科学、哲学和神学等许多方面的书籍。波义耳在他的实验室开始进行物理学、化学和农业化学方面的研究工作。1654年到牛津大学后开始从事系统的物理和化学的研究工作，积极参加了英国皇家学会的创建活动，1663年当选为英国皇家学会会员，1680年被选为皇家学会会长，终生未婚。1691年12月30日在伦敦逝世。

弗兰西斯·培根是英国哲学家和政治家，堪称英国唯物主义和实验科学的始祖。波义耳便是他的忠实信徒。因此，他把实验室的研究工作看成是头等重要的大事。他利用从父亲那里继承下来的大笔遗产，建立了自己的化学实验室。

化学主要起源于炼金术，到了15～16世纪，化学开始摆脱炼金术的束缚，但仍从属于医学和冶金，没能成为一门独立的科学。那个时代的人们，尤其是一些科学家却认为，化学只是有助于药剂师制药，有助于炼金术士寻找点金石的一种技能罢了。波义耳从亲身的实践中体会到化学应该有其自身的目的，认识到化学是一种重要的理性科学，并不仅仅是一种实用工艺，它理应成为一门基础科学，而不是医学和冶金学的从属品，必须把它从炼金术和医学中解放出来。

为了使化学这门科学真正确立起来，他投入了一个又一个紧张的化学实验……他的化学实验是饶有趣味的，而且是多种多样的。

一天，波义耳正在准备对实验室进行晨间的例行检查时，一个园丁走进书房，把一篮美丽的紫罗兰放在一个角落里。波义耳欣赏紫罗兰的艳丽和芬芳，随手摘了一束花就匆忙向实验室走去。

他想：现在需要对重金属硫酸盐加以蒸馏，以取得浓硫酸。波义耳把实验室的门打开，看到缕缕浓浓的烟从玻璃接受器里冒出来。助手威廉告诉他：“我们弄到了两瓶盐酸。”

“我想看看这种酸。请往烧瓶里倒上一些。”波义耳说，然后，他把紫罗兰放在桌上，帮助威廉倒盐酸。刺激性蒸气从瓶口冒出来，慢慢地散发到桌子周围。烧瓶里的淡黄色的液体也在冒烟。

“好极了！搞完蒸馏以后，请上楼到我那儿去，我们讨论一下明天的工作计划。”波义耳从桌子上拿起那束紫罗兰，就回到书房里去了。这时，他发现紫罗兰微微地在冒烟，可惜啊，酸沫竟溅到上面了，应该洗掉才好。

他把花放进水杯里，自己则坐在窗前，拿起一本书看了起来。过了一段时间，他放下书本，瞧了一眼装紫罗兰的杯子，真是奇迹！这些紫罗兰竟然成红色的了。波义耳把书扔到一边，拿起花篮立即跑到实验室。

波义耳把各种不同的酸用水稀释后，将紫罗兰花放进去，发现紫蓝色的花朵逐渐都变成了红色。“原来是这样，不仅是盐酸，而且其他的酸也可将紫罗兰的蓝色变成红色。”波义耳得出了结论：“只要把紫罗兰花辨放进一种溶液中，就能很容易地确定这种溶液是不是酸性的。”

后来，波义耳和他的助手就用水和酒精制作了一些紫罗兰花瓣的浸液。检验溶液是不是酸性的，只需加上一滴这种浸液，根据颜色的变化，他们就很容易得出正确的结论。他们接着从芬芳的玫瑰花瓣中制取了一些浸液。虽然不如茶水那样容易，但也是一瓶一瓶地浸了出来。

“酸性”能够判断了，那么溶液的“碱性”是否也可以通过“浸液”来判断呢？波义耳思索着。

于是，这位不畏疲劳的科学家又搜集了药草、地衣、五倍子、树皮和植物的根等，和他的助手们一起制取了各种颜色的浸液。有些只是在酸的作用下改变颜色，而另一些则在碱的作用下改变颜色。

反复实验后，他发现：从石蕊地衣中提取的紫色浸液最有意思，酸能使它变成红色，而碱却能把它变成蓝色，波义耳用这种浸液把纸浸透，然后再把纸烤干。把这种纸片放进被试验的深液中，只要纸片改变了颜色，就能证明这种溶液是酸性的还是碱性的。事实上，这时波义耳就已经发明了“石蕊试剂”和“pH试纸”。

这样，波义耳成为第一位把各种天然植物的汁液用作指示剂的化学家。他将汁液的酒精溶液滴在纸上，做成试纸来检验溶液的酸碱性，他用过的植物有紫罗兰、玫瑰、洋红、石蕊等。直到今天，化学家还采用波义耳的方法。

正如科学研究中经常发生的一样，一个发现往往引起另一个发现。

波义耳在研究用水制取五倍子浸液时发现，这种浸液和铁盐在一起，会形成一种黑色的溶液。“既然是黑色的溶液，就可制墨水”，波义耳思索着。他仔细研究了制作墨水的条件，选定了原料配方，制造出高品质的墨水。后来人们沿用这一方法生产的墨水几乎达一个世纪之久，在许多科学家、作家的手中留下了光辉的印迹。

他也是第一位给酸和碱下定义的化学家，他指出能将蓝色果汁变成紫红色的物质都是酸；颜色变化与此相反者则是碱。与此同时，他还研究很多检验方法，例如利用铜盐溶液是蓝色的来检验铜盐；利用能形成氯化银沉淀且沉淀在放置过程中逐渐变黑的现象来鉴定银。波义耳还研究了磷和磷酸的性质，发现磷燃烧后产生白烟，它溶于水使溶液显酸性。磷与强碱溶液放在一起产生一种气体，它和空气接触后，生成缕缕白烟，即磷化氢的氧化反应。

波义耳多年的研究工作证明，用某种试剂作用于物质时，它们就能分解生成更简单的物质。有些物质会生成有色沉淀，有些物质能分解出带有特殊气味的气体，还有些物质会产生有色溶液等。利用特殊的反应，就可以确定这些化合物。

波义耳把借助于特有的反应来分解物质并鉴别产物的过程，称作“分析”。这种新的研究方法，对分析化学的确立和发展起了巨大的推动作用。

波义耳提出最重要的理论是化学元素概念。从前，以亚里士多德的学说为代表，认为万物中只有四种元素：水、气、土、火。波义耳通过大量的实验，证明元素有许多种，而不是只有三、四种。

1659年，波义耳在R.胡克协助下改进了O.von盖利克发明的空气泵，利用它作了许多实验，观察到稀薄空气下水的沸腾，真空中虹吸失效及毛细管效应等现象。他把这些实验结果汇编成《涉及空气弹性及其效果的新物理—力学实验》一书，于1660年出版。他在书中描述了近两年来的全部实验，并第一次批判了亚里士多德的四元素理论、笛卡尔的“以太”和炼金术士的三本原。这部著作自然引起了亚里士多德的追随者及笛卡尔派的猛烈攻击以及耶稣教徒的诘难，认为其中有诈。但是，这位温和、不喜欢争辩的科学家却沉默寡言，等待着他的实验事实替他说话。

接着，他又着手写出了一部光辉著作——《怀疑派的化学家》。该书于1661年出版。在这本书中，波义耳大胆提出了什么是元素，什么不是元素的看法。他说：“元素是正确的、实在的、单一的纯净物质，用一般的化学方法，是不能把元素分解成更简单的物质的，假使某种物质能分解成更简单的物质，或者能转化为其他物质，那么，这种物质就不是元素。”

波义耳抛弃了各种错误见解，给元素下了一个明确的定义。虽然波义耳没有解决怎样得到元素和元素有哪些种等问题，但是，他从实验中已经得出结论：元素肯定不是只有三种、四种，而是有许多种。由此彻底摧毁了统治科学达2000多年之久的四元素的学说，使化学开始从炼金术中脱胎出来，化学研究开始建立在科学的基础上。正如他说的那样，“一个有决心的人，终将找到他的道路。”

波义耳在物理学方面也有成就，研究得最多的对象是气体，其研究成果以发现气体的弹性（即可压缩性）最为有名。他在助手R.汤利的协助下，对一端封闭的弯管内气体体积随压强的变化作了实验研究，他在一支一端封死的U形玻璃管中充满水银，封闭的一端留有一部分空气。当加在空气上面的重量越大时，空气的体积就越小，从而发现了气体体积与压强的反比关系（《关于空气的弹性与重量学说的答辩》，1662）。这是在力学运动以外的第一个自然定律。1676年法国物理学家E.马略特也独立总结出在温度恒定时气体的压强与体积成反比的定律，在表述上比波义耳完整，数据更令人信服。因此，这一定律以后被称为波义耳——马略特定律。

波义耳的物质微料结构理论为原子——分子理论发展开辟了道路；压力和体积的关系为新兴的物理化学制定了第一个定律；对许多颜色反应和沉淀反应加以系统化，为分析化学打下了基础；他所进行的物质燃烧实验，导致创立了化学上第一个普遍理论——乔治·施塔尔的燃素论。

遗憾的是，波义耳在晚年热衷于调和宗教与自然科学的矛盾。他捐款设立波义耳讲座，专门用来进行反对无神论的宣传。