發(fā)現(xiàn)氫氣的偉大學(xué)者卡文迪許

1、發(fā)現(xiàn)氫氣的偉大學(xué)者文迪許第 8 頁(yè)HenryCavendish1731 一 1810歷史上許多著名的科學(xué)家都有自己的鮮明形象。在他們當(dāng)中， 英國(guó)化學(xué)家卡文迪許的形象也許有點(diǎn)奇特，但是他那獻(xiàn)身科 學(xué)的一生給后人留下的印象卻是完美而深刻的。古怪的性格17 一 18 世紀(jì)，在歐洲的科學(xué)家中，出身于中產(chǎn)階級(jí)的為數(shù) 不少。當(dāng)時(shí)沒有專門的科研機(jī)構(gòu)，科學(xué)家很多是業(yè)余的。他們根據(jù)自己的愛好作一些科學(xué)研究，器材、藥品都得花自 己的錢。這就要求科學(xué)家不僅具備有一定的經(jīng)濟(jì)條件，更需 要一顆奉獻(xiàn)給科學(xué)的心?？ㄎ牡显S恰好具備了這一切。許多 人都說，卡文迪許是 18 世紀(jì)英國(guó)有學(xué)問人中最富者，有錢 人中最有學(xué)問者。這樣說

2、的確毫不夸張。1731 年 10 月 10 日，卡文迪許出生在英國(guó)一個(gè)貴族家庭。 父親是德文郡公爵二世的第五個(gè)兒子，母親是肯特郡公爵的第四個(gè)女兒。早年卡文迪許從叔伯那里承接了大宗遺贈(zèng)，1783年他父親逝世，又給他留下大筆遺產(chǎn)。這樣他的資產(chǎn)超過了130 萬(wàn)英鎊，成為英國(guó)的巨富之一。盡管家資萬(wàn)貫，他的生活卻非常儉。他身上穿的，永遠(yuǎn)是幾套過時(shí)陳舊的紳士服。他吃的也很簡(jiǎn)單，就是在家待客， 照樣是羊腿一只。這些錢該怎么用， 卡文迪許從不考慮， 有一次，經(jīng)朋友介紹，老翁前來(lái)幫助他整理圖書。此老翁窮困可憐，朋友本希望文迫許給他較厚的酬金。哪知工作完后，酬金一事卡文迪 許一字未提。 事后那朋友告訴卡文迪許，

3、這老翁已窮極潦到，請(qǐng)他幫助?？ㄎ牡显S驚奇地問：“我能幫助他什么？”朋友說：“給他一點(diǎn)生活費(fèi)用?！笨ㄎ牡显S急忙從口袋掏出支票，邊寫邊問：“2 萬(wàn)鎊夠嗎？朋友吃驚地叫起來(lái)：“大多，大多了！”可是支票已寫好由此可見，錢的概念在卡文迪許的頭腦中是很淡薄的。在當(dāng)時(shí)，貴族的社交生活花天酒地?？ㄎ牡显S卻從不涉足。他只參加一種聚會(huì)，那就是皇家學(xué)會(huì)的科學(xué)家聚會(huì)。目的很 明確：為了增進(jìn)知識(shí)，了解科學(xué)動(dòng)態(tài)。當(dāng)時(shí)的目擊者是這樣 描述的，卡文迪許來(lái)參加聚會(huì)，總是低著頭，屈著身，雙手 搭在背后，、悄悄地進(jìn)入室內(nèi)。然后脫下帽子，一聲不響地 找個(gè)地方坐下，對(duì)別人都不理會(huì)。若有人向他打招呼，他會(huì) 立即面紅耳赤，羞澀不堪。有一次

4、聚會(huì)是一位會(huì)員作實(shí)驗(yàn)示 范。這位會(huì)員在講解中發(fā)現(xiàn)，一個(gè)穿著舊衣服、面容枯槁的 老頭，緊挨在身邊認(rèn)真聽講。當(dāng)他看了他一眼，老頭急忙逃 開，躲在他人身后。過一會(huì)兒，這老頭又悄悄地?cái)D進(jìn)前面注 意地聽講。這奇怪的老頭正是卡文迪許。許多熟人都知道卡文迪許性情孤僻，不喜歡與人談話。在他的朋友中，能與卡文迪許交談的沒有幾個(gè)人?；瘜W(xué)家武拉斯頓算是其中個(gè)。他總結(jié)了一條經(jīng)驗(yàn)：“與卡文迪許交談，千萬(wàn)不要看他，而要把頭仰起，兩眼望著夭，就象對(duì)空談話樣，這樣才能聽到他的一些見解。”就是這樣，卡文迪許 的話也不多，他沉默寡言得出奇，在同齡人中，可能是話說 得最少的人了。這種怪僻性洛的形成與他從小生長(zhǎng)的環(huán)境有定關(guān)系。他兩歲

5、時(shí)，母親因生育他弟弟而病逝，從此他失 去了母愛。他父親忙于社交活動(dòng)，撇下他交由保姆看管，與 外界極少往來(lái)。直到 11 歲才被送入一所專收貴族子弟的學(xué) 校，在學(xué)校里他仍然很少與別人交往，這就使他顯得特別孤 獨(dú)、羞怯。二氧化碳的研究和氫氣的發(fā)現(xiàn) 由于這種古怪的性格，卡文迪許長(zhǎng)期深居獨(dú)處，整天埋頭在 他科學(xué)研究的小于地。他把他家的部分房子進(jìn)行了改造。所公館改為實(shí)驗(yàn)室，一處住宅改為公用圖書館，把自家豐富 的藏書供大家使用， 1733 年他父親死后， 他又將他的實(shí)驗(yàn)基 地搬到鄉(xiāng)下的別墅。將別墅富麗堂煌的裝飾全部拆去，大客 廳變成實(shí)驗(yàn)室，樓上臥室變成觀象臺(tái)。甚至在宅前的草地上 豎起一個(gè)架子，以便攀上大樹去

6、觀測(cè)星象。至于踐踏了那些 名貴的花草，他毫不在乎。這些都表明，對(duì)于科學(xué)研究池簡(jiǎn) 直象著了魔一樣。在社交生活中，他沉默寡言，顯得很孤僻，然而在科學(xué)研究 中，他思路開闊， 興趣廣泛， 顯得異常活躍。 上至天文氣象，至地質(zhì)采礦，抽象的數(shù)學(xué)，具體的冶金工藝，他都進(jìn)行過探討。特別在化學(xué)和物理學(xué)的研究中，他有極高的造詣，取 得許多重要的成果。1766 年，卡文迪許發(fā)表了他的第一篇論文“論人工空氣的實(shí)驗(yàn)”。這篇論文主要介紹了他對(duì)固定空氣（即二氧化碳， 燃空氣（即氫氣）的實(shí)驗(yàn)研究。在化學(xué)命名法提出之前，人們是這樣稱呼二氧化碳的）、易早在 1754 年英國(guó)化學(xué)家布萊克就發(fā)現(xiàn)了固定空氣，但是當(dāng) 時(shí)只知道加熱石灰石

7、可以獲得它，人呼出的空氣中含有它， 木炭燃燒也產(chǎn)生它。至于怎樣收集它，它的物理化學(xué)性質(zhì)如 何都不了解。在這些方面卡文迪許做了建設(shè)性的工作。卡文 迪許考察了收集反應(yīng)氣體的排水集氣法，他發(fā)現(xiàn)固定空氣能 溶解于水，室溫下的水可吸收固定空氣的體積比水本身的體 積還要大一點(diǎn)，水冷時(shí)可以吸收得更多。若將水煮沸，溶解 于水中的固定空氣則會(huì)逸出。酒精吸收固定空氣的本領(lǐng)更大， 約是其本身體積的 225 倍。某些堿溶液也能溶解固定空氣， 因此收集固定空氣不能采用排水集氣法，而應(yīng)在不吸收固定 空氣的水銀面上進(jìn)行。他的這一介紹對(duì)于當(dāng)時(shí)科學(xué)家研究氣 體是很有啟發(fā)的。文迪許側(cè)得國(guó)定空氣比普通空氣重157 倍，測(cè)出了酸從

8、石灰石、大理石、珍珠灰等物質(zhì)中排出固定空氣的重量，計(jì) 算出這些物質(zhì)中固定空氣的含量。他還發(fā)現(xiàn)在普通空氣中， 若固定空氣的含量占到總體積的 1/9 ，燃燒的蠟燭在其中就會(huì)媳滅。這些實(shí)驗(yàn)研究使人們對(duì)二氧化碳的性質(zhì)有了更多的 了解。在卡文迪許之前，許多人曾制取過氫氣，但是并沒有認(rèn)真研 究它?？ㄎ牡显S用稀硫酸或稀鹽酸與金屬鋅或鐵作用獲得氫 氣，發(fā)現(xiàn)它點(diǎn)火即燃， 不溶于水和堿， 比普通空氣輕 11 倍， 與已知的其它氣體都不一樣，從而斷定它是一種新的氣體。他還發(fā)現(xiàn)，一定量的金屬與稀酸作用所放出的氫氣的多少， 與酸的種類、濃度無(wú)關(guān)，而隨金屬不同而相異。文迪許當(dāng)時(shí)信奉燃素說，曾認(rèn)為氫氣就是燃素。恰好，當(dāng) 時(shí)

9、的許多燃素說信徒都猜測(cè)燃素具有負(fù)重量。充滿氫氣的氣 球徐徐升空，曾使燃素論信徒受到鼓舞，他們的猜測(cè)似乎有 了證明。然而細(xì)心的卡文迪許在弄清了空氣的浮力原理后， 以精確的實(shí)驗(yàn)測(cè)出氫氣確有重量，從而否定了燃素具有負(fù)重 量的觀點(diǎn)。盡管他是信奉燃素說的，但是他更尊重科學(xué)實(shí)驗(yàn) 的事實(shí)。確認(rèn)水的組成和意外的發(fā)現(xiàn) 從 1771 年起，卡文迪許全神貫注在電學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究上，這 是他的一個(gè)系統(tǒng)、持久的研究課題。直到 1781 年普利斯特 列在一項(xiàng)卡文迪許曾探索過的研究題目上有了新的發(fā)現(xiàn)，才 把卡文迪許重新技回到氣體的研究中。1781 年，普利斯特列宣稱他做了一個(gè)“毫無(wú)頭緒”的實(shí)驗(yàn)： 他將卡文迪許發(fā)現(xiàn)的氫氣和自己發(fā)

10、現(xiàn)的脫燃素空氣（即氧氣）混和在一閉口瓶中，然后用電火花燃爆，發(fā)現(xiàn)瓶中有露珠生 成。他懷疑自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也無(wú)法解釋自己的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)普 利斯特列將這一情況告訴卡文迪許后，引起了后者的興趣。在征得普利斯特列的許可后，卡文迪許繼續(xù)這一實(shí)驗(yàn)。由于他設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)較精確，很快得到結(jié)論。在他1784 年發(fā)表的論文“關(guān)于空氣的實(shí)驗(yàn)，中指出：氫氣和普通空氣混和進(jìn)行燃爆，幾乎全部氫氣和 1/5 的普通空氣凝給成露珠，這露珠 就是水。他又采用氧氣代替普通空氣進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，同樣獲得了水。他還證明氫氣和氧氣相互化合的體積此為202：1。由此他確認(rèn)了水是由氫氣和氧氣化合而成的。在上述實(shí)驗(yàn)中，卡文迪許遇到兩個(gè)意外的問題。他發(fā)現(xiàn)

11、燃爆 氫氣與氧氣的混和氣體時(shí)，有時(shí)所產(chǎn)生的水有點(diǎn)酸味，用堿 中和，再將水蒸發(fā)能得到少量的硝石。若氧氣愈多，生成的 酸也就多些；若氫氣過量，則沒有酸生成。這是為什么？為 此他繼續(xù)作了一系列實(shí)驗(yàn)，終于解決了疑難。在 1785 年發(fā)表的論文中，他指出水的酸味是因?yàn)樗泻?硝酸或亞硝酸，它們的生成則由于氧氣中混有氮?dú)?，在電?花燃爆的高溫中，氧氣和氮?dú)鈺?huì)化合。而氫氣與普通空氣混 和燃爆時(shí)，由于大量氮?dú)獾拇嬖?，反?yīng)溫度不夠高，從而無(wú) 法生成硝酸。這一精細(xì)的實(shí)驗(yàn)為人們提供了一種由空氣制取 硝酸的方法。文迪許還發(fā)現(xiàn)，燃爆反應(yīng)后的硝酸或亞硝酸用鉀堿溶液中和，過量的氧氣用硫化押溶液吸收掉后，試管里仍剩下一個(gè)很

12、小的氣泡，這氣泡的體積約是氮?dú)饪傮w積的1/120 。這部 分氣體的性質(zhì)與氮?dú)獠灰粯印８静粎⒓踊瘜W(xué)反應(yīng)。它究竟 是什么呢？卡文迪許沒法講清。但是他為后人提出了一個(gè)研 究課題，直到 100 年以后，英國(guó)化學(xué)家瑞利和拉姆塞才證實(shí)， 這部分氣體是惰性氣體。不圖名不圖利文迪許 1767 年發(fā)表的論文也引人矚目。這篇文章介紹了 他、關(guān)于水和固定空氣的實(shí)驗(yàn)。將一個(gè)深水井的井水進(jìn)行煮 沸，發(fā)現(xiàn)有固定空氣逸出，同時(shí)產(chǎn)生白色沉淀。他認(rèn)為白色 沉淀和固定空氣原先都是溶于水的，它們可能是溶于水中的 石灰質(zhì)土。為了證明這一看法，他在清澈的石灰水中通入圃 定空氣，開始時(shí)產(chǎn)生乳白色沉淀，繼續(xù)通入固定空氣后，沉 淀復(fù)又溶解

13、，溶液再次澄清透亮。這時(shí)他將這溶液煮沸，立 刻就象井水那樣釋放出固定空氣并產(chǎn)生白色沉淀。文迪許的這一實(shí)驗(yàn)和他的解釋使人們認(rèn)清了一個(gè)常見的 自然現(xiàn)象。在石灰?guī)r遍布的地區(qū)，含有二氧化碳的雨水或泉 水流經(jīng)石灰?guī)r地層、慢慢地溶解部分石灰石形成重碳酸鹽溶 液。這些溶液在石巖中緩慢下滴時(shí)，可能因溫度變化或水汽 蒸發(fā)，二氧化碳乘機(jī)逸去，碳酸鈣結(jié)晶析出，日積月累，逐 漸形成了石鐘、石乳、右筍等奇特的景象?？λ固氐匦螛?gòu)造 有了科學(xué)的解釋。文迪許自 1766 年發(fā)表第一篇論文， 開始引起社會(huì)的重視， 以后他又陸續(xù)發(fā)表了一些關(guān)于化學(xué)、物理學(xué)的富有成果的報(bào) 告，逐漸引起英國(guó)乃至歐洲科學(xué)界的震驚，當(dāng)時(shí)有人表示懷 疑，為

14、此英國(guó)皇家學(xué)會(huì)曾組織了一個(gè)委員會(huì)，重復(fù)卡文迪許 的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果完全證實(shí)了卡文迪許的卓越實(shí)驗(yàn)技巧和他對(duì)科 學(xué)的誠(chéng)實(shí)態(tài)度?？ㄎ牡显S是個(gè)了不起的科學(xué)家，贏得了科學(xué) 界的尊敬。文迪許對(duì)牛頓是非常敬仰的，他從牛頓身上不僅吸取了獻(xiàn) 身科學(xué)的力量，還接下了牛頓的許多研究項(xiàng)目。他根據(jù)萬(wàn)有 引力定律，研究過動(dòng)力學(xué)；依據(jù)牛頓提出的熱是微粒振動(dòng)的 觀點(diǎn)，做了有關(guān)熱的許多實(shí)驗(yàn)、發(fā)現(xiàn)了比熱的測(cè)定法。他還 運(yùn)用萬(wàn)有引力定律，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定出地球的密度為水的密度 的 55 倍，由此可以計(jì)算地球的相對(duì)重量。這些著名的實(shí) 驗(yàn)不僅驗(yàn)證了萬(wàn)有引力定律的科學(xué)性，同時(shí)也表明卡文迪許 具有扎實(shí)的數(shù)理基礎(chǔ)和高超的實(shí)驗(yàn)技巧。文迪許從事科研不圖名、不圖利。當(dāng)許多人推崇他發(fā)現(xiàn)氫 論文和實(shí)驗(yàn)報(bào)告，沒有急于發(fā)表，特別是關(guān)于自然哲學(xué)的許 多論