劉超

【導語】

2019年第11期的“材料史話”欄目講述了德國化學家弗里德里?！ぞS勒其人其事。而本期“材料星故事”的主人公——瑞典化學家瓊斯·雅各布·貝采利烏斯與維勒有著密切的關系：1823—1824年，維勒曾師從貝采利烏斯，時間雖短，但彼此卻惺惺相惜。

瓊斯·雅各布·貝采利烏斯（1779—1848，圖1）一生星光熠熠，無疑是19世紀上半葉世界最偉大的化學家，沒有之一。他測定了45種化學元素的原子質量；首次用元素符號表示并公布了當時已經發(fā)現(xiàn)的原子量表；發(fā)現(xiàn)了硅、釷、硒等元素；發(fā)現(xiàn)“催化現(xiàn)象”并提出“催化”的概念；命名“同分異構體”等等。這些成就，使得貝采利烏斯成為19世紀世界著名的科學家之一，在世界化學和材料史上寫下輝煌的一筆。

開創(chuàng) “分析化學” 新學科

貝采利烏斯于1779年8月20日出生在瑞典南部東約特蘭省一個名叫威菲松達的小村莊里，幼年的貝采利烏斯命運坎坷，他4歲喪父，母親改嫁一位牧師，12歲時母親病逝。他和小他2歲的妹妹被繼父繼續(xù)撫養(yǎng)。他的繼父自己原本有5個孩子，但在經濟條件極其不富裕的情況下，仍視貝采利烏斯兄妹如己出，對7個孩子一視同仁，對他們的培養(yǎng)更是不遺余力。正因如此，貝采利烏斯對來之不易的學習機會倍加珍惜。

在小學階段，貝采利烏斯對大自然展現(xiàn)出了濃厚的興趣，鳥兒飛、兔兒跳、蟲兒鳴、狗兒叫等等，無不引起他的注意和觀察。1793年，14歲的貝采利烏斯進入了家鄉(xiāng)的林雪平中學，在這里，他依然將時間都花在對自然科學的鉆研上。在一次野外植物調查的過程中，貝采里烏斯偶遇了為制作標本而正在尋找昆蟲的瑞典著名昆蟲學家哈格蘭（AndersHaglund），2個人相談甚歡。之后在哈格蘭的幫助下，貝采利烏斯認識了幾百種動植物，學到了許多制作動植物標本的方法，中學期間他就對林雪平地區(qū)的動植物分布進行了系統(tǒng)的研究，采集了370多種動植物標本。3年后，貝采利烏斯中學畢業(yè)，在其繼父的支持下，他進入瑞典著名的烏普薩拉大學（圖2）醫(yī)學系學習。當時，醫(yī)學專業(yè)是被認為最接近自然科學的學科。

隨著7個孩子進入不同等級的學校繼續(xù)深造，貝采利烏斯的繼父已經不能完全負擔這么多孩子的上學費用。可以想象，貝采利烏斯的大學生活是異常艱苦的，但也使其鍛煉出吃苦耐勞的品格和堅強的意志，為他以后成為享譽世界的大科學家夯實了“軟件”基礎。為了改變生活，貝采利烏斯不得不在其他同學享受五彩繽紛課余生活的時間提升自己。為了靠給當時大批來自歐洲內陸國家的移民子女上課賺取生活費和學費，貝采利烏斯除母語瑞典語之外，他先后又自學了英語、法語和德語。這段時期的自學經歷，為他以后能在最快時間閱讀到不同語言的科學著作提供了巨大的幫助。

然而，貝采利烏斯大學3年級的時候，在他所學的課程中，除化學課程游離在不及格的邊緣，其他課程的成績都名列前茅?；瘜W，這個以后成為貝采利烏斯終身事業(yè)的課程在此時卻依然沒有吊起他的興趣。如果此門課程的成績再下降一點兒，等待他的將會是學校的開除。下定決心，貝采利烏斯 “開足馬力”，在化學課程上奮起直追。當時，歐洲化學乃至世界化學界關于“燃燒”現(xiàn)象的解釋，支持拉瓦錫（圖3）的“氧化學說”一派與支持斯塔爾的“燃素說”一派的辯論異常激烈。貝采利烏斯正是在這個背景下，開始燃起對化學的興趣，并一發(fā)不可收拾，他的“化學人生”肇始于此。這位年輕有為而又富有思想的大學生，開始研究起了《反燃素化學基礎原理》一書，這是一位德國化學家的著作。這本書讓貝采利烏斯心潮澎湃，確定將化學專業(yè)作為未來自己施展抱負的事業(yè)方向。

包括貝采利烏斯的導師在內，他周圍整個的瑞典科學圈子都對“燃素輪”深信不疑，但他卻堅定地支持拉瓦錫的“氧化”理論。他認為，長期以來，“氧化論”一直未能打垮“燃素輪”的關鍵就是缺乏實驗驗證，堅持“氧化學說”的科學家沒有用足夠的實驗和數據來對“燃素論”進行反駁。于是，貝采利烏斯開始用實驗說話。他在實驗室制備了足夠量的氧氣，并找來許多同學一起觀看，讓他們通過親身感受，來掌握學好化學這門學科的最佳方法——實驗。貝采利烏斯所處時代，歐洲所有大學的自然學科都是重理論，而對最能證明理論是否成立的“實驗”卻不怎么在意，這本就是自然科學發(fā)展的最大缺失。

1802年，貝采利烏斯從烏普薩拉大學畢業(yè)，理所當然的當上了醫(yī)生。但不久之后，他意識到：作為一門應用科學，醫(yī)學的進步不在醫(yī)學本身，要考其他學科的突破促使醫(yī)學進步，而化學確實能為醫(yī)學的進步帶來曙光。他覺得自己應該在化學領域有所建樹，與醫(yī)生這個職業(yè)相比，他更喜歡從事化學方面的工作。貝采利烏斯決定改行！在麥地維，有一家礦泉水廠，他在這里當上了化學分析師，他的工作就是對這里天然礦泉水的成分進行分析。同期，意大利人伏打發(fā)明了能產生持續(xù)電流的伏打電池（“伏打電堆”），貝采利烏斯就利用伏打電池對礦泉水進行電解，分析出礦泉水中主要的化學成分。通過電解水的方法得知礦泉水的成分，這在當時是一項重大的研究成果。

沒想到的是，這家礦泉水廠的出資人居然想讓貝采利烏斯人工合成礦泉水，這樣就能節(jié)省許多成本，利潤能夠得到成倍的提升。貝采利烏斯斷然拒絕了在他看來這種違背原則的事情。但他答應會幫助礦泉水廠尋找到更多的天然水源。

在一次找水的過程中，貝采利烏斯發(fā)現(xiàn)了一種從未見過的有淡黃色暈的長石礦，將這塊礦石帶回實驗室，用強酸對其分解，化驗其中的成分發(fā)現(xiàn)，這是一種從未被發(fā)現(xiàn)的新元素，貝采利烏斯將這種新發(fā)現(xiàn)的元素命名為——鈰（Cerium）（見圖4）。他在研究了天平的使用原理后，對鈰元素的原子質量進行了測定，并且相當準確。

1803年，23歲的貝采利烏斯完成了博士論文的答辯，獲得了醫(yī)學博士學位，被聘為斯德哥爾摩醫(yī)學院醫(yī)療系的醫(yī)學和藥學講師。因為醫(yī)療系的教授數量太少，只有3位，每位教授就要開設好幾門課程。貝采利烏斯開設了植物學、藥學、醫(yī)學和化學的課程，前3門課程的學生很受歡迎，唯獨上化學課的學生寥寥，讓他深感困惑。直覺告訴他，不適自己設置的課程有問題，也不是自己講得不好，而是傳統(tǒng)習慣上的化學老師只注重口頭和書本傳授，不注重實驗和操作，自然就讓學生感到枯燥無味?；瘜W知識，要想讓學生記憶深刻和喜歡，就要讓他們看到直觀的實驗。于是，貝采利烏斯在上化學課的時候最大化增加了實驗的次數，學生從最初的寥寥無幾到堂堂爆滿。貝采利烏斯首次將實驗分析與理論相結合的教學方法，這種化學授課方式很快就在歐洲的大學化學課上推廣，這種授課方式也一直被沿用至今。

貝采利烏斯通過將分析的方法應用在化學研究，使得定量分析和許多化學成分的精度達到了新的高度。從貝采利烏斯之后，分析化學成為化學領域的一個分支。貝采利烏斯被后世譽為“分析化學之父”，瑞典政府為紀念他的成就，發(fā)行了紀念郵票（圖5）。

建立原子量訂定和現(xiàn)代化學命名體系

從1807年開始，貝采利烏斯開始了對各種鹽、酸、氧化物與其他物質組成的基礎研究。1811年，他提出了“電化二元論”，解釋了當時已知的全部無機化合物的構成。一直以來，貝采利烏斯非常注重對原子量的測定。為此，他發(fā)明并自己制作了許多分析儀器，創(chuàng)立了許多新的實驗分析方法，其分析方法和實驗技術在歐洲無人能出其左右。繼從礦物中發(fā)現(xiàn)鈰元素之后，貝采利烏斯又在烏拉爾鉑礦中分理出鈀、鋨、銠、銥4種元素，從四氟化硅中制得了單質硅，又從鉛室中發(fā)現(xiàn)了元素——硒（圖6）。

貝采利烏斯還首創(chuàng)了用拉丁字母來表示元素符號，如硒的發(fā)現(xiàn)和命名。1817年，貝采利烏斯在硫酸制備器皿的底部發(fā)現(xiàn)了一層紅色粉狀物，除去其他雜質后，對其加熱會產生植物腐爛的味道。起初，他預測這是——碲，但對其化學性質進行分析，又排除了這個結論。這是與碲元素化學性質非常相近的一種新元素，貝采利烏斯將其命名為“Selene（賽勒涅）”，意指“月光女神”。這就是硒（Se）元素。1818年，貝采利烏斯提出他最有名的研究成果原子量訂定，他以16g/mol氧原子為基數，訂定出45種已知元素的原子量。

貝采利烏斯將化學元素符號字母化，這是他對化學領域作出的重大貢獻之一。1826年，他以拉丁文訂下各種原子的符號，并且排出原子量表，這是最早的原素周期表。采用拉丁字母作為元素符號，非常便于記憶，且邏輯性嚴謹；可表示準確的相對原子質量。貝采利烏斯認為：日常用字會隨時間而改變其用詞的涵義，非口語的拉丁文反而能留下原來的涵義。這一時期，分子論、元素周期律和化學結構理論相繼誕生，化學符號不僅表示化學元素還用以表示在反應方程式和結構式上，之后還表示離子式、同位素等。在當今世界任何一個國家的化學書籍上，語言文字各不相同，但相同的是化學符號。

1808年，貝采利烏斯開始著手撰寫《化學教科書》這一著作，其中對當時主要使用得化學儀器的使用方法進行了詳細的說明。這本書在之后的很長時期成為化學領域主要的工具教科書，被譯成多種語言在歐洲及世界的大學中廣泛使用。

開創(chuàng)多個有機化學先河

早在1806年，貝采利烏斯就曾編寫過生理化學方面的課程和教材，第一次提出了“有機化學”的概念。在之后的多年內，他又開啟了化學專業(yè)一門新的分支——“生理化學”；他命名了“同分異構體”和“蛋白質”；并首次發(fā)現(xiàn)了“催化現(xiàn)象”，提出“催化劑”的概念。

1808年，貝采利烏斯通過對人體血液和各種食物的分析，得出結論：菠菜富含人體血液血紅素中的鐵元素，多吃菠菜對人體有益。這個結論被當時許多人嘲笑：吃綠色的蔬菜怎么能補充紅色的鐵？對此，貝采利烏斯不屑去反駁，他相信時間最終會證明他的結論。貝采利烏斯沒想到的是，數年后的人們受到他的啟發(fā)將分析化學與醫(yī)學相結合設立了“生理化學”學科，貝采利烏斯也成為之一學科的開山之祖。

之后，維勒與同為化學家的李比希在氰酸類物質的研究中同時發(fā)現(xiàn)了同一種分子式的不同種結構，但2個人都無法解釋這一現(xiàn)象。當維勒給他致信向老師征求意見時，貝采利烏斯將維勒合成的尿素與李比希合成的氰酸氨命名為“同分異構體（見圖7）”，這一概念由此產生。而在一次對乳酸的研究中，貝采利烏斯發(fā)現(xiàn)，乳酸在光學上有左旋和右旋2個結構，他終于親自發(fā)現(xiàn)并證實了“同分異構體”的真實性。

1835年8月20日，貝采利烏斯像往常一樣從實驗室回到家，一進門就被歡呼聲和祝福聲所感染，所有親朋好友和相交莫逆的同事都向貝采利烏斯致以生日祝福，妻子走過來擁抱了貝采利烏斯并對他說：“親愛的，今天是你的生日，生日快樂”！忙碌了一天的貝采利烏斯才意識到，自己的生日居然都忘了，這無疑是一份極大的驚喜。溫馨的氣氛當然要用紅酒來渲染，他請妻子將家里珍藏的上好紅酒全部拿出與眾人一起分享。

當大家舉杯共飲的時候，貝采利烏斯感覺喝到嘴里的不是紅酒，而是醋。于是對愛人說：“親愛的瑪利亞，在這美好的日子里，我們怎么能請客人喝醋呢？”妻子深感疑惑，自己明明是從酒窖里拿出的紅酒，還是最好的，怎么會是醋呢？詢問賓朋，大家都說紅酒很好，并沒有酸味兒。難道是自己的味覺出了問題？貝采利烏斯懷疑到。端著酒杯，他發(fā)現(xiàn)自己的手上沾著一些黑色粉末，而且酒杯里面底部也有相同的粉末沉淀。他恍然大悟，自己太高興了，進門后居然不曾洗手。這些黑色粉末是下班前自己做實驗在研磨白金（鉑）時沾上的鉑黑粉末。化學家思考問題終究還帶有專業(yè)的色彩，他第一時間意識到：紅酒變酸，很有可能是鉑黑粉末與紅酒發(fā)生了反應，之前從未有人發(fā)現(xiàn)過這種現(xiàn)象。他趕緊將這杯紅酒連同酒杯收藏起來，并對賓朋說道：“這可是寶貝，我要收好”！所有人都以為貝采利烏斯似乎還沉浸在實驗室的工作狀態(tài)，有人說：“親愛的瓊斯，這是在家，你怎么做實驗都做到家里來了？”引得哄堂大笑，貝采利烏斯跟著大笑。

第二天，貝采利烏斯來到實驗室，拿出昨天晚上那杯帶有酸味兒的紅酒，對紅酒與鉑黑粉末的混合物進行分析，多次實驗后終于證明：鉑黑粉末就是使紅酒變酸的“元兇”，它加速了紅酒里的乙醇與空氣中的氧氣反應，酸味兒是因為產生了乙酸（醋酸）。1836年，貝采利烏斯在《物理與化學年鑒》雜志上發(fā)表文章闡述了這一發(fā)現(xiàn)和研究結論，并首次提出加速化學反應的物質是“催化劑”這個概念，并提出并解釋了“催化現(xiàn)象”。從此以后，催化劑在化學工業(yè)上發(fā)揮的作用越來越大，約有90%以上的化學工業(yè)過程要使用催化劑。

貝采利烏斯將一生都交給了他熱愛的科學事業(yè)。他與妻子終身無子嗣，也許從小受到繼父的影響，他與妻子對待學生就像對待自己的孩子一樣。正因如此，他的學生與他們相處得很是融洽，可以隨時到他的家里進行交流和請教，貝采利烏斯將學生們既看成是自己的孩子又當做朋友。在他的影響下，他的許多弟子都成為了著名的科學家，如首次人工合成尿素的德國化學家維勒，發(fā)現(xiàn)鋰元素的約翰·奧古斯特·阿爾弗德森（Johan August Arfvedson），發(fā)現(xiàn)釩元素的塞夫斯特倫（Sefstrom N G），發(fā)現(xiàn)稀土元素——鑭、鉺、鋱的卡爾·古斯塔夫·莫桑德爾（Carl Gustaf Mosander），提出“蓋斯定律”的俄國化學家蓋斯（Hesss），發(fā)現(xiàn)“同晶型定律”的德國化學家米希爾里希（E.E.Miischerlich）等。1808年，貝采利烏斯被選舉為瑞典科學院院士，1810年被選舉為瑞典科學院院長。長期的化學實驗，貝采利烏斯不得不經常將身體暴露在有毒環(huán)境之下，他的健康受到了極大的傷害。1848年8月7日，貝采利烏斯因病在瑞典首都斯德哥爾摩逝世，享年69歲。瑞典政府和瑞典科學院為了表示對貝采利烏斯的尊重，按照貴族標準為他舉行了隆重的葬禮。值得慶幸的是，在貝采利烏斯生命的最后幾個月時間，他的得意門生們經常陪伴在其左右，尤其是莫桑德爾和維勒幾乎陪伴到他閉上雙眼的那一刻。

貝采利烏斯的學生亨利·羅茲于德國柏林大學紀念其逝世3周年的演說中曾總結：“他（貝采利烏斯）就是這樣一個人，在他的研究工作中表現(xiàn)了極不尋常的品質，他用很多實際和理論上的重要發(fā)現(xiàn)豐富了這門學科（化學）的所有分支，他用哲學精神總結了他的一生工作。他使他的學科系統(tǒng)化，用批評的力量為它開辟了前景。他是無與倫比的理論和實用化學教師，教導和鼓勵了大批學生。這位化學大師在如此巨大的范圍內履行了科學的最高要求，以至他的人格在很多世紀中都將是光輝的榜樣而光芒四射。”為記住瑞典歷史上最偉大的化學家，瑞典政府在首都斯德哥爾摩的市區(qū)修建了貝采利烏斯公園，延續(xù)至今。

參考文獻

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[4] 東方資訊.歷史上的今天：瑞典化學家貝采利烏斯逝世[EB/OL].（2018—08—07）.http：//mini.eastday.com/ a/180807000418847.html.

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