戴維與笑氣

公元 1799 年聖誕節後的第一個工作日，在英國克利弗頓的一個實驗室中，有一個 20 歲的小夥子脫光了衣服，鑽進了一個幾乎完全密閉的大盒子中，這個盒子還是當時著名的發明家、工程師詹姆斯·瓦特（James Watt）設計的。小夥子站定後，協助他的羅伯特醫生按下了一個按鈕，隨着嘶嘶聲響起，一種無色但略帶甜味的氣體在盒子中釋放。你別誤會，這不是殺人的煤氣室。只見小夥子深吸一口，閉上眼睛，似乎在享受着什麼。過了 5 分鐘，羅伯特醫生再次按下按鈕，嘶嘶聲再次響起，小夥子繼續大口呼吸着。不一會兒，小夥子的臉上泛起了潮紅，露出開心而滿意的笑容，彷彿喫下去了什麼絕世美味，正在陶醉中。

漢弗裏·戴維（Humphry Davy）

這位年輕的小夥子叫漢弗裏·戴維（Humphry Davy），一位求知慾旺盛又充滿冒險精神的年輕化學家。這時候，誰也不會想到，他將在 20 年後被選爲英國皇家學會的會長。戴維正在吸食的那種氣體叫做一氧化二氮，當然，那個時候還沒有今天的學名，在 1772 年這種氣體剛被普利斯特里發現的時候，被稱爲“燃燒的含氮空氣”，後來，瓦特又把它叫做“人造空氣”。

以發現氧氣而聞名的普利斯特里（右一）

戴維之所以要拼命吸食這種氣體，是因爲他曾經在無意中發現，這種氣體如果吸多一點兒會讓他產生很愉悅的感受。爲了進一步探索這種氣體對人體的影響，戴維決定拿自己做人體實驗，看看大劑量地吸食這種氣體到底會發生什麼？這種行爲在今天看來，顯得愚蠢而又莽撞，不過，正是無數個像戴維這樣的年輕而勇敢的科學家在人類科學的蠻荒時代開疆拓土。

戴維很幸運，沒有像他的前輩舍勒（Scheele）一樣因爲熱衷於品嚐新物質 43 歲時就死在了實驗臺上。好在戴維品嚐的這種氣體不致命，隨着吸食劑量的加大，戴維感到越來越爽，笑聲也越來越大，直到外面的羅伯特醫生爲了安全起見，主動終止了釋放氣體。這個意外的發現，讓戴維感到很興奮，他把這種氣體稱爲“laughing gas（笑氣）”，這個名稱一直沿用至今。

製造笑氣的方法並不難，只需在密閉容器中加熱一種採自乾旱的沙漠地區叫硝酸銨的礦石，然後把生成的氣體通過水過濾，再收集起來即可。笑氣被製造出來後，往往會被裝在一種綠色的絲袋中。

製造笑氣的裝置

戴維自從發現了笑氣的妙用後，就開始舉辦笑氣派對。一開始，只是在一個小圈子中流行大家聚在一起吸食笑氣。但很快，這個東西就一傳十十傳百，在英國的詩人、作家、醫生和科學家圈子中流傳開來。當時，一場典型的笑氣派對是這樣搞的：首先讓一個人坐在椅子上或者沙發上，然後有人拿着一個鼓鼓囊囊的綠色袋子，將一頭塞入那人的嘴裏，用力擠壓袋子，那人就開始深深地吸入笑氣。過一會兒，吸入笑氣的人就會表現出各種奇奇怪怪的興奮動作，有的人會開心地大喊“再多來點兒，再多來點兒”，有人會站起來手舞足蹈，大笑不止。他們這樣描述自己的感受：我覺得自己失去了體重，正在沉入地下；我的大腦思潮湧動，思考的速度被突然加速了；我感覺自己就好像是豎琴發出的聲音。一位體驗過笑氣的英國詩人寫道：就像從雪地裏走回到一個溫暖的房間一般。

如果戴維的研究發生在乾隆年間的中國

我之所以要給你講笑氣的故事，一方面是想通過它帶你認識“無機化學之父”漢弗裏·戴維，另一方面，也是想告訴你，儘管到19 世紀初，化學已經是一門發展得很深入的學科，但它的正經用途其實並不多。你別看有無數的英國貴族、紳士們熱衷於發現或者製造各種各樣的新物質，但這些新物質的用途往往都並不是用在生活和生產活動中，大都沒有什麼實際的用途，供上流圈子娛樂表演往往是它們的用途。但這依然阻擋不住人們對發現新物質的熱情，好奇心驅使着一大羣聰明的頭腦癡迷於看似無用之學的科學。

說實話，當時歐洲的這種價值觀與我們東方人勤勞、務實、學以致用的價值觀是不相容的，如果像戴維這樣的年輕人出現在同時代的中國，也就是清朝乾隆年間的話，多半是會被長輩們訓斥不務正業的。或許這也是那個著名的李約瑟難題，即中國古代能誕生髮達的技術，卻沒有誕生科學的原因之一吧。科學這個東西，我們不得不承認，在誕生的初期，真的看不出來有沒有前途。

笑氣派對

笑氣 1772 年被首次發現，1799 年被戴維發現它的神經麻醉作用，但一直要到1846年，距離它被發現的72 年後，人們才爲笑氣找到了一種正經的用途：麻醉劑。天曉得爲啥這麼明顯的用途居然就一直沒人想到，以至於成千上萬的人在外科手術刀下遭受本可不必忍受的極大痛苦。一直到今天，在醫院中有些小手術還是在用笑氣做麻醉劑的，比如人流手術。在嚴格控制劑量的情況下，吸入一氧化二氮是安全的，但如果大量吸食，已經被證明會產生神經毒性，損害腦部。

醫用級別的笑氣麻醉劑

很多後來改變世界的新發現或者發明在最初的時候，往往都是無用的，另一個更典型的例子就是電池的發明。就在戴維發現笑氣妙用的同一年，有一位意大利的物理教授伏打，也被叫作伏特（Alessandro Volta）公佈了一個有趣的小發明。它把金屬鋅製成的薄片和銅製成的薄片像疊羅漢一樣間隔着堆疊起來，然後在每一塊鋅和銅之間墊上一層被鹽水浸溼的硬紙板或者布。這時候，如果用導線一頭接最上面的鋅板，一頭接最下面一層的銅板，就會產生電流，層數做得越多，電流就會越強。這個小發明被後人稱爲伏打電池或者伏打電堆，它被認爲是電池的鼻祖。

戴維用電解發現新元素

電池剛被髮明出來的時候，除了能搞一些電人的惡作劇或者在舞臺上表演電火花外，人們也並不知道能用它來做什麼。不過，很快就有其他科學家發現，如果把從電池的兩極接出來的導線插入水中，會發生一些奇妙的反應。在其中的一根導線上會冒出氫氣，而另一根導線上會冒出氧氣。

這件事情很快就傳到了心思活絡的年輕人戴維耳裏，他敏銳地意識到，既然電可以分解水，把水還原成基本元素，那麼電是否也能分解鹽的溶液，從而把水中溶解的鹽也還原成組成這種鹽的基本元素呢？

想到就幹，他首先選擇的電解對象是一種從草木燒成的灰中找到的一種新物質。在戴維之前很早，化學家們就發現，把草木燒成灰，然後溶解在水中，再過濾掉雜質，再蒸餾掉水，就能得到一種白色的晶體，這種白色晶體現代的名稱是氫氧化鉀。大家不必在意這種晶體在當時叫什麼名字，儘管大多數科普文章把它叫做“苛性鉀”，但我在之前的節目中說過，那個時代，物質的名稱非常混亂，並且，英文、法文、意大利文、拉丁文等等多種語言並行，同一種物質會有各種各樣奇怪的名字，儘管拉瓦錫用法文給所有的發現的物質賦予了一個名稱，但這並不能徹底改變名稱混亂的局面。

外文原文尚且如此混亂，就更不要說翻譯過來的中文了，雖然大多數科普文章都把這種物質叫做“苛性鉀”，但這樣的名稱翻譯會讓讀者產生一個誤解，好像“鉀”這種元素很早就被發現了一樣，實際上，如果不是戴維，人們根本不知道“苛性鉀”這種物質裏面含有什麼基本元素。爲了不讓你們產生同樣的誤解，我接下去就用“木灰提取物”來指代這種物質。

戴維（右）與助手用伏打電池作電解實驗

戴維首先嚐試用電來分解“木灰提取物”的飽和溶液，結果，除了氫氣和氧氣之外，他並沒有得到什麼其他物質。不過，戴維沒有放棄，它不斷地嘗試各種方法。有一天，它將一小塊純淨的木灰提取物放在一塊白金製成的盤子上，然後把電池的負極接在盤子上，再將電池的正極通過一根白金絲與木灰提取物相連。戴維驚喜地發現，木灰提取物先是慢慢溶解，然後，在正極處開始冒泡。接下來，神奇的一幕出現了，這塊熔化的木灰提取物表面開始出現一顆顆很像水銀的小球，這些小球帶着金屬的光澤，與空氣一接觸，就會燃燒起來，產生一種紫色的火焰，並伴隨着爆炸聲。據說，看到這一幕的時候，戴維開心得手舞足蹈，就好像吸飽了笑氣一般。因爲戴維的化學直覺告訴他，他發現了一種新的基本元素。

在隨後的日子，戴維不斷改進實驗，並最終成功地將這種新物質收集保存了下來。這種新物質就是我們今天知道的 19 號金屬元素——鉀。戴維是在 1807 年向英國皇家學會報告了這種新物質，並且得到了其他化學家的確認。

自從發現了用電解法可以找到新物質後，戴維一發不可收拾，他嘗試着給一切可能的物質通電，看看能不能因此發現新物質，就這樣，戴維獲得了一個電解狂魔的稱號。他用同樣的方法電解蘇打，也就是氫氧化鈉，從而發現了鈉元素。在隨後的一年中，戴維以驚人的速度又接連電解分離出了鈣、鍶、鋇、鎂這四種基本元素[1]。後來，他又證明了硼、鋁、鈹和氟的存在，儘管無法將他們分離出來。此外，他還發現過去被認爲是一種氧化物的物質其實是一種基本元素，這就是 17 號氯元素[2]。戴維是歷史上發現最多新元素的化學家，因此被後人尊爲“電化學之父”、“無機化學之父”。

戴維實驗所用的伏打電池

戴維以一己之力，爲化學的基本元素家族至少新添了 11 名新成員，大大豐富了人類對基本元素的認知，他的成就主要完成於 19 世紀的前二十年，這些新元素的發現都是在爲幾十年後的一代化學宗師的橫空出世做着知識儲備。

貝採利烏斯的化學成就

就在戴維在伏打電池和各種奇奇怪怪的溶液之間奔忙的時候，在瑞典，有一位比戴維小 1 歲的年輕人，也在幹着幾乎同樣的事情，他的名字叫貝採利烏斯（Berzelius），爲了敘述方便，我姑且叫他小貝。小貝大學畢業後搬到了瑞典的首都斯德哥爾摩，但是找不到好工作，只能在醫學外科學院做義務教師，沒有工資，但可以用學校的實驗室。好在小貝有一些父母的遺產，暫時還不用擔心餓肚子。但小貝有些年少輕狂，很快就要遭遇社會的鐵拳。

首先，他與人合夥開生產醋的工廠，但生意失敗，它的合夥人還溜掉了，欠的債只能小貝獨立承擔。小貝因爲早年很多論文遭到瑞典皇家科學院的退稿，一怒之下，決定與人合夥自己辦一份學術期刊，誰知期刊沒辦成，還欠下了一屁股的債。一直到 1807 年，年近 30，小貝才時來運轉。醫學外科學院的一位教授去世，小貝接替了他的教職，終於有了一份不錯的薪水。

貝採利烏斯

貝採利烏斯除了和戴維一樣，熱衷於用電解法尋找新元素，他一共發現了四種新元素：鈰、硒、硅和釷。除了尋找新元素，他還熱衷於測定元素的原子量。不過，他與道爾頓的思路有所不同，道爾頓是將氫原子的原子量設爲 1，而貝採利烏斯認爲，氧元素纔是最常見的元素，已知的化合物中含氧的是最多的，氧元素也是拉瓦錫理論的核心。所以，貝採利烏斯把氧元素的原子量設定爲 100，然後再測定其他物質相對於氧的原子量。不過，今天的化學界既沒有采用道爾頓的標準，也沒有采用貝採利烏斯的標準，而是把碳元素質量的十二分之一設爲 1。

不論是實驗裝備水平、財力還是實驗水平，貝採利烏斯都可以碾壓道爾頓，因此，他是當時化學界測量原子量的第一人。1818 年和 1826 年，他先後兩次發表原子量表，測量數據越來越精確，他測定了幾乎所有當時已知的化學元素的原子量。有了貝採利烏斯的這些紮實的基礎工作，幾十年後，當那位繼拉瓦錫之後，化學界的又一位奇才出現時，他纔能有用武之地。後話，暫且不表。

貝採利烏斯的測量結果

通過精確的測量，貝採利烏斯發現，在用氫氣和氧氣合成水的過程中，總是精確地消耗 1 份體積的氧氣和 2 份體積的氫氣，於是，他推斷，水應該是 2 個氫原子和 1 個氧原子結合形成一個更大一點兒的微粒，這些微粒再組成了水，沒錯，這就是分子概念的雛形。那麼，爲什麼兩種原子會互相結合呢？貝採利烏斯馬上想到了當時同性相吸、異性相斥的電荷的特徵，提出了電化二元論。

他的設想是這樣：所有的原子都帶電，有的帶正電，有的帶負電，於是，那些帶正電的原子和帶負電的原子相遇，它們就會吸在一起，形成一個更大的原子團結構。這個理論能夠很好地解釋了當時已知的化學反應和化合物的各種性質，因此，這個理論爲貝採利烏斯贏得了榮譽，受到了化學界廣泛的認同，在很長一段時間，這個理論是化學界的主導理論。不過，挑戰和質疑該理論的年輕人也不斷地湧現，貝採利烏斯的下半生有很大一部分精力花在了與人論戰上。

後來的人們發現氫氣、氧氣這些常見的氣體基本構成單位居然都是由 2 個原子兩兩結合形成，這個發現明顯與電化二元論相悖，因爲按照電化二元論，兩個相同的原子帶有相同的電性，是不可能結合在一起的。遺憾的是，這個推翻電化二元論的決定性證據出現在貝採利烏斯去世後。否則，以貝採利烏斯的治學態度，一定會認這個證據。在大英百科全書中，他被描述爲一個嚴格的經驗主義者，信奉證據至上的原則。

貝採利烏斯的實驗室

貝採利烏斯對化學的另一大貢獻是發明了一套新的化學物質的表達方式，這就是我們今天依然沿用的化學分子式的雛形。他採用每種基本元素的拉丁名稱的首字母表示這種元素，比如 H 表示氫，O 表示氧，C 表示碳等等。由於有幾種元素的拉丁文名稱具有相同的首字母，他又在首字母后選擇一個字母以示區別，比如銅的首字母也是 C，就用 Cu 表示，硅和錫的首字母都是 S，就用 Si 和 Sn 來區分。首字母都大寫，後面的字母小寫。你今天在化學課本上學到的那些元素符號，就是 200 多年前貝採利烏斯定下的。

對於化合物，貝採利烏斯希望書寫符號既可以反應物質的化學性質，也可以體現組成該化合物的元素。一開始貝採利烏斯用加號（+）把兩種元素符號組合起來，如“ C + 2O”表示二氧化碳，“2H + O”表示水。後來，他進一步簡化，去掉了加號，把數字放到元素符號的右上角，如CO2。這就已經和今天的分子式非常接近了。

貝採利烏斯出版的書籍中列出的元素與化合物

貝採利烏斯的活力論

貝採利烏斯還創造性地用化學的理念解釋了生命和非生命體的差異。自古以來，人類的先哲們就在思考生命到底是什麼？我們從感官上很容易就能發現自然界中有“死的”和“生的”這兩種不同的物質形態，它們的本質差異到底是什麼呢？哲學和宗教都試圖解答這個謎題，被東西方文化同時接受的一種說法就是“靈魂”說，也就是這個世界上存在一種可以脫離物質而存在的“靈魂”，當靈魂與死的物質結合，就可以變成生物，同樣，如果生物失去靈魂，就成了死物。

所謂的“靈魂”被十九世紀的化學家們描述爲“活力”。貝採利烏斯是第一個用化學的理念闡述活力論的人。他認爲，這個世界上有兩種物質，一種是隻有生命體中才含有的具有活力的物質，這種物質被稱爲 Organic compound，中文翻譯爲有機物；另一種就是化學家們可以分解、合成、氧化、還原的非生命物質，被稱爲Inorganic compound 無機物。無機物和有機物涇渭分明，就好像陰陽分隔，用任何化學或者物理的方法都不可能生成有機物，有機物只能是由具有活力的生命體制造。在貝採利烏斯提出活力論的很長一段時間中，幾乎沒有遭到質疑，這個學說很容易就被當時的化學家們接受了，一方面是因爲它與神創造生命的宗教信仰是完全合拍的，另一方面，化學家們確實像貝採利烏斯所說，無法在實驗室中合成出有機物。

貝採利烏斯因爲這些成就，被後世尊稱爲“瑞典化學之父”。

瑞典斯德哥爾摩貝採利烏斯公園正中心的雕像

維勒登場

1823 年 9 月 2 日，有一位 23 歲的醫學博士，從德國海德堡大學畢業後，在導師的引薦下，來到了貝採利烏斯的實驗室工作，他的名字叫弗里德里希·維勒（Friedrich Wöhler）。貝採利烏斯很高興自己的實驗室又來了一位聰明勤奮的年輕人，然而，令貝採利烏斯萬萬沒想到的是，這位年輕人竟然敲響了“活力論”的喪鐘。

化學又會在這位年輕人的推動下，向前邁進一大步，這又是怎樣的一個故事呢？化學有故事，我們下期接着說。

信源

1. https://www.sciencehistory.org/historical-profile/humphry-davy
2. https://www.encyclopedia.com/people/science-and-technology/chemistry-biographies/sir-humphry-davy