來源 | 自然雜誌/科普中國 編輯 | 化學加
人類的化學知識 , 可以追溯到幾千年前的古代。到了十七世紀初 , 人們在生產和生活的各個領域 , 特別是在金屬冶煉 、藥物製造兩大部門中 , 積累了相當豐富的化學知識。不過當時的化學知識還相當零亂，需要收集整理。化學理論也非常空虛，化學家盲目地信奉著以亞里斯多德為代表的逍遙派哲學家的 「 四元素 」 學說， 以及醫藥化學家的 「 三元素 」 學說。著名的英國學者羅伯特 · 波義耳 第一個在這荊棘載途的土地上開出一條路來，指引化學沿著正確的道路前進 , 從而把化學確立為科學。歷史上的今天，1627 年1月25日，羅伯特 · 波義耳於生於愛爾蘭利斯莫爾城。這篇文章就為大家介紹一下波義耳和化學之間那些事。
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波義耳肖像圖
波義耳生活在英國資產階級革命時期，也是近代科學開始出現的時代，這是一個巨人輩出的時代。波義耳在1627年1月25日生於愛爾蘭的利茲莫城。就在他誕生的前一年，提出「知識就是力量」著名論斷的近代科學思想家弗朗西斯·培根剛去世。偉大的物理學家牛頓比波義耳小16歲。近代科學偉人，義大利的伽利略、德國的克卜勒、法國的笛卡爾都生活在這一時期。
波義耳出生在一個貴族家庭，家境優裕為他的學習和日後的科學研究提供了較好的物質條件。童年時，他並不顯得特別聰明，他很安靜，說話還有點口吃。沒有哪樣遊戲能使他入迷，但是比起他的兄長們，他卻是最好學的，酷愛讀書，常常書不離手。8歲時，父親將他送到倫敦郊區的伊頓公學，在這所專為貴族子弟辦的寄宿學校裡，他學習了3年。隨後他和哥哥法蘭克一起在家庭教師陪同下來到當時歐洲的教育中心之一的日內瓦過了2年。在這裡他學習了法語、實用數學和藝術等課程，更重要的是，瑞士是宗教改革運動中出現的新教的根據地，反映資產階級思想的新教教義薰陶了他。此後波義耳在實際行動中雖然未參與任何一派，但是他在思想上一直是傾向於革命的。
波義耳在家裡是14個兄弟姐妹中最小的一個：在他三歲時，母親不幸去世。也許是缺乏母親照料的緣故，他從小體弱多病。有一次患病時，由於醫生開錯了藥而差點喪生，幸虧他的胃不吸收將藥吐了出來，才未致命。經過這次遭遇，他怕醫生甚於怕病，有了病也不願找醫生。並且開始自修醫學，到處尋找藥方、偏方為自己治病。哈特利伯的鼓勵使他下決心研究醫學。當時的醫生都是自己配製藥物，所以研究醫學也必須研製藥物和做實驗，這就使波義耳對化學實驗發生了濃厚的興趣。
在研究醫學的過程中，他翻閱了醫藥化學家的許多著作，他很崇拜比他大50歲的比利時醫藥化學家海爾蒙特。海爾蒙特不論白天黑夜，完全投入化學實驗，自稱為「火術的哲學家」。這就成為波義耳學習的榜樣。波義耳為自己創造了一個實驗室，整日渾身沾滿了煤灰和煙，完全沉浸於實驗之中。波義耳就是這樣開始了自己獻身於科學的生活，直到1691年底逝世。
他發明了酸鹼指示劑
波義耳的口頭禪是：「要想做好實驗，就要敏於觀察。」而他就是如此踐行的。
相信讀過初中化學的人們對石蕊試紙一定不陌生，這種試紙有紅色和藍色，鹼性溶液使紅色試紙變藍，酸性溶液使藍色試紙變紅。有了石蕊試紙，就可以知道一瓶溶液的酸鹼性。聰明的讀者已經猜到了，石蕊試紙就是由波義耳所發明。
波義耳是一個熱愛生活和藝術的翩翩紳士，他喜歡在實驗室裡擺放一株自己最愛的紫羅蘭花，欣賞花的芬芳以中和實驗的緊張。在一次實驗中，波義耳不慎將濃鹽酸濺到花瓣上面，花瓣上立刻逸散出絲縷白煙，波義耳刻不容緩把花拿到水龍頭處衝洗一番，然後插回花瓶。這時波義耳突然發現一個奇怪的現象，原本深紫色的紫羅蘭竟然變成了紅色。細心的波義耳將這一現象記錄在案，後續進行了許多花木與酸鹼相互作用的實驗。通過大量的實驗，波義耳發現大部分花草受酸或鹼作用都能改變顏色，其中從石蕊地衣中提取的紫色浸液最為明顯，它遇酸變紅，遇鹼變藍。波義耳用石蕊浸液把紙浸透，然後烤乾，這就是世界上第一張石蕊試紙。
他對化學元素下了清楚的定義
研究化學歸根結底是研究不同元素之間的反應，在波義耳之前，關於元素的說法最廣為人接受的有兩個，第一個是古希臘哲學家柏拉圖的「四元素說」，他認為萬物都可以用以下這四種元素來表示，即：火、土、水、氣。這一說法廣為流傳，一度被認為是雷打不動的真理。第二個是由醫藥化學家學家們所提出的「三要素說」，醫藥化學家是一個在今天看來很奇怪的稱呼，但在當時卻非常流行。因為當時的醫生都是自己配製藥物，所以研究醫學也必須研製藥物和做實驗。值得一提的是，波義耳一開始就是通過醫藥研究實驗熱愛上化學。他們根據自己實驗的提取物，認為世界是由硫、汞、鹽三要素組成。
三要素也好，四要素也罷，波義耳都沒有輕信。一個好的科學家的必備是具有懷疑一切真理的能力，包括上帝。波義耳通過一系列實驗將這兩個說法相繼推翻。
海爾蒙特認為，元素之所以稱為元素，是因為它們不能轉變成別的東西，而且也不能把它們還原為更簡單的狀態。波義耳借鑑前者的觀點，為化學元素下了一個清楚的定義：「我說的元素的意思和那些講得最明白的化學家說他們的要素的意思相同，是指某種原始的、簡單的、一點也沒有摻雜的物體。元素不能用任何其他物體造成，也不能彼此相互造成。元素是直接合成所謂完全混合物的成份，也是完全混合物最終分解成的要素。」
這樣一來，元素就不是簡單的三個或者四個，而是有無數個。
他是第一位真正的臨床分析化學家
如果你以為波義耳只會做一些實驗，那就太小瞧他了，他不僅能夠熟練地操作實驗室裡的器材，完成各種微妙而複雜的化學實驗，他同時對人體也有著開創先河的研究。
1684年，波義耳出版了一部名為《人血的自然史略》的醫學著作，在這本書裡，他總結了自己在血液分析方面的實驗成果。這是有史以來，人類第一次將化學分析方法用於臨床醫學。通過實驗，波義耳證明了血液中含有氯化鈉，並將之稱為固定鹽。血液蒸餾後的磚紅色殘渣也引起了他的注意，由此推斷血液中含有鐵。他是最早發現血液中存在氯化鈉和鐵的科學家。僅僅這一點，就足以讓他青史留名。但波義耳從來沒有停止在自己的研究成果之上，他總是不斷地開創、開創、開創，重要的事情要說三遍。
研究完血液之後，波義耳對人體內另外一種液體發生了興趣——他通過對尿液的化學分析，獨立製取了磷元素，並對磷的物理性質和化學性質都進行了研究。
波義耳發現了血液中含有氯化鈉和鐵
他是第一個引入並使用「化學分析」一詞的人
波義耳不但會做實驗，他還很會著書立說。波義耳一生出版了許多化學方面的書籍，每一本都是對化學發展一個巨大的推動力。
在波義耳的眾多著作中，最引人注目的是那本使他聲名大噪的《懷疑派化學家》。他在這本書中提出最重要的一個觀點就是為化學正名。一直以來，化學都是藥劑學家和鍊金術師們所使用的一種工具而已。波義耳稱化學「絕不是醫學或藥學的婢女，也不應甘當工藝和冶金的奴僕，化學本身作為自然科學中的一個獨立部分，是探索宇宙奧秘的一個方面。」由於這本書影響之大，後來人們常常拿伽利略的著作《關於兩門新科學的對話》來進行對比。如果把伽利略的《對話》作為經典物理學的開始，那麼波義耳的《懷疑派化學家》可以作為近代化學的開始。波義耳一直非常崇拜伽利略，《懷疑派化學家》的寫作風格就是模仿了《對話》一書。這本書出版於1661年，被認為是近代化學誕生的元年。
1663年波義耳出版了《實驗自然哲學的用途》，這本書對物質的本質進行了研究；1666年波義耳出版《物質形態與性質的起源》，書中闡述了「分解」和「分析」的術語。波義耳還陸續出版了《顏色的實驗與觀察》、《礦泉水的實驗研究簡史》、《論寶石》、《靜流醫學》、《神學大全》、《化學悖論》、《物理學的觀察與實驗》等等。後者是他發表的最後一部著作。
翻譯原因，有版本將《懷疑派化學家》譯為《懷疑的化學家》
波義耳定律——人類歷史上第一個被發現的「定律」在排氣泵容器中氣壓計水銀柱下降；在真空中虹吸作用失效；壓力降低時沸點降低在抽成真空的容器中動物（蜜蜂、鼠、鱔魚等）不能維持生命，鐘錶不能傳出嘀嗒聲等等。這些在今天看來是非常普遍的常識，但在17世紀時卻很新鮮。這些都被羅伯特•波義耳實驗所證明。
波義耳生活在英國資產階級革命時期，也是近代科學開始出現的時代，這是一個巨人輩出的時代。而在他科學生涯的早期，氣體物理學是科學界頗為熱門的研究方向。
氣體實驗儀器
當時法國科學家根據實驗得出「空氣沒有彈性」的結論，波義耳宣稱法國科學家的實驗不能說明任何問題。他指出，活塞之所以不能全部彈回來，是因為他們使用的活塞太緊。有人反駁道，如果活塞稍松，四周就會漏氣，影響實驗。羅伯特·波義耳許諾要製造一個鬆緊適中的絕好活塞，證明上述實驗是錯誤的。
1659年，他了解到蓋利克的神奇的抽氣泵之後，決心設計出更好的抽氣機。他與年輕的助手胡克製造出了精密的抽氣機。這個裝置的精妙之處便在於它能夠使觀察者看到玻璃試管內部的情況，並允許人們引導甚至控制實驗的發展。空氣泵現在看起來似乎貌不驚人，但在當時造價卻極其昂貴，全世界也不過只有4臺。
波義耳定律
因為波義耳的泵大部分是按照他自己的想法所設計，並由羅伯特•虎克負責建造，整臺機器非常複雜。儘管有不足，他用這種抽氣機做了一系列關於空氣壓力和稀薄空氣中的現象的實驗，並於1660年出版了《關於空氣彈性及其效應的物理、力學新實驗》一書。在書中，詳細闡述了他所進行43個實驗，說明了空氣在不同現象中的效果，試驗了抽空空氣時的氧化、磁場、聲音及氣壓特性，檢驗了在不同物質上增加氣壓的效果。
在這本書中，波義耳提出了對氣體「彈性」的兩種可能解釋。一種認為把氣體微粒看成是許多細小彈性遊絲；另一種認為微粒在熱的擾動下不斷作旋渦運動，由這種運動引起彈性。但書出版後卻得到荷蘭的以研究科學為名的教會神父利努斯的攻擊。
利努斯不相信關於存在真空的說法，他認為空氣的重量和彈性不能夠大到足以承受託裡拆利管中的29英寸水銀柱的重量，並與之均衡。他說氣壓表中的水銀柱是由某種特殊的無形的線懸掛住的，這無形的線就在管子的上端。他甚至要求在將玻璃管理上端封口時用手摸一摸，企圖找出這根無形的線。
為了反駁這一無端的批評，波義耳發表了《關於空氣的彈力和重量學說的答辯》，並決定重新做實驗。從這個意義上來說，還得感謝這位利努斯神父，如果沒有這一荒謬的批評，波義耳也許永遠不會發現以他的名字命名的定律。
波義耳把一根長玻璃管彎成二臂和短不等的U形管（虹吸管），把短的一臂上端封住，附上標尺，然後把水銀一點一點灌入管內，使水銀在玻璃管兩邊相等，記下刻度。再灌進水銀肝至封閉的一邊的空氣食糖壓縮到原來的一半，波義耳發現此時管子長臂中的水銀比另一臂高出29英寸。這說明「當空氣的密度嗇到約為原來的兩倍時，它的彈性也增加兩倍」。
但這根玻璃管偶然被打碎了，波義耳又重新作了一根更長的管子，約有8英尺高。由於在室內用太長了，因此只能在二層樓的樓梯裡用繩子吊起來作實驗。他使密封空氣的壓力在1-英寸到117-英寸高銀柱之間變化，從一個極端到另一個極端做了40多次實驗，每一次都把觀察值與按設想「溫度一定時，壓力與膨脹成反比的假設」應得的值作比較，發現兩者非常相符合，從而得到了歷史上除運動現象之外的又一個度量的自然規律。
1666年，波義耳發表了《流體靜力學佯謬》一文，有力地駁斥了那種輕的流體不能對重的流體施加壓力的傳統偏見，得出了氣體的體積與壓強成反比的關係，這正就是波義耳氣體定律的最初發表形式，它為分子運動論的發展開闢了道路。
藉助空氣泵實驗，波義耳提出了人類歷史上第一個被發現的「定律」——「波義耳定律」。當他向堵住的空氣施加雙倍的壓力時，空氣的體積就會減半；施加3倍的壓力時，體積就會變成原來的1/3。
波義耳據此實驗結果在1662年提出：「在密閉容器中的定量氣體，在恆溫下，氣體的壓力和體積成反比關係。」這是第一個描述氣體運動的定律，為氣體的量化研究和化學分析奠定了基礎。這個定律的偉大不是在怎麼計算、怎麼運用，這個定律的永垂不朽，是因為：這是人類歷史上第一個被發現的『定律』，證明宇宙裡是有不改變的律。
一個世紀以後，法國人查理和蓋一呂薩克建立了更全面的定量規律。
實驗表明，一定質量的某種氣體，在溫度不變的情況下，壓強與體積成反比。
這個結論是英國科學家波義耳（1627-1691）和法國科學家馬略特（1620-1684）各自通過實驗發現的，叫做波義耳定律。這些實驗都在他出版的《新機械物理實驗——感受空氣的活力及其效用（由新氣壓泵所完成的大部分實驗）》一書中作了詳細的描述。
[1] 劉勁生. 羅伯特·波義耳——把化學確立為科學的人[J]. 自然雜誌, 1983(8):65-68.
[2] 化學之父波義耳 http://www.xinhuanet.com/science/2015-10/28/c_134757980.htm[3]波義耳定律——人類歷史上第一個被發現的「定律」 http://www.xinhuanet.com/science/2015-12/04/c_134884079.htm更多精彩，關注本號後，後臺回復相應代碼查看
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