科学史纲要第11讲近代化学的建立

,*,第十一讲 近代化学的建立,本讲线索,炼金术,化学哲学家：帕尔苏尔塞斯、海尔蒙特,机械论化学：玻意耳,近代化学的建立：拉瓦锡,一、炼金术,炼金术：把普通金属变成黄金、白银等贵重金属的方法。,第一次炼金术高潮,希腊化时期，埃及的亚历山大里亚,第二次炼金术高潮,阿拉伯炼金术,贾比尔（约公元721-815）,金属的 硫、汞 两组分理论,阿尔.拉兹（约公元850-925）,金属的 硫、汞、盐 三组分理论,二、文艺复兴时期的,化学论哲学,帕拉塞尔苏斯,1493,年生于瑞士，父亲是乡村医生,1500,年搬到在奥地利的费拉赫，在富格尔矿山当学徒,年轻时在著名的修道院院长、炼金术士门下求学,14,岁开始离家求学，并获得医学学位。一直在欧洲四处游历，一边写作，一边行医。由于脾气暴躁，对大学及其学术圈极其轻蔑，言辞激烈。,1541,年逝世,1550,年之后开始被广泛重视，人们开始收集其手稿，到,16,世纪末，大量手稿被印刷出来，影响巨大,化学论哲学,新柏拉图主义,+,赫尔墨斯神秘主义,对数学的重视：实验室的称重和测量,反对亚里士多德，反对“逻辑,-,数学”的抽象方法,人类可以在两本神圣的书中寻求真理,一本是神启示的书,圣经,一本是神创世的书,自然,必须通过收集、观察并在实验室里不断研究，亦即只有通过炼金术或者化学，才能理解自然,化学论宇宙,创世诠释：,上帝就像一个神圣的炼金术士，他把地球上的生物和物体以及天穹与未成形的原始物质分离开来，,创世完全是一个“化学提取、分离、升华和结合”的过程,要素理论,盐、硫、汞三组分：适用于一切物质而不仅仅限于金属,广泛应用,气象学：雷电是硫气与硝气的结合,农业：溶解盐与施肥一样能促使土地肥沃,地质学：地球就像一个大的化学实验室,化学论医学,人体小宇宙与大宇宙的类比,人是其周围大宇宙的一件微小复制品，其内体现了宇宙的所有部分,解释疾病,致病物质通过空气或食物进入躯体寄宿在某一器官中，引起机体功能异常。而人体内各个器官的生命力，就像实验室的炼金术士一样，能够从废物中分离出纯净的物质，把体内的杂质排除。如果这些生命力完全不能起作用的时候，疾病就产生了。,医药化学的运用,与亚里士多德,-,盖伦学派的论战,化学分析程序的发展,定量方法、溶解性测试、结晶学、火焰实验、猩红布（“红,-,蓝”区分碱酸）,海尔蒙特,1577,年生于比利时，炼金术向化学的过渡时期的重要人物。,早期著作：,鼓吹大宇宙,-,小宇宙的相似性、帕拉塞尔苏斯及其三元素，认为巫术是“最深奥的先天知识”,被宗教法庭起诉为异端，遭受软禁。没有教会的允许，他不得出版任何作品,后期工作：,对元素的理解：三要素是实用的，但不是基本的，自然的钥匙将在新观察中发现,对定量的理解：按照实验室的重量和测量，坚持物质不变与化学变化中的重量守恒,“柳树实验”、测量相同体积尿液的重量来了解疾病,三、机械论化学,医药化学的衰退,医药化学传统只对化学反应和化合物制备进行分类，却完全不能将各种事实组织成一致而有用的结论,机械论的兴起：用机械论解释化学,莱默里：酸由锋利的尖粒子组成，酸尖又名针。碱则由多孔粒子组成，这些多孔粒子又名针垫，各种酸尖能插入其内。针扎在针垫上并且被中和，针垫亦可因其上的小孔插满了针而被中和,17,世纪上半叶，一流的化学家都是帕拉塞尔苏斯主义者，,17,世纪下半叶，一流的化学家都是机械论者,玻意耳：机械论与化学的联姻,1627年1月25日生于爱尔兰的一个贵族家庭,是一位神童，八岁的时候已经能讲希腊文和拉丁文,11岁随家庭教师周游欧洲，读到了伽利略和笛卡尔的著作,1646年，利用父亲留下的遗产在伦敦家中修建了实验室。,1654年移居牛津，并结识了胡克并收为助手,1661年出版最重要的化学著作怀疑的化学家,1966年出版,形式和质料的起源，根据微粒哲学,怀疑的化学家,传统的元素概念,我现在所谈的元素，如同那些谈吐最为明确的化学家们所谈的要素，是指某些原始的、简单的物体，或者说是完全没有混杂的物体，它们由于既不能由其他任何物体混成，也不能由它们自身相互混成，所以它们只能是我们所说的完全结合物的组分，是它们直接复合成完全结合物，而完全结合物最终也将分解成它们：,然而，在所有的那些被说成是元素的物体当中，是否总可以找出一种这样的物体，则是我现在所要怀疑的事情,无论是亚里士多德的四元素，还是帕拉塞尔苏斯学派的的三要素说都不足以解释诸多的现象,形式和质料的起源，根据微粒哲学,微粒哲学,微粒哲学的基础是普遍质料（,universal matter,），这是一种“广延的、可分的、不可穿透的”物质，物质是运动的，运动乃是上帝赋予的。,“物质和运动”是所有东西的基本属性,“,物体的两个最伟大的、最普遍的原理”。,物质由大小、形状和,运动,各异的粒子构成。,任何物体的现象和性质，均取决于微粒及其运动，并可以微粒及其运动来解释。,(,那些具有特定形状的组分，它们拼接配置，这样足以解释它们何以结合成物体，而无需借助于实体形式这种东西来解释。,),波义耳在,形式和质料的起源,中提出的微粒哲学，牢固地建立在实验的基础之上，论证周密详尽，是彻底的机械论,化学作为自然哲学,把化学单独划为一门科学，并提出了它的任务和方法,化学家们至今遵循着过分狭隘的原则，这种原则不要求特别广阔的视野，他们把自己的任务看作是制造药物、提取和转化金属。我却完全从另一个观点看待化学：我不是作为医生，也不是作为炼金家，而是作为,哲学家,来看待它的,如果人们关心真正的科学成就较之个人利益为重，如果把自己的精力都献给了做实验，收集并观察事实，那么他就很容易证明，他们在世界上建立了伟大的功勋,。,化学对自然哲学是有用的，并尝试利用化学来阐述自然哲学,实验和观察的方法才是化学研究的基础，而不是神秘的玄思,机械论化学,机械论化学确实取得了一个成就。它把化学引进了自然科学的领域。十七世纪肇始时，化学一般不被看作是自然科学的一个部分。在最坏的情况下，它是玄妙的秘术；在最好的情况下，它是为医药服务的技艺。但是，在十七世纪结束之际，化学家在欧洲科学组织中占有令人尊敬的席位。毫无疑问，机械论化学在这个转变过程中发挥了重要的作用。机械论化学用科学共同体可以接受的术语讲述化学，使化学获得了前所未有的尊敬。,波义耳将机械论哲学应用到化学研究，创建了机械论化学，把化学带到了自然哲学的领域，并随着自然哲学向自然科学的转型而成为科学。,玻意耳的实验传统与机械论哲学,例,：广泛使用化学鉴别实验,确实，既然有不止一种的性质属于一确定种类的物体，而且，在大部分情形下，多种性质的共生，对于那种种类的物质来说是极为关键的，以至于缺少其中任何一种性质便足以将此物体从它所属的那个种类中排除，因此，用不着做更多的事情就足以将任何一种物质与世界上不属于此种种类的所有物体区分开来。,否定物体之作为比例的某种连续同一体的概念（比如金属的区别不仅仅是含硫、汞、盐要素比例不同，而根本上是不同的元素构成）,否定了物质的无限可变性，而肯定了一定数目的、可用一系列精确实验加以鉴别的物质的存在,与机械论提示的物质的普遍可变性相冲突（玻意耳尚未意识到微粒论与自己的实验原则的冲突）,燃素说的兴起,问题的提出：,像煤炭、木材等绝大部分可燃物在燃烧时，会损耗大量物质，最后只剩下灰烬；而金属之类物体在燃烧后却增加了重量。同样的燃烧，为什么会出现两种截然相反的现象呢？,燃素说的兴起,火是由大量的细小微粒组合在一起形成的。这些微粒既可以与其它元素结合在一起形成化合物，也可以游离在空气中单独存在。这种微粒如果弥漫在空气中，就会给人以热的感觉；如果聚集在一起，就会形成明亮炽热的火焰。这种微粒就叫燃素。物质中含的燃素越多，它就燃烧起来就越猛烈。可燃物的燃烧过程就是向空气释放燃素的过程。,负重量：燃素具有负的或曰与重力相反的重量，这样当燃素离开金属之后，金属就减少了负重量，其剩余的重量就增加了。,四、近代化学的建立,近代化学之父拉瓦锡,1743年生于法国巴黎,1765年完成了第一篇学术论文，并在法国科学院宣读,1768年成为法国科学院最年轻的一名院士,1789年法国大革命中作为革命的对象，被送上了断头台。,近代化学之父拉瓦锡,对化学的主要贡献：,1、使精密测量方法成为化学的传统,2、建立氧化反应理论，推翻燃素说,3、促成化学反应中的质量守恒定律的建立,4、统一化学术语命名方法,5、构建近代化学体系,1、使精密测量方法成为化学的传统,反驳水土互变说,在当时，许多人都相信水能变成土。亚里士多德的“四元素说”中就有水土互变的提法。,证据一：17世纪比利时化学家海尔蒙特曾以柳树的实验来支持这一观点。其过程如下：,将一柳树栽入一个事先经过烘干称重的土盆中，除了经常给树浇水之外，不给树提供其他营养。5年后，柳树长成大树了，泥土经烘干，重量并没有减少。可见柳树长大所增加的重量，只能来源于水，水能转变为土，并为树所吸收。,证据二：人们也时常发现在容器中煮沸水，时间长了总会有沉淀物生成。,1、使精密测量方法成为化学的传统,拉瓦锡的实验反驳,他采用一种欧洲炼金术中使用过的名为“鹈鹕”的蒸馏器（这种蒸馏器能使蒸馏物被反复蒸馏）他将蒸馏器称重，然后加入一定重量的经3次蒸馏后的蒸馏水。密封后点火加热，保持微热，同时进行观察。两周过去了，水还是清的。第三周水中开始出现很小一点固体，随后慢慢变大，第八周固体因增长而沉淀下来。就这样连续加热了100天，蒸馏器中的确产生了固体沉淀物。,冷却后，他首先称了总重量，发现总重量与加热前相比没有变化。他又分别对水、沉淀物、蒸馏器进行称量，结果是水的重量没变，沉淀物的重量恰好等于蒸馏器所减少的重量。可见，水并没有变成土，沉淀物来源与蒸馏器。,2、建立氧化反应理论，推翻燃素说,1）燃烧金刚石，燃烧前后，连同金刚石在内的容器的总重量没有变化,“燃烧是可燃物向外释放燃素”的说法不成立,2）用一种不怕火的软膏将金刚石包裹起来重复1)的实验，软膏的包裹，使得金刚石与空气隔绝，无论如何加热，金刚石都燃烧不起来。,没有空气，燃烧不能进行,3）在密封的容器加热锡和铅，锡和铅被煅烧之后，其表面生长出一层金属灰，这层金属灰比它所置换的那部分金属更重，而整个容器的总重量在加热前后没有变化。,金属燃烧后出现的金属灰不是金属损失了燃素之后的残留物，而是金属和空气化合的结果,2、建立氧化反应理论，推翻燃素说,4)普利斯特利的“脱燃素气”,普利斯特利在加热氧化汞实验的时候，收集到氧化汞分解时释放的气体，并发现可燃物在这种气体中的燃烧比一般在空气中更为激烈和迅速,普利斯特利的解释：这种气体非常需要燃素，它能使燃素从可燃物中快速逃逸。,5）制得“脱燃素气”，并用之重新和贡作用，结果又生成了汞灰。,拉瓦锡的新解释：空气主要由两部分组成，一部分参与燃烧（氧），另一部分不参与燃烧,6）其它氧化过程：燃烧、呼吸,燃烧的本质：,可燃物只有在氧气存在时才能燃烧，可燃物燃烧的过程就是它与氧气相结合的过程。,3、化学反应中的质量守恒定律,拉瓦锡实验总结：,在密封容器里面进行,使用精密的天平进行测量,考察实验前后的容器连同实验物品的总重量，结果发现每次实验前后的总重量不变,公设：物质总量守恒，既不创生也不消灭。,质量守恒定律：因为人工或自然操作不可能无中生有地创造出任何物质，也不可能凭空消灭任何物质，所以在每一次化学操作中，操作前后存在的物质的总量保持不变，而且其中每一要素的质与量也保持不变,糖变酒精的发酵等式：葡萄汁,=,碳酸,+,酒精,化学中质量守恒定律的意义：促成精密定量测量方法在化学中的普及，化学才开始赶上物理学,4、统一化学术语命名方法,4、统一化学术语命名方法,化学长期跟炼金术纠缠在一起，炼金术士经常物质起一套隐晦怪诞的名字,化学命名法,每种物质应该只有一个名称，单质的名称应该反映其化学特征，化合物的名称应能反映其化学组成，碱酸类用其所含元素命名，盐类用组合成它们的酸和碱表示,5、构建近代化学体系,小结：,1、适应化学学科发展的研究方法,2、当时化学的核心反应,3、研究化学反应所遵循的基本规律,4、统一了化学术语的命名方法,