趣話化學史——有機化學的誕生(一)

2021-01-09 孤獨學者
化學的分支——有機化學

上期我們說到,大化學家貝採裡烏斯首次提到了催化劑的概念,並且公布於《物理學與化學年鑑》雜誌上。事實上,貝採裡烏斯首次提出的概念不只是催化劑,他還提出了「有機化學」的概念。

首次提出「有機化學」概念的貝採裡烏斯

1777年,自從著名的法國化學家拉瓦錫以定量分析的手段闡明氧化汞、氧氣和汞之間的反應前後質量沒有變化,氧氣是生成氧化汞的原料並且推翻了「燃素說」以後,定量分析的方法成為了化學的主要的研究方向。在此後的六四十年間裡,化學家們分別從不同的角度證實了「氧化說」的正確性。定量分析,不僅在礦物的分析中,也在諸如樹枝、動植物油脂等方面的分析也大顯身手。而在分析時,貝採裡烏斯發現,絕對多數的碳元素幾乎都是從與生命相關的物質中發現,天然存在的無生命的碳也就只有焦炭、煤炭(事實上,煤炭屬於化石能源,是幾百幾千萬年以前的生物沉積並緩慢地生成的產物,也屬於有機物)、二氧化碳、碳酸鹽那麼幾種。於是,就在1806年,貝採裡烏斯就宣稱,這些碳氫化合物都是有機體(生命體)特有的產物,並且把化學的研究方向直指生命體。貝採裡烏斯也許沒想到的是,他如此的概念一經提出,就不斷被後世深入地研究,最終形成了化學的一個龐大分支——有機化學。

然而,貝採裡烏斯提出「有機化學」概念的時候,他犯了一個錯誤,那就是他認為,有機物是生命體特有的物質,是區別於無生命的「無機物」的。而貝採裡烏斯當初如此的提法,主要是受到當時的科學哲學理論「活力論」的影響。不得不指出的是,「活力論」是當時社會上最流行的理論,它的主要觀點是,生命是有靈魂的,而這種靈魂是區別於無機體的。貝採裡烏斯通過分析大量的有機物以後,發現不論是有機物的原子量(當時沒有分子的概念)還是這種化合物的組成,和無機物相比,結構複雜,具有更深的奧秘。所以基於「活力論」的觀點和貝採裡烏斯本人的分析結果,他就把有機化學的概念如此的定義並公布了出來。他這樣的公布,自然受到當時社會的公認,大家一直認為,這些有機物就是生命體的專利,人在實驗室裡是不可能創造出有機物的。

否定了貝採裡烏斯「有機論」的維勒

然而,命運似乎非常喜歡開玩笑,就在貝採裡烏斯提出「有機化學」理論的二十年後,他的理論被他的弟子給輕描淡寫地否定了。這個極為「忤逆」的弟子,就是德國化學家弗裡德裡希·維勒。

維勒是德國人,他出生於1800年,就是在伏特發明了伏打電堆的那一年。維勒的父親是法蘭克福當地的一名著名的醫生,因此維勒的出身也算是書香門第。維勒從小就非常調皮,特別喜歡化學,以至於他讀大學的時候也是學的化學。1823年,在他大學畢業以後,由於成績優秀,被導師推薦到貝採裡烏斯的斯德哥爾摩實驗室裡工作,也就是在這一年,他和著名的大化學家貝採裡烏斯結了緣。維勒在貝採裡烏斯實驗室工作時間不長,只有一年,到了1825年他就回到德國,到大學裡當化學老師去了。

維勒期望的氰酸銨晶體
維勒第一次反應得到的草酸
維勒第二次反應得到的尿素

那麼就在維勒在貝採裡烏斯的實驗室裡工作的時候,他的主要方向是研究氰酸銨的製備。儘管當時有氰酸銨的製備方法,但維勒希望能夠用快捷方式製備出來,因此他選擇的是拿氰酸和氨氣直接反應。但是,結果讓他非常失望,他沒有得到氰酸銨,得到的那個物質經過鑑定居然是草酸(乙二酸)。維勒就改變反應條件,不斷調整氨氣和氰酸的比例以及反應溫度等,結果還是一樣,得到的產物都是那個草酸,沒有氰酸銨!看來直接化合的路走不通,那麼就試試在溶液中反應的結果吧?結果他倒是得到了一種白色晶體物質,但是這種白色晶體物質,維勒確信肯定不是氰酸銨,因為氰酸銨和強鹼反應是會放出刺鼻性氣味的氨氣,跟強酸反應會釋放出氰酸的,這個晶體不會。到底是什麼呢?很快,一年的時間過去,維勒回到德國,在一個大學裡任教。在工作期間,維勒始終對當時他在貝採裡烏斯實驗室所做的工作,那個總也反應不成的氰酸銨耿耿於懷,更讓他抓心撓肺的,就是那個當時他反應得到的晶體,到底是什麼?

四年之後,1828年,他利用了更加先進的分析方法,最後發現,他之前在斯德哥爾摩得到的晶體是尿素。而且,維勒還發現,如果拿一些銨鹽或者氨水與氰酸鹽反應,最後都變成了尿素!這個結果很意外,但也是個爆炸性的發現。維勒就把這個結果發表在了1828年的《物理學和化學年鑑》雜誌上,題目就叫《論尿素的人工合成》。

讓維勒沒想到的是,他的這篇論文馬上在科學界掀起了軒然大波,引起了最廣大科學家的關注!因為氰酸、氨水都是無機物,人們可以通過人工合成得到,但尿素可是有機物,從來沒聽說能在實驗室裡造出來的呀?如此,恐怕就要推翻「有機化學」的理論了,也就是說,有機物也能被無機物合成出來,這是明顯動搖了「活力論」的。那麼,自然也有反對的聲音,其中最強烈的就是貝採裡烏斯。貝採裡烏斯就反問一句:「你能在實驗室裡合成出一個嬰兒嗎?」

我們不知道貝採裡烏斯是否真正的放棄了「活力論」這一哲學觀點,但他很快就接受了尿素可以用無機物合成的這一事實。並且,貝採裡烏斯從維勒的論文中受到啟發,因為氰酸銨和尿素的化學式(分子式也是一樣)是完全相同的,因此,貝採裡烏斯突然想到,雷酸銀和氰酸銀的化學式也是相同的。於是,貝採裡烏斯就提出了一個新概念——同分異構現象。

在有機化學中,同分異構現象非常普遍,因此,貝採裡烏斯儘管有自己的錯誤理念,但不可置否的是,他是一個對真理極為追求的人。

儘管有機和無機的界限就這樣被打破了,但「有機化學」的概念自提出以來,就一直在發展,直到今天,人們在化學上的成就,絕大多數都是建立在有機化學之上的。

通過上述事實,我們基本可以發現,化學的研究,尤其是有機化學的研究,當我們想要設計一條路線去反應得到我們想要的物質的時候,有可能會失敗,得不到我們想要的產物,但卻會經常意外地得到其它物質。遇到這種情況,筆者想要告訴廣大從事化學研究的人們一句話,請不要懊惱!因為這種情況下,至少我們可以得到兩個結論:第一,我們之前的設計行不通(這也是一種發現);第二,在這種反應體系下很容易獲得另外一種物質,那麼這種物質可以用在哪些領域呢?這是我們需要查找文獻,並且說明,並且要做進一步驗證的,如果運氣好,我們完全可以從這條失敗的反應途徑中發現一個驚天的秘密!維勒的事跡就是一個極好的證明!

關於有機化學,還有一位化學之父,也做出了非凡的貢獻。他就是著名的化學家李比希。那麼李比希又做出了什麼貢獻呢?敬請大家關注,筆者下期繼續推出趣話化學史——有機化學的誕生。

相關焦點

  • 趣話化學史——有機化學的誕生(二)——有機化學教育家李比希
    有機化學之父李比希事實上,十八十九世紀可以說是化學家們的世紀,在這兩百多年裡,歐洲大陸,從不列顛群島延續到北歐各國,一直到地中海的義大利,就在西方文藝復興、資產階級革命和工業革命的浪潮中,誕生了無數的化學家,他們在學術理論
  • 趣話化學史——有機化學的成長——做夢夢見的苯結構?!
    有機物苯的結構上一期我們說到,化學家李比希不經意間闖進了有機化學這一原始森林,他和他的夥伴維勒一起,從研究的杏仁油當中得到一系列的安息香醛類化合物,同時又結合了法國化學家杜馬提出的「取代說」,發展了他們的有機「基」的學說,並且也對有機化學做出了巨大貢獻。
  • 趣話化學史——元素(六)——數字的秘密
    發現最多元素的戴維在研究中他發現,有的時候,這些元素的原子量差異很大,但化學性質接近;有的時候,他發現元素的原子量很接近,但化學性質差異非常大。於是,就在已經發現的62種元素中,他不斷地尋找這些元素化學性質和原子量之間的關係。即使在今天,我們初中、高中化學的學習中,我們基本上了解較深的是主族元素,但副族元素,甚至到大學都不一定涉及。因為金屬元素的性質比主族元素更加複雜,其規律更加難以把握。
  • 趣話化學史——有機化學的發展(二)——邪惡的同分異構體
    但是他在有機化學上的貢獻是非常大的。他繼承了李比希、維勒等人的「基」的學說,接受了阿伏伽德羅「分子」的概念,系統地研究了碳鏈結構,並提出了有機化合物的結構,結束了醋酸被寫成19種結構的混亂局面,也能較好地把貝採裡烏斯的「同分異構」現象用結構式區分出來。至此,有機化學的發展似乎有了一些明朗清晰的前途。然而,事情遠遠沒有那麼簡單。
  • 趣話化學史——化學家的誕生——波義耳和他的《懷疑派化學家》
    化學家波義耳第一期《趣話化學史》我們說到,在沒有「化學」這一概念以前,不論是中國還是世界,不論是古希臘的蘇格拉底、然而這些奇形怪誕的理論,都在公元1661年這一年終止,因為這一年,隨著一個名叫波義耳的《懷疑派化學家》一書的出版,標誌著化學這一科學學科的誕生,同時也意味著古老的鍊金術即將退出歷史舞臺。那麼,《懷疑派化學家》這一本書究竟說了什麼?波義耳又是什麼人呢?筆者本期將帶著大家了解一下這一位偉大的化學之父波義耳。1627年,波義耳出生在愛爾蘭。
  • 趣話化學史——元素——(一)從鍊金術的鬼畫符到拉瓦錫的元素表
    他在普利斯特的基礎上,發現了氧氣大約佔空氣的五分之一,並且依舊是用鐘罩實驗,確定了足量的白磷燃燒時也能消耗掉五分之一的空氣,這一點無疑是對他氧化說的一次補充。那麼,空氣中的氧氣大概多重呢?拉瓦錫發現,1單位重量的白磷燃燒大概能得到2.7個單位重量的菸灰(也就是五氧化二磷)。至此,拉瓦錫把化學從定性、感性上的認識提升至定量、理性上的分析,這就是拉瓦錫的最大貢獻。然而,元素到底有多少種?
  • 趣話化學史——五彩斑斕的顏料世界(二)——黃色
    人工合成的鈦黃後來,到了十八十九世紀,化學工業開始發展的時候,人們發現一些鉛、鉻等金屬鹽也能顯出黃色,因此也被開發了出來。敬請大家關注,筆者下期繼續推出趣話化學史——五彩斑斕的顏料世界(三)——藍色。
  • 趣話化學史——火焰到底是個什麼鬼(上)
    波義耳最後沒有辦法,他只好說,在金屬煅燒的時候,從燃料中的火微粒透過玻璃瓶鑽到金屬裡,最後就形成了比金屬本身還重的金屬氧化物(當時還不知道氧化物這一概念,姑且叫成金屬灰)。如果按照今天的觀點,物質在燃燒之前含有化學能,燃燒的時候就會釋放熱量,包括金屬氧化、呼吸作用在內,都是一種能量轉換,那麼「燃素」怎麼就不可以作為一種化學能被接受呢?我們需要明白的就是,化學是一門科學,而科學的本質就是追求真理。而真理就是客觀在人主觀印象中的真實的反映。那麼既然化學家們說有這種「燃素」,並且它是一種物質,那麼燃素到底長什麼樣?燃素的質量是多少?
  • 趣話化學史——四大發明(四)——魔力無限的磁石
    上一期我們說到的是四大發明中的活字印刷術,這裡與化學所聯繫的是材料的選取與實驗。人類對自然的認識,也正是從接觸、觀察、利用這些自然材料開始的。然而,觀察的效果因人而異,人類認識事物也總是從粗淺到深入的變化的。
  • 趣話化學史——元素(五)——元素發現中的大爆炸
    上幾期我們說到,波義耳的《懷疑派化學家》一書的出版標誌著化學這一學科的誕生。就在歐洲的文藝復興、資產階級革命和第一次工業革命的浪潮中,一個又一個的發現不斷地展現在世人面前,一個又一個的新理論不斷地形成並應用於新的研究中。同時,元素的發現也進入了前所未有的大爆炸時期。從十八世紀初到十九世紀末,人類發現了幾乎現在元素周期表中所有的元素。
  • 趣話化學——第一個被人掌握的自然力——火
    喪身火海的動物可是,大火總有熄滅的時候,在火完全熄滅之後,一小部分勇敢的原始人,帶著勇氣和好奇心重新回到事發現場嘗一嘗吧,感覺比之前生吃要順滑很多。手上站著的動物油脂,不斷散發出肉香,確定比以前所吃的生肉要美味很多。於是非常興奮,把這個消息傳給膽小一些的夥伴,大家都來吃這些被火燒過的肉,大家都很滿意,因為被火燒過之後的肉又香又好嚼,比吃生肉要好很多。
  • 趣話化學史——火焰到底是個什麼鬼(下)
    差不多又過了21年,到了1777年的時候,法國科學家拉瓦錫提出了「氧化說」,才徹底的動搖了「燃素說」,最終人們才認識到燃燒,火焰究竟是怎麼一回事。首先一個就是,在密閉真空的器皿裡,煅燒金屬是不會增重的,這一點和羅蒙諾索夫的發現完全一致,但一打開蓋子,很快,金屬就會增重。第二個就是,這個火焰不是一加熱就能產生的。比如,依然是在密閉的空間裡,加熱木材,最後能得到油質狀物質和木炭,繼續加熱,就會使油狀物質和木炭燃燒起來(筆者認為有這個可能,但不可能是完全燃燒),但不多久就會滅了,留下一堆燒不盡的黏糊液體和固體木炭,在開放的空氣中還能繼續燒!
  • 趣話化學史——四大發明(三)——材料與活字
    然而,一部優秀的著作要廣泛傳播,光靠徒手抄寫那是相當費時費力,因此必須要有印刷技術才能解決這一困境。長年的工作讓他不斷接觸到各種雕刻任務,有的印刷版字數特別多,有的特別少,有的只用一兩次就廢棄了,而有的需要長年大量使用。儘管本人手藝精湛,但一起工作的同事難免有新手,遇到刻壞木版的事情也是常有的事情。有一天,一個新來的夥計不慎刻錯了一個字,但整個木版已經雕刻了幾個星期,眼瞅著就要白費功夫,這可怎麼辦呢?
  • BBC 紀錄片 ---- 化學史
    你了解化學嗎?
  • 從人類對化學相關定量研究的化學史中挖掘教學資源
    《義務教育化學課程標準(2011年版)》把化學史作為「可供選擇的學習情境素材」,化學史資料蘊含著豐富的知識和智慧,蘊藏著科學家在研究過程中使用的科學思維和科學方法。真實地再現已有理論的發現或成果的研發過程,可以考查學生在真實的研究背景下的科學思維能力,可以激發學生學習化學的興趣。
  • 化學史上的今天 | 2月8日——自由基化學的奠基人摩西·岡伯格
    岡伯格是自由基化學的奠基人,他於1900年發現第一個自由基。在嘗試製備更為立體擁擠的六苯乙烷的過程中,岡伯格發現了三苯甲基自由基,成為人類首次發現可以穩定存在的自由基,因為這樣他被認為是自由基化學的奠基人。從德國回國後,岡伯格繼續在密西根大學任教,1927年他升任化學系主任,直至1936年退休。1931年,岡伯格曾擔任美國化學學會主席。岡伯格成年後一直和他的妹妹索菲婭在安阿伯市居住,兩兄妹未曾結婚。
  • 趣話化學史——五彩斑斕的顏料世界(三)——藍色
    然而,水合硫酸銅化學穩定性極差,遇到鐵、石灰等物質則會發生變色、沉澱等反應,而且加熱後就會變成白色,因此十分不適合作為顏料使用。每當藍草長出新葉,人們把這些葉子摘取並收集,每天澆水,讓這些葉子腐爛發酵,再用臼反覆捶搗,最後形成實在的一坨,然後再拌上草木灰、石灰和麩皮,加水調勻,再稍微加熱到三四十度左右,暴露在空氣中,就能結出不溶於水的靛藍。
  • 有機化學的誕生:在混亂的分子原子中發現未知
    有機化學與無機化學在自然界中並不是一開始就區分得這麼徹底,在有機化學還會誕生之前,人們對於新發現的化合物採用的是與無機化合物歸為一類並不做特別區分,後來之所以有有機化學與無機化學的區分,更多的是為了實驗研究的需要,說到底有機化學與無機化學都是屬於化學這一大家庭之中。
  • BBC紀錄片《化學史》 三集全(視頻)
    我們生活的世界是一個由元素和物質組成的世界,總的來說,就是化學的世界。從衣食住行,到我們用於改造世界的力量,這一切都蘊含著化學知識。那麼,你了解化學嗎?有人說,化學是一門異想天開的科學;也有人說,化學是一門創造與顛覆的科學。
  • BBC紀錄片《化學史》,看看歷史上化學家們的腦洞有多大?
    那麼,你了解化學嗎?有人說,化學是一門異想天開的科學;也有人說,化學是一門創造與顛覆的科學。其實,一切元素早已存在於宇宙中,發現它們並加以運用則是化學家們刻苦鑽研再加上奇思妙想的結果。化學的歷史,是那麼有趣,那麼迷人。從煉丹師、鍊金術師變成現代化學家,你知道這其中的故事嗎?你知道曾經人們認為存在的這種元素——燃素嗎?這都可以在BBC紀錄片《化學史》中找到答案。讓我們來了解一下這部有趣的紀錄片吧!!