戴维的化学研究之路

摘要：戴维是19世纪英国著名化学家，在电化学、碱金属、氯气、安全灯等方面均作出杰出贡献，其在科学研究中所用的方法以及敢于批判、质疑、创新的科学精神也值得后人借鉴和学习。

关键词：戴维 笑气 碱金属 氯气 安全灯 法拉第 化学史

汉弗莱·戴维（Humphry Davy，1778-1829），英国化学家，与道尔顿（John Dalton，1766-1844）同时代。在化学史中，戴维最为人们印象深刻的是关于氯气的研究，但实际上在电化学、碱金属等许多领域，戴维也一样展现出其卓越的才华与非凡的智慧。另外，戴维以其自身的努力和成就，促进了科学的发展与传播，扩大了化学的影响力，为提高科学的社会地位做出了许多贡献。

1.从不羁少年到科学家

1778年12月17日，戴维出生在英格兰彭赞斯城（Penzance）一个普通家庭，父亲是木雕师。儿时的戴维不喜欢学校条条框框的束缚，淘气贪玩，爱好钓鱼并擅长作诗。自由快乐的童年生活，使戴维形成了热情、积极、独立、不盲从、善于创造的个性，这在其以后从事的各种研究中都有所体现。戴维16岁时，其父去世，为了生活，身为长子的戴维被送到一家药店当学徒。这段经历可以看做戴维人生的转折点，从此，他一改往日散漫贪玩的习性，发奋读书，每天制定详细的学习计划，并自学拉瓦锡（（Antoine Laurent Lavoisier，1743-1794）和尼科尔森（W.Nicholson，1753-1815）等人的著作，扩大自己的知识面，还利用药房的简单仪器做一些化学实验。在这一时期他结识了学识渊博的格列高里·瓦特（Gregory Watt）（蒸汽机的发明者詹姆斯·瓦特（James Watt，1736-1819）的儿子），格列高里·瓦特非常欣赏这位聪明好学的年轻人，他细心地给戴维答难解疑。就这样，通过自身的努力以及一些前辈的热心指点，戴维的知识有了很大进步，对化学的兴趣也越来越浓厚了。

1798年，戴维赴布里斯托尔市（Bristol）郊克里夫顿的一家气体研究所当助手，在这里他有更好的学习和实验的机会。次年戴维制备出了笑气（即一氧化二氮），刚开始发现笑气具有刺激作用，后来又发现其具有麻醉作用，并将对笑气的研究记录在《关于吸入氧化亚氮有关的化学及科学研究》一文中。在气体研究所期间，为了弄清楚各种气体对人体的生理作用，戴维常常在自己身上验证自己的猜想。虽然这种研究方法有些危险，但戴维这种敢于探索、严肃认真的研究精神，无疑也是值得钦佩的。笑气的制备，使戴维的才华和成就迅速得到广泛传播，1801年，戴维被伦敦的皇家研究院聘请担任助理讲师，翌年提升为教授。在那里，戴维开始了他璀璨的研究之路。

2.锲而不舍的化学研究之路

2.1追根朔源——电化学假说

1799年意大利物理学家伏特（Alessandro Volta，1745-1827）发明了伏特电堆（电池），许多化学家也因势利导纷纷用电做起实验。1800年，英国科学家尼科尔森和卡莱尔（Anlhony Carlisle，1768-1840）成功地电解了水。思想敏锐的戴维开始把研究方向转向电化学，在总结前人经验的基础上，他还认真分析先前研究在实践和理论方面是否还有不足之处。在这期间，他发表了许多颇有新意的见解。

1806年，戴维在皇家研究院的讲演会上宣读了《有关电的若干化学作用》的报告，这篇报告在学术界引起了很大的震动。在报告中，戴维指出物质粒子的电作用才是化学结合的本质，这一观点后来成为电化学理论与立足于电作用的物质观的先驱。将电池两极插入到盐类溶液中，当通人的电力强于化合时的电引力时，就会发生电解现象。他还指出可以通过测量电动势来决定亲和势，这一说法后来被证实。

对于物质带电产生的原因，戴维支持伏特的接触说，即“不同的物质只要相互接触就产生带电现象”。将电池的金属两极用导线连接时，就能产生电流，但是他也是第一个认识到“接触理论”不足的化学家。戴维指出接触是产生电的前提条件，但持续电流的供应则是由于溶液中发生了化学变化，并通过与两金属极相连的导线来维持电动力。而同时代的化学家武拉斯顿（William Hyde Wellaston，1766-1828）提出了电化学说。他说：“由于化学变化才使物质之间发生带电现象”。接触说与化学说之间的争论延续了好多年。从现在的实验验证看来，接触说被认为是较为准确的解说。

在戴维的二元论接触学说的基础上，瑞典化学家贝采里乌斯（J.J.Berzelius，1779-1848），提出了电化二元论，2者有很多相同的地方，但贝采里乌斯的学说更加完善系统并对戴维的一些说法进行了改进和补充。

除了以上研究，戴维还就许多科学家在做电解水时电极的周围会出现酸和碱以及电解时得不到按理论比例产生的氢气和氧气这一现象，进行研究。他还提出将电解作为一种化学分析方法，并讨论了电解时溶液中物质的传输问题。

2.2不屈不饶——碱金属的发现

法国化学家拉瓦锡在其1789年出版的《化学概要》中，预言了苛性碱类在将来一定会被分解，他认为石灰土、白镁矿（氧化镁）、重土、矾土（氧化铝）、硅土（氧化硅）等土类，非常可能是金属氧化物。限于当时的条件，没有找到合适的方式来分解这些物质，这些推断一时无法得到证实，但却给戴维留下了深刻印象，在1806年的论文中他提出随着科学的发展，将来有望利用新的分解方法发现物质的真正元素。后来，戴维受到电解水研究的启发，决定采用电解法从盐溶液、固体化合物中提取金属单质。刚开始时，戴维选择将钾碱的饱和溶液进行电解，结果在两极上分别得到O2和H2，水被电解，而碱却没有变化。1807年10月6日，仔细分析原因后，戴维决定在无水的条件下进行电解，但干燥的钾碱却不导电，需在空气中曝露几分钟，吸收少量水和二氧化碳，使其表面具有导电能力，再放在白金盘上，将钾碱的上表面与电池组正极相连，白金盘与负极相连。通电后，可以看到钾碱开始融化且其上表面剧烈地产生气泡，并附有金属光泽的小珠出现，下面的白金盘与负极相连的地方没有气体产生。生成的小珠一经与空气接触，有的会立即燃烧并伴有爆鸣声和明亮的火焰。燃烧后，物质慢慢失去金属光泽，表面覆盖着白色薄膜。重复验证后，戴维确信自己发现了一种新的物质，高兴的戴维像孩子似的在房间里跳起舞来，并在笔记中写到：“重要的实验，证明钾碱的分解”。由于这种物质是从钾碱中提取的，戴维将其命名为钾（K）。之后，他又用同样的方法电解苏打（Na2CO3），得到另一种新的金属单质——钠单质。1807年11月19日，戴维发表了碱金属的报告，这次报告在科学界又引起了极大的反响。

但是用同样的方法对石灰、苦土（氧化镁）等电解却没成功，后来受到贝采里乌斯和蓬丁（M.M.Pontin，1781-1858）的启示，发现如果将这些物质与氧化汞按一定比例混合后再进行电解，就能分离出金属单质。利用这种方法，他制取了钙、镁、锶、钡。另外，他还制备了氨的汞齐，将其命名为铵。这些研究的成果发表在1808年其宣读的论文《土质分解的电化研究：由碱性土质制取的金属及从氨制得汞齐的观察》。利用碱金属置换法，戴维制取了非金属元素硼（B）。这些元素的发现，不仅为戴维赢得了更多的荣耀，更重要的是在科学界掀起了发现新元素的高潮，极大地推动了无机化学的发展。

2.3大胆质疑——氯气及卤族元素的研究

氯气最早是由瑞典化学家舍勒（C.W.Scheele，1742-1786）于1774年利用海酸（盐酸）与二氧化锰作用制得的，但由于受燃素说的约束，他把这种气体看做海酸减燃素（氢为燃素）。拉瓦锡则根据自己的“酸的氧元素假说”，认为所有的酸都含有氧元素，将氯气命名为氧化盐酸。法国化学家贝托雷（C.L.Berthollet，1748-1822）于1785年发现溶有氯气的水溶液曝露在空气中能分解成盐酸和氧气，他由此判断氯气是由盐酸和氧结合的不稳定化合物。贝托雷的实验似乎有力地论证了拉瓦锡的观点，但实际上他只看到问题的表面，忽视了氯气与水反应这一可能性。1809-1811年间，盖·吕萨克（Gay-Lussac，1778-1850）和泰纳（L.J.Thenard，1777-1857）用分解法研究盐酸的组成，通过实验，他们发现盐酸能分解成氯气和氢气，而不是像贝托雷所说的氯气会分解成盐酸和氧气。另外，他们又成功地用氢气和氯气合成盐酸。虽然他们的实验对盐酸的组成做了正确的鉴定，也没有实验现象表明氯气会分解生成氧气，但他们仍认为氯气是某种含有氧的化合物更合理一些，这看似是一种自我矛盾，究其根源，可以看出拉瓦锡的“氧是成酸元素”的论点已深深地印在广大化学家的脑子里。

这时，迫切地需要一位敢于冲破束缚，大胆质疑、批判的科学家来向人们揭示掩盖氯气的神秘面纱，历史性的机遇留给了戴维。

为了验证氯气中是否含有氧，戴维重复了盖·吕萨克的实验，证明了其关于盐酸组成探究的正确性。后来又分别用氯气与锡反应再与氨作用看是否能分离出氧化锡；但生成的暗白色固体加热后却完全挥发了，并有刺鼻的浓烟产生而不是生成氧化锡。用同样的方法，使氯气与磷作用也没能找到氯气含有氧的证明。最后，经过多次实验的反复验证以及依据拉瓦锡对单质的定义“通过当前实验用任何手段都不能分解的物质”，戴维大胆地断定氯气其实是一种单质，而不是含有氧的化合物，并根据其颜色将其命名为Chlorine（中译名氯气）。自1774年舍勒发现氯气，到1810年戴维确认氯气是一种单质，其间经历了36年。由此可见，人们对事物的认识是在不断批判中完善的。毫无疑问，尊重事实，不迷信权威让戴维打开了真理大门，而舍勒、盖·吕萨克等人由于受到“燃素说”和“酸的氧元素说”的束缚，与真理只差一步之遥，但他们在氯气的发现和研究中所起的作用、所付出的努力也是不容忽视的，因为任何科学研究都离不开前人的探索和经验的积累，正如牛顿所说：“如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。”

1813～1814年间，戴维开始研究碘和氟，发现它们是与氯类似的元素，但他始终无法分离出氟单质。直到1886年，才由法国化学家莫瓦桑（Henri Moissan，1852-1907）制备出来。氟、氯、碘这些卤族元素的研究以及明确了盐酸、碘化氢等是一类不含氧的酸性物质，使人们对酸的认识发生了改变，拉瓦锡的“酸的氧元素说”面临着重大挑战。1814年，盖·吕萨克提出了酸分为有氧酸和氢酸的二元论。同年，戴维提出了酸的含氢说，即“所有起酸作用的部分都可能是氢”的推论，他指出在酸中氧不是必需的，无氧酸中不含氧；但是酸中都含有氢，氢在酸中起重要作用。

2.4无私奉献——火焰的研究和安全矿灯的发明

18世纪，英国的煤炭工业蓬勃发展起来，但煤气遇火爆炸的事故层出不穷，许多矿工因此被夺取生命，降低事故的最好办法就是尽快发明适合煤矿使用的安全灯。1815年4月戴维应“煤矿灾害事故预防协会”的委托，开始与助手法拉第（Michael Faraday，1791-1867）着手研制安全灯。戴维首先分析传统矿灯的弊端，并实验了各种矿井气体的爆炸情况，发现找到解决问题的关键是找出合适的材料做灯罩。经过反复实验，戴维决定采用铜网做灯罩，原来铜网可以迅速吸收灯火产生的热量，这样既不会使火焰冒出来，又能降低火焰的温度，使其达不到可燃气体的着火点。另外为了防风和提高亮度，最终在灯的底端装上玻璃罩，而在火焰上部的高温部位装上铜网。安全灯的问世，不仅促进英国煤矿工业的发展，也在一定程度上推进英国资本主义的步伐。在安全灯研究成功之后，戴维没有为了自身的利益去申请专利，而是觉得这是尽自己的力量去为自己的同胞做了一件实事。在逝世后，又叮嘱后人将先前煤矿主们赠送的银皿改造成货币，设立戴维学术奖，用以表彰那些在化学上作出突出贡献的人们。第一次获得戴维学术奖的是发明光谱分析的本生（R.W.Bunsen，1811-1899）和基尔霍夫（G.R.Kirchhoff，1824-1887）2人。

从安全灯的研制过程，我们可以看到戴维首先是分析找出问题的本质原因，再根据相关原理，采用科学方法去解决问题。安全灯的研制经历了多次修改和检验，最终成功，正如戴维所说过他的那些最重要的发现是受到失败的启示而做出的。在任职于皇家研究院期间，戴维还参与其他应用科学方面的研究。例如：土壤分析（1813）、铂黑的催化（1821）、船体铜板的防腐蚀方法（1824）等，实现了其利用科学服务人类的愿望。

除了安全灯的的发明，戴维还对火焰进行了深入地研究，发现了电弧，研制出了弧光灯，开启了人类进入电照明的时代。

3.尽职尽责的伯乐——发现法拉第

法拉第是世界闻名的物理学家与化学家，关于法拉第与戴维的相识过程，有个感人的插曲：1813年3月，因病在家休养的戴维收到一本300多页的厚书并附有一封信。疑惑的戴维看完信后才知道这是一位叫法拉第的青年的自我推荐信，而那本精美的书则是法拉第手写记录的关于自己的演讲稿，从那漂亮的字体和精细的插图，戴维看到了一位热爱科学的贫穷青年的执著追求精神。遥想自己当年的奋斗艰辛，戴维亲自回信，并决定尽自己最大的力量去帮助法拉第。之后，戴维将法拉第安排在皇家学院实验室做助手，并带其游学欧洲，结识著名科学家，扩展其视野。在戴维的悉心指导下，法拉第的知识与技能都得到很大提高，为以后的科学研究打下了良好基础。有一种伟大的发现，是对别人的发现；有一种高尚的成功，是帮别人成功。也正因为如此，法拉第一生中都对戴维充满尊敬与感激。

戴维的著作主要有《化学哲学原理》（1812年版，第一部）、《农业化学要说》、《煤矿安全灯和对火焰的研究》等。除了科学研究，戴维最让人称道的是其独特的演讲风格。戴维讲学时思维严密、逻辑性强，但又不乏幽默，从而吸引了大批科学爱好者的膜拜。其实，这些都与其严谨的科学态度是分不开的。在每次讲课之前，戴维都会以助手为对象进行试讲，并细心揣摩每句话每个词的表达方式是否恰当，是否能让大多数人接受。同时，反复地演练实验操作，确保万无一失。戴维的演讲，不仅是一次科学盛宴，也是一种感官上的享受。

纵观戴维的一生，从不羁少年到著名科学家，戴维靠的是不懈的努力与奋斗以及对科学研究的热爱与痴迷。历史，将永远铭记这位敢于质疑、批判、创新的化学奇才。