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第30章 勤于钻研:化学家的故事(7)

接着索迪根据原子蜕变时放出射线相当于分裂出一个氦的正离子,放出射线相当于放出一个电子,从而提出了放射性元素蜕变的位移规则。放射性元素在进行以d蜕变后,在周期表上向前(即向左)移两位,即原子序数减2,原子量减4。发生β蜕变后,向后移一位,即原子序数增1,原子量不变。德国化学家法扬斯和英国化学家罗素也独立地发现了这一位移规则。

根据同位素假说,他们把天然放射性元素归纳为三个放射系列:铀———镭系、钍系、锕系。这不仅解决了数目众多的放射性”新“元素在周期表中的位置问题,而且也说明了它们之间的变化关系。根据位移规则推论,三个放射系列的最终产物都是铅,但各系列产生的铅的原子量却不一样。为了验证同位素假说和位移规则的准确性,1914年美国化学家里查兹完成了此项工作。1919年,英国化学家阿斯顿研制成质谱仪,使人们对同位素有了更清晰的认识。

因为索迪是从事放射性元素的研究,所以他特别关心放射性及其能量的和平利用,他提出应当控制放射性即原子能这个大能源库,使它成为人类的又一个太阳。他十分重视科学的社会功能,强调科学家要真正担负起自己的社会职责。1956年,索迪在英国的伯莱顿去世了,享年79岁。由于他对现代化学发展的卓越贡献,他的名字将永远和同位素联系在一起。

让世界色彩缤纷的柏琴

1838年3月12日,威廉·柏琴出生在英国东北部约克郡的黑桑顿镇。柏琴自小就很聪明,学习也用功,14岁时进入伦敦皇家化学学校学习,很受校长奥古斯特·霍夫曼的器重,从一年级时候起,就让他兼作自己的实验室助手。

柏琴在向霍夫曼学习的过程中,认识到天然物质能在实验室里人为地创造出来,因此,他想自己动手制造奎宁。

奎宁是一种特效药,它对治疗疟疾有奇迹般的疗效。但它只能从南美产的李宁树树皮中提取,因此在欧洲很贵。

柏琴认为,如果能够成功合成人造奎宁,那将降低奎宁的价格,会对人类有很大帮助,自己也能成为富翁。柏琴就在自己家里的顶楼上搞了一个简易的实验室,进行研究工作。

柏琴利用复活节放假的机会,开始实验合成奎宁。他发现从焦油中提取出来的几种物质的分子式与奎宁的分子式极其相似,因此,他想把这些物质做各种化学处理,使之成为奎宁。但是,搞来搞去也没有成功。最后,他把从焦油里提取出来的苯制成苯胺,再在苯胺里加进重铬酸钾,使之氧化,出现了肮脏的黑色沉淀物。他以为又失败了,想倒掉,但是,他偶尔把生成物溶解在酒精里,却产生了鲜艳的紫色溶液,这使他大吃一惊。把布浸进溶液,立刻染上了鲜艳的紫色,即使用肥皂洗,在太阳底下晒,也不褪色。柏琴想:”奎宁没制成,或者能制成染料吧。“于是,他把染成紫色的绢作为标本,送到一家大染料公司。公司答复说:”这确实是一种新的优质染料。“18岁的少年柏琴高兴得手舞足蹈。

同年暑假,柏琴研究出了这种染料的工业制法,并获得了专利。1857年,他离开学校,从父亲和哥哥那里取得资本,建了一座工厂,用来生产这种新染料并进行出售。他给这种染料起名为茂布。

一开始,技术上存在各种难题,而且,让保守的印染业者采用新染料也很困难,年轻的柏琴以他的努力和热情克服了这些困难。他幸运的,当时紫色衣服从巴黎传到英国,风行一时。茂布非常畅销,柏琴才20多岁,就成了百万富翁。

作为一名科学家,柏琴的一生硕果累累。

19世纪70年代,他合成了芳香物质香豆素,从而指出了一条人工合成香豆素的途径。各种荣誉接踵而来,在柏琴发明苯胺紫五十周年时,他被授予骑士称号,在欧洲和美洲举行了表彰他的特别集会,在纽约为了纪念他还设立了”柏琴奖“,以专门授予那些在应用化学领域做出重大贡献的人。出席集会的人都系着柏琴工厂最初生产的染料染成的领带,那些荣获柏琴奖的人也都郑重地系着这种领带,这一切使柏琴达到了荣誉的顶峰。

然而,第二年,威廉·柏琴便与世长辞了,终年69岁。

在柏琴以前,人们的生活大都缺乏色彩。而他逝世时,世界却变得色彩缤纷,这都和柏琴发明的第一种合成染料有着千丝万缕的关系。

阿累尼乌斯揭示溶液导电性

阿累尼乌斯生于瑞典,父亲是乌普萨拉大学的总务主任。阿累尼乌斯3岁就开始识字,并学会了算术。父母并没有专门教他学什么,他是看哥哥写作业时逐渐学会了识字和计算。他的启蒙教育可以算得上”无师自通“了。6岁时他就能够帮助父亲进行复杂的计算。

阿累尼乌斯聪明,好学,精力旺盛,有时候也惹是生非。在教会学校上小学时,就常惹老师生气。有一次他给同学们讲故事,竟过了上课时间,老师想要处罚他,却又被他逃了过去。

进入中学后,阿累尼乌斯各门功课都名列前茅,特别喜欢物理和化学。聪明的人总喜欢多想一些为什么,遇到疑难的问题他从不放过,经常与同学们争论一番,有时候也和老师辩个高低。中学毕业,他以优异的成绩考入乌普萨拉大学。他选择了物理专业但仍然保持了对化学的兴趣。接着,他比通常期限提前半年通过了候补博士学位的考试,被校方认为是奇才。阿累尼乌斯选择有关电解质方面的课题作为学位论文,而乌普萨拉大学在这方面条件不足,于是他决定拜斯德哥尔摩大学的埃德隆教授为师。

当时埃德隆教授正在研究和测量溶液的导电性质。埃德隆教授非常欢迎阿累尼乌斯的到来,在教授的指导下,阿累尼乌斯研究浓度很稀的电解质溶液的电导。

从19世纪80年代初开始,阿累尼乌斯对溶液的导电性进行了一系列的测量,直到次年才结束。他花了几个月时间对实验结果进行整理,概括、计算,同时,他还查阅了学术刊物中与这个问题有关的论文,对有关数据都做了比较,探索各种物质意想不到的现象和解释。在实验中,最使他惊奇的是,很稀的溶液通电后的反应与浓溶液相比,规律要简单得多。以前的化学家也发现了在浓溶液中加入水之后,电流就比较容易通过,甚至已经发现加水的多少与电流的增加有一定的关系。然而他们却很少去想,电流和溶液浓度之间的关系。

通过实验和计算,阿累尼乌斯发现,电解质溶液的浓度对导电性有明显的影响。”浓溶液和稀溶液之间的差别是什么?“阿累尼乌斯反复思考着这个简单的问题。”浓溶液加了水就变成稀溶液了,可水在这里起了很大的作用。“阿累尼乌斯静静地躺在床上,顺着这个思路往下想:”纯净的水不导电,纯净的固体食盐也不导电,把食盐溶解到水里,盐水就导电了。水在这里起了什么作用?“阿累尼乌斯坐起来,决定把这个问题搞清楚。他想起英国科学家法拉第19世纪30年代中期提出的一个观点:只有在通电的条件下,电解质才会分解为带电的离子。”是不是食盐(化学名称是氯化钠)溶解在水里就电离成为氯离子和钠离子了呢?“这是一个非常大胆的设想。因为法拉第认为:”只有电流才能产生离子。“可是现在食盐溶解在水里就能产生离子,与法拉第的观点不一样。不要小看法拉第这个人,虽然他已经去世了,但是他对物理上的一些观点在当时还是金科玉律。

另外,还有一个问题要想清楚,氯是一种有毒的黄绿色气体,盐水里有氯,并没有哪个人因为喝了盐水而中毒,看来氯离子和氯原子在性质上是有区别的,因为离子带电,原子不带电。到19世纪80年代初阿累尼乌斯根据实验作出这样的结论:溶液稀释时,导电性增加的原因是水。

阿累尼乌斯的新理论是这样的:要解释电解质水溶液在稀释时导电性的增加,必须假定电解质在溶液中具有两种不同的形态。即非活动性的分子形态和活动性的离子形态。实际上,稀释时电解质的部分分子分解为离子,这是活性的形态;而另一部分则不变,这是非活性的形态。因为当时化学家一般都认为溶液中的离子是通入电流后产生的。

阿累尼乌斯决定对他的想法进行理论上的概括,并准备写成论文发表。他把第一篇题名为《电解质的导电率研究》,第二篇题名为《电解质的化学理论》。这两篇论文经斯德哥尔摩科学院讨论后推荐发表。阿累尼乌斯渴望留在乌普萨拉工作,他把两篇论文的校样作为学位论文向大学提出。学术委员会接受了这两篇论文,并指定在一年后进行答辩。阿累尼乌斯获得委员会的赞许,答辩得很好,但教授克利夫不同意他的理论。他认为:”纯粹是空想,我不能想象,比如,氯化钾怎样会在水中分解为离子。钾在水中单独存在可能吗?任何一个小学生都知道,钾遇水就会产生强烈的反应,同时形成氢氧化钾和氢气。可是氯呢?它的水溶液是淡绿色的,又有剧毒,而氯化钾溶液则是无色的,完全无毒。“虽然溶液中离子的形成不决定于电流的想法,威廉逊、克劳胥斯等化学家早已提出过,但那仅仅是一种没有验证的假设。阿累尼乌斯不但论述得很明确,而且通过实验证明了这个假设的正确性。他甚至还计算出,在氯化氢的溶液中,有92%的溶质处于活性形态,也就是说大部分溶质分解为离子了。这些结果也为其他科学家所证实。

阿累尼乌斯进一步研究认为,在电解中两极间的电位差只起指导离子运动方向的作用,并没有分解分子;当相同量的离子,不管溶质是什么,都带有同量的电荷,因而在两极沉淀物的当量是相同的,这与法拉第的认识是一致的。这个理论还解释了各种溶液中的反应热。例如稀释的强酸和强碱的中和热,不管它们是什么,都是相同的。这是因为在强酸和强碱之间的反应都是氢离子和氢氧根离子结合成水分子反应中的热都相同。其他溶液中的反应热都可以从电离理论中得到解释。分析化学反应中的许多现象,如沉淀、水解、缓冲作用、酸和碱的强度以及指示剂的变色等也都可以从电离理论中得到合理的解释。

阿累尼乌斯由于提出了电离学说,于1903年荣获了诺贝尔化学奖。阿累尼乌斯的电离理论为物理化学的发展开创了新阶段,同时也促进了整个化学的进步。

甚至当初反对过电离理论的克利夫,也在阿累尼乌斯获得诺贝尔奖后认为:”这一新的理论是在困难中成长起来的。那时化学家不认为它是一种化学理论,物理学家也不认为它是一种物理学理论。但是,这种理论却在化学与物理学之间架起了一座桥梁。“克利夫还认为阿累尼乌斯与贝采里乌斯是瑞典的骄傲。他在纪念贝采里乌斯的讲演会上说:”从贝采里乌斯肩上卸下的斗篷,现在已经由阿累尼乌斯戴上了。“这句话充分指出了阿累尼乌斯理论的重要意义。

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