煮尿與磷元素的發現

1822 年的某一天，德國海德堡大學醫學院貼出了一個公告。這份公告中說，本醫學院將設立一筆獎金，獎勵那些勇於在尿液中找到新發現的學生。你可能會感到好奇，爲什麼醫學院會專門設立獎金來研究尿液這種髒兮兮的東西呢？其實，如果你身處那個時代，就不會感到奇怪，因爲尿液真的就是一個化學寶庫，而“煮尿”則是一項有着悠久歷史的研究活動。這項活動最早可以追溯到 1699 年。在德國的漢堡，有一位叫布蘭德（Hennig Brand）的商人熱衷於鍊金術，他堅信可以從人的尿液中提取出珍貴的黃金，因爲尿液的顏色和黃金的顏色是一樣的。

布蘭德收集了 50 桶來自德國軍人的尿液，然後，在一個昏暗的地下室中，他開始了漫長的煮尿生涯。我難以想象在布蘭德煮尿的那個地下室充滿着怎樣的氣味，他又如何忍受住了在這樣的環境中長時間興奮地工作，但他真的就做到了。布蘭德的方法說起來也簡單，就是用文火不停地煮尿，讓尿液中的水份蒸發，變得越來越黏稠，然後嘗試與不同的物質混合、溶解、再過濾、再蒸發。

當然，這麼一番折騰下來，布蘭德沒有得到他想要的黃金，人的尿中沒有金子。但是，失之桑榆收之東隅，他得到了另一種在當時價值並不比金子差的物質。這種物質潔白如雪，質感很像是蠟，但是不能接觸空氣，一遇到空氣，就會自燃。布蘭德給這種物質以“帶光者”的意思命了個名。它就是第 15 號元素磷，化學符號是字母 P。布蘭德也因此成爲有記錄以來的第一個化學元素的發現者，這實在是一個意外。

布蘭德從煮尿中發現了磷元素

儘管布蘭德努力保守着煮尿可以獲得磷的祕密，但是，他後來因爲陷入財政危機，不得不出售這個祕密。相傳，他把這個祕密賣給了三個人。第一個人歷史上沒什麼名氣，據說這個人用磷在歐洲的宮廷中表演魔術大賺了一筆。另外兩個人都是歷史上的名人，其中一個就是著名的德國數學家萊布尼茨（Leibniz），另一個是英國著名的化學家波義耳（Boyle）。波義耳還發明瞭不用尿液製造磷的方法，並且專門寫了一本書來介紹磷。

就這樣，布蘭德製造磷的方法慢慢在化學圈子中傳開，人們對尿液的興趣，也與日俱增。人們對尿液的興趣不僅僅是因爲尿液中似乎蘊含着豐富的化學物質，還因爲尿液是生命活動的典型產物，而生命本身就充滿了神祕性。弄清楚尿液中都存在哪些物質就是在探索生命的奧祕。當時，活力論是化學界的主流，化學家們普遍相信無機物與有機物之間存在着本質的不同。前者是沒有活力的，而後者是有活力的，尿液就是典型的有活力的有機物質。

當維勒也開始研究尿液

所以，當 1822 年海德堡大學醫學院貼出獎勵尿液研究的公告，沒有人會覺得有什麼奇怪。那一年，醫學院中有一位年輕的學生表現得特別出色，他的名字叫弗里德里希·維勒（Friedrich Wöhler），有兩位著名的教授都鄭重建議維勒去研究尿液。

弗里德里希·維勒

維勒這個名字你可能有點兒陌生，但如果你曾經參加過一些化學課外興趣班，或者買過一些化學小實驗的實驗包，一定會對“法老之蛇”這個化學實驗印象深刻。這個實驗的原型就是維勒最早做出來的。

在維勒20 歲讀大學期間，有一次他把白色硫氰酸汞粉末放在瓦片上，靠近壁爐加熱。當瓦片被燒熱後，維勒被眼前神奇的一幕震驚了：那些粉末劈啪作響，迅速膨脹，就像是一條從瓦片上突然鑽出的蛇，十分壯觀。

這個實驗現在已經簡化到可以用家庭日常物品復現了。你只要把白砂糖和小蘇打按照 4:1的體積比充分混合，在沙子上澆一些酒精做引燃物，然後把糖和小蘇打的混合物倒在沙子上，點燃酒精。過一會兒，糖和小蘇打的混合物就會燃燒起來，很快一條“黑蛇”形狀的東西就會從沙子中鑽出來，場面十分壯觀。如果你還是未成年人，必須在爸媽的陪同下，纔可以在家裏做一下這個化學小實驗。還是挺有趣的，它幾乎是每個化學興趣班必做的小實驗。

“法老之蛇”實驗

優等生維勒聽取了教授的建議，開始做起了尿液研究。一年多後，維勒出色地完成了研究課題《物質在尿中的轉化試驗》，他已經熟練掌握瞭如何將尿液通過蒸發、過濾、溶解、重結晶的方式得到一種純淨的白色晶體——尿素。不過，這種物質其實已經有將近百年的發現史，並不算太新奇的物質。這裏我需要給你插播一下尿素的發現簡史，因爲這種物質是本文的關鍵，也正是它引發了一場化學界的地震。

尿素髮現簡史

18 世紀早期，至少在 1727 年之前就有記載：荷蘭的赫爾曼·布爾哈夫（Herman Boerhaave）在尿液中發現了一種白色晶體，外觀上非常像食用鹽，也略帶鹹味，這種晶體被他稱爲“天然尿鹽”。但這種“尿鹽”與其它鹽在性質上有很多明顯的不同。比如，食鹽在七八百攝氏度度下仍然穩定，但“尿鹽”超過一百多攝氏度就會分解。

布爾哈夫的分離方法極其複雜，需要將尿液煮沸、蒸乾，形成油狀物，再用濾紙吸乾多餘的水分，等待油狀物逐漸變成固體，再將其溶解，然後重結晶。可能是因爲冗長的程序和漫長的等待時間勸退了後來者，也可能是因爲布爾哈夫太過低調極少著書立說，以至於後來很長一段時間這個發現都沒有引起人們的重視。

法國化學家羅埃爾（Hilaire Rouelle）在 1773 年發表的一篇文章中，描述了一種能溶解於酒精的“尿皁質提取物”，並對這種物質做了較爲詳細的分析，指出它具有較高的氮含量，能夠用作植物肥料。

隨後，許多化學家開始關注這種從尿液中提取的物質。1799 年，法國化學家福克羅伊（Fourcroy）和沃奎林（Vauquelin）指出他們得到的硝化尿素與前面幾位從尿液中提取的物質本質上都是同一種物質，並且用古希臘語的“尿道（urine）”一詞的發音給它正式定了個法語名稱。我們今天用的英文 Urea 也是音譯，翻譯爲中文就是“尿素”，這個名稱一直沿用至今。我小時候在田間地頭經常看到白色的化肥包裝袋上印着大大的“尿素”兩個字，所以我很小的時候就知道尿素是農民伯伯的好幫手。

農民澆肥（尿素）

當時化學界的主流觀點認爲，尿素是一種有機物。換句話說，這種物質必須是含有活力的生命體才能合成產生，尿素的存在本身也是“活力論”的證據之一。

讓維勒迷惑的白色晶體

我們把話題拉回到今天的主角維勒身上。維勒在海德堡大學出色完成了尿液研究的課題後，順利獲得了醫學博士的學位。1823 年 9 月，在海德堡大學著名教授的引薦下，維勒順利進入到當時已是化學泰斗的貝採利烏斯（Jöns Jacob Berzelius）的實驗室工作。這是當時全世界最頂尖的化學實驗室，維勒來到這裏，那就好像是洪七公來到了御膳房，一眼望去，全是他的菜。

貝採利烏斯

維勒做的其他工作我們不表，單說他在實驗期間遇到的一件怪事。

維勒在實驗中發現，用氯化銨溶液處理新析出的氰酸銀會得到一種白色晶體。這裏出現了兩個可能對你有點陌生的化學名詞，可能讓你有點兒暈。沒事，你只要知道維勒在實驗室裏，用兩種已知的無機鹽類化合物互相反應，得到了一種未知的白色晶體就可以了。

按照當時已知的化學反應的一般規律，氯化銨和氰酸銀反應，會發生元素的置換，就相當於是 AB 和 CD 反應，會生成 AC 和 BD。所以，這個反應的結果按道理應該是氯化銀和氰酸銨。再根據一些其他已知的化學知識，維勒判斷，這種白色晶體應該就是“氰酸銨”，是一種鹽。

但怪就怪在，這種新生成的白色晶體除了外觀上看起來像鹽以外，其他所有的化學性質都與鹽很不一樣。比如說，鹽會與酸反應生成一種新的酸，而與鹼反應生成一種新的鹼。在反應過程中，還往往會放出氣體。但是，這種未知的白色晶體卻不能與大多數酸和鹼反應。還有很多其他實驗，都與常見的鹽類的性質很不一樣。

維勒感到十分困惑，他又做了很多種不同的假設，設計實驗來一一驗證。但遺憾的是，所有的假設都被他自己設計的實驗推翻了。這種白色晶體顯得非常神祕，它怎麼看都不像是“氰酸銨”。維勒是一個不輕言失敗的人，儘管找不到頭緒，但他還是把所有自己能想到的實驗都做了，並且做了詳細的記錄。但最終，他依然無法確定這種物質到底是什麼。這就好像有一個大廚，他用已知的幾種食材燒出了一道菜，他自認爲，這道菜的味道無論怎麼變化，一定逃不出自己的經驗範疇。因爲原料有哪些自己很清楚，用了什麼樣烹飪手法，自己也很清楚，那最終出來的菜就應該符合自己做了一輩子大廚的心得，不可能逃得出自己的手掌心。但結果卻是，這道菜做出來自己完全想象不出來的味道。

維勒對這種神祕的白色晶體研究了很久，但始終找不到答案，最後，也就只好不了了之。在貝採利烏斯的實驗室錘鍊了一年後，維勒從瑞典回到了法國，繼續他的化學研究。

維勒與貝採利烏斯的通信

時間走到了 1828 年 2 月下旬，這時候距離維勒在瑞典發現那種神祕的白色晶體已經過去了 4 年。在德國柏林工業學校的一幢小樓裏，維勒從實驗臺前站起身，逐一收起桌上的東西，準備結束一天的工作。他伸了個懶腰，活動活動有些僵硬的脖子……這時，維勒的目光落在實驗櫃裏的一些白色晶體上。他忍不住走過去，打開玻璃櫃門，拿出晶體，翻看旁邊厚厚的一沓實驗記錄。唉，這晶瑩剔透、看起來無比美麗的晶體，它到底是什麼呢？已經 4 年了，各種可能性也都做了檢驗，依然沒辦法確定它到底是什麼。

就在此時，一個化學名詞突然在維勒的腦海中冒出來，尿素，有沒有可能是尿素呢？維勒想起了自己讀博期間的那段煮尿的難忘時光。同樣都是白色晶體，連味道都幾乎一模一樣。但問題是，那種白色晶體是無機物合成出來的，而尿素可是有機物啊，一種有活力的物質怎麼可能被無機物合成出來呢？

無機物和有機物截然不同的觀念在維勒的腦袋中衝撞，這種觀念是如此的根深蒂固，以至於讓維勒在 4 年中壓根沒往這方面想。但是，此時此刻，維勒已經成爲一個成熟的化學家，他已經開始領悟到了科學探究的真諦，不能被先入爲主的觀念框死，要勇於突破傳統觀念，大膽假設。

估計你聽到我說“大膽假設”這四個字時，心裏面忍不住就會跟上“小心求證”這四個字，如果是這樣，那麼，我要恭喜你，你已經具備了一條非常重要的科學思維。做到大膽假設其實並不難，我的郵箱中就經常收到一些科學愛好者發來的各種對世界未解之謎的大膽假設，但我從未在這些郵件中看到他們在大膽假設之後還能提出證實或者證僞自己假設的實驗。這就是民間科學愛好者和真正的科學家之間的區別。維勒在做出了“神祕晶體是尿素”的大膽假設後，第一時間想到的是如何用實驗證實或者證僞這個假設。他已經等不到明天了，迫不及待地開始了實驗。

維勒熟練地在實驗臺上搭起了實驗裝置，他找來了白色晶體和尿素，對他們進行完全相同的實驗操作，觀察兩種物質在同一種實驗中的反應。果然不出所料，這兩種物質在所有相同的實驗中，都表現出了完全一樣的性質。這說明，用氯化銨和氰酸銀這兩種無機物合成出的物質，就是從尿液中提取的尿素，它們就是同一種物質。

並且，在接下去幾天的實驗中，維勒還發現，只需要用氨水和氰酸鉛反應，就很容易得到尿素，這個發現令維勒無比興奮。1828 年 2 月 22 日，維勒懷着激動的心情，給貝採利烏斯寫信報告自己的發現。這封信被瑞典皇家科學院收藏至今，使得我們能得知這段精彩的科學史。

維勒在信中寫道：

……我必須告訴您，我可以在沒有腎臟甚至動物的幫助下製造尿素，既不需要人也不需要狗。因爲，氰酸銨就是尿素。也許您還記得我和您一起工作時我做過的那個幸運的實驗，我發現只要用氰酸和氨反應時，就會出現一種晶體物質，但它是惰性的，既不像氰酸鹽，也不像氨。在翻閱我的筆記本時，我再次想到了這一點，我認爲在氰酸與氨的結合中，儘管比例相同，但元素可能以不同的方式結合在一起，因此可能形成了“植物基”或類似的東西。因此，我最近在有限的時間內做了一個小實驗，我很快就完成了這個實驗，感謝上帝，這個實驗一次分析也不需要。我用苛性氨處理氰酸鉛，很容易就得到了所謂的氰酸銨。當然也可以用氰酸銀和氯化銨來製備。我得到了大量漂亮的結晶，而且確實是清晰的直角四棱柱……[1]

貝採利烏斯很快就給維勒回了郵件，不過說句實話，貝採利烏斯的語文大概真的不是太好，他的原文我不知道是用什麼語言寫的，但我讀了他的信的英文譯文，感覺貝大師很努力想表現自己有幽默感，但真的心有餘力不足，寫出來的內容實在是令我不知所云。信寫的不長，我給你念一下他這封回信的英文直譯，你聽聽看是不是不知所云：

當一個人以尿開始了他的不朽，就完全有理由以同樣的方式結束他的天堂之旅。維勒博士確實找到了獲得不朽名聲的正確途徑。鋁和人造尿素，當然是兩種完全不同的物質，彼此緊密相連，我的天，會像寶石一樣被編織在你的桂冠上[2]。如果人造尿素的數量不夠，一個人也可以很容易地從夜壺裏拿出一點來彌補差額。一個人現在能成功地進入更廣泛的生產領域嗎（精囊在膀胱的前面），在技術學校的實驗室裏製造這麼小的孩子是多麼高超的藝術啊。誰知道呢？這可能很容易。但現在已經有足夠的諷刺了，特別是因爲我急於謹慎地寫年度報告。這是博士您做出的一個真正重要而美麗的發現，聽到這個消息，我有一種難以形容的喜悅。當酸和氨結合時，鹽的性質完全消失，這是一種獨特的情況，這對未來的理論肯定是最有啓發性的。

爲了把貝採利烏斯的這封回信給看懂，我着實花了一番功夫，查閱了很多資料，努力去理解信中的每一句話。說實話，全網你能找到的對這封信的翻譯都完全不像是正常的中文。經過一番努力，最後，我還是不敢說能真的理解了貝大師的原意，只能說我以自己的理解把他的這封信用意譯的方式解讀一下，供你們參考：

維勒博士，你已經找到了一個很好的方法，或許真的可以通過對尿液的研究成就終身榮譽。你不要放棄，可以作爲一輩子的事業研究下去。雖然鋁和尿素是完全不同的兩種物質，但是，它們現在有了相通之處，鋁可以用來打造皇冠，而尿素可以作爲你桂冠上的寶石。不過你也不用擔心尿素不夠用，假如人造數量不夠，可以很方便地從夜壺中彌補回來。如果在實驗室中可以製造尿素，那豈不是意味着也有可能製造精子了嗎？
要知道，精囊可是在膀胱的前面啊。如果是真的，這得是多麼高超的藝術啊。但真的可以嗎？或許很容易，或許很難，誰知道呢？我必須謹慎地撰寫我的年度報告。不過，博士您真的做出了一個重要而美麗的發現，我有一種難以形容的喜悅。當酸和氨結合時，產生的物質居然完全不像是鹽，這是一種很獨特的情況，我想，它對未來的理論研究肯定是具有重大啓發意義的。

人造尿素與活力論的瓦解

爲什麼我要不惜筆墨介紹貝採利烏斯的這封信，因爲這涉及一段重要的科學史。在科學探索的歷史中，總是會有一些重要的節點，這些節點就是思想和觀念的變革。比如哥白尼打破日心說、拉瓦錫否定燃素說、愛因斯坦突破絕對時空觀等等，這些變革往往是推動一門學科大跨步向前發展的起點，是科學史上最重要的時刻。

人造尿素也是化學史上可以與燃素學說被推翻一樣重要的事件，因爲，原本根深蒂固的“活力論”的觀念就此開始瓦解，無機物和有機物之間原本分明的界線就此變得模糊。不過，我們從貝採利烏斯的回信中可以看出，儘管貝大師認爲維勒的發現具有重大啓發意義，但他並未馬上轉變觀念，懷疑活力論，而是保持了非常謹慎的態度。在科學新發現上保持謹慎態度本沒有什麼錯。

這一年貝採利烏斯 43 歲，正當壯年，但遺憾的是，後續的一系列科學史料表明，貝採利烏斯並沒有因爲維勒的這個重要發現而主動放棄活力論，建立新思想新觀念，他依然堅守着活力論思想，他改變的僅僅是把尿素從有機物清單中去除而已，並未觸及活力論的根基。

就這樣，貝採利烏斯把建立有機化學的機會拱手讓給了比自己小 24 歲的一位年輕人，不過，這正是科學的常態，長江後浪推前浪，江山代有才人出。推動人類化學發展的歷史重任交到了尤斯圖斯·馮·李比希男爵（Justus Freiherr von Liebig）的手裏。

化學有故事，下一期我就來給你講李比希和有機化學的故事。

信源

http://chem125-oyc.webspace.yale.edu/125/history99/4RadicalsTypes/UreaLetter1828.html
http://chem125-oyc.webspace.yale.edu/125/history99/4RadicalsTypes/UreaLetter1828.html