约瑟夫·路易·盖-吕萨克
约瑟夫·路易·盖-吕萨克(Joseph LouisGay-Lussac,1778~1850)法国物理学家、化学家。1778年12月6日生于法国上维埃纳省的圣莱奥纳尔。1800年毕业于巴黎工艺学院。1802年起在该校任实验员。他的老师高度赞赏他的敏捷思维、高超的实验技巧和强烈的事业心,特将自己的实验室让给他进行工作,这对盖-吕萨克的早期研究工作起了很大作用。1809年升任该校化学教授。1808~1832年兼任巴黎大学物理学教授,1832~1850年任巴黎国立自然史博物馆化学讲座教授。盖-吕萨克在物理学、化学方面都做出了卓越的贡献。
老师,是您错了
两位化学家正在进行一场激烈的学术争论。
“既然我们谁也说服不了谁,那就让实验事实说话吧。”贝托雷对普鲁斯特说。
“应该如此”。普鲁斯特回答。
贝托雷回到他的实验室,看见他的助手盖·吕萨克正疲倦地坐在椅子上。
“怎么样,我让你实验的结果出来了吗?”贝托雷亲切地问。
“出来了。”盖-吕萨克抖擞精神站了起来。
“拿给我看!”
“但是,老师,”盖-吕萨克犹豫了一下,还是说道,“是您错了”。
“哦?”贝托雷皱起了眉头,接过实验报告,看了起来,脸上显出深深地失望。
但是,对于大科学家来说,真理比自尊心更可贵,贝托雷看完盖-吕萨克反复实验做出的报告后,脸上露出了微笑,他站起来,用手拍拍这位助手的肩膀,说道:“我为您感到自豪,像您这样有才能的人,没有理由让您当助手,哪怕是给最伟大的科学家当助手,您的眼睛能发现真理,能洞察人们所不知的奥秘,而这一点却不是每一个人都能作到的。您应该独立地进行工作,从今天起,您可以进行您认为必要的任何实验。如果您愿意的话,请留在我的实验室里工作吧,如果有一天,我能自称是像您这样的研究家的导师的话,将十分高兴。祝您幸福,盖-吕萨克。”
贝托雷走了,他连自己的失败也忘了,因为他非常高兴地看到:世界上又出现了一位伟大的化学家!法国将为有这样一位骄子而自豪!
盖-吕萨克在物理学方面主要从事分子物理和热学研究,在气体性质、蒸汽压、温度和毛细现象等问题的研究中都作出了出色的贡献,对于气体热膨胀性质的研究成果尤为突出。1801年他与J.道尔顿各自独立地发现了气体体积随温度改变的规律,发现了一切气体在压强不变时的热膨胀系数都相同。这个热膨胀系数经历半世纪后由英国物理学家开尔文确定了它的热力学意义,建立了热力学温标。盖-吕萨克研究了前人测定不同气体热膨胀系数很不一致的原因后指出:必须使实验气体充分干燥。他通过多种不同气体的反复实验,精确地计算后得出气体膨胀系数的数值是0.00375或1/266.6,现代理想值为1/273.15。盖-吕萨克于1802年发表了有关的论文《气体热膨胀》文中记叙道:“我的实验都是以极大的细心进行的。它们无可争辩地证明,空气、氧气、氢气、氮气、一氧化氮、蒸汽、氨气,粗盐酸、亚硫酸、碳酸的气体,都在相同的温度升高下有着同样的膨胀……我能够得出这个结论:一切普通气体,只要置于同样条件下,就可以在同样温度下进行同样的膨胀……各气体在冰点与沸点之间所增加的体积,根据一百分度的温度计,是等于原体积的100/26666。”后来把气体质量和压强不变时体积随温度作线性变化的定律叫盖-吕萨克定律。1807年盖-吕萨克还率先测出气体的比定压热容cp和比定容热容cv的比值y=cp/cv=1.372。同年他发现了空气膨胀时温度降低,压缩时(无热交换)温度升高。
盖-吕萨克还为探明高空与地面的空气成分及磁现象的差别做出了开拓性贡献。1804年8月23日他和好友毕奥携带实验器具乘气球上升,在6500英尺(约2000米)的高度开始实验,并继续实验直到13000英尺(约4000米)的高度。同年他又单独乘气球上升到7016米高空进行实验。实验结果表明,6300米高处的空气和地球表面附近的空气组成成份相同,地磁强度几乎也没有变化。1805年3月他与亚历山大·冯·洪堡一起为准确地测定地球磁极位置进行了历时一年的考察工作。两人在一起还利用各种方法计算了空气中氧的比例。盖-吕萨克对原子论的发展也作出了贡献。1808年他总结提出在相同温度和相同压强下相同体积的不同气体的原子数目相同的假说,后来经过阿伏加德罗的修正,这个假说更为完善,成为阿伏加德罗定律。
在化学方面,盖-吕萨克研究范围很广,取得不少成果。1808年发表了今天以他名字命名的盖-吕萨克气体反应体积比定律,这对以后化学发展影响很大。此时他被选人法国研究院。他还发现了硼,还有其他多种贡献。特别值得一提的是他的爱国主义精神。他总是把自己的研究工作和祖国荣誉联系在一起。1813年法国两位化学家在海草灰里发现了一种新元素,但在尚未分离出来时无意地把原料都给了戴维,盖-吕萨克知道后十分激动地说:“不可原谅的错误!空前严重的错误!居然倾其所有,拱手送给了外国人。戴维会发现这种元素,并把研究成果公之于世。这样,发现新元素的光荣就会属于英国,而不属于法国了。”于是他和两位化学家一起立即动手,从头做起,昼夜不停,终于与戴维同时确证了新元素──碘,为祖国争得了荣誉。
1804年8月2日,天气晴朗而炎热,万里无云,没有一丝微风。人们往巨大的气球里填充着氢气,用树脂浸过的密织绸布在阳光下闪闪发光。
为了研究大气现象和地磁现象的有关问题,盖-吕萨克和他的好友,另一位科学家比奥决定要升到高空去采集样品了。
气球逐渐膨胀起来,几个小时后,气球离开了地面,平稳地上升。
盖-吕萨克和比奥坐在圆形吊篮里。“一路平安!”贝托雷教授高声地为他们送行。
“祝你们成功!”另一位教授布里松也跟着大声祝贺。但很快,他的声音被聚集在一起的教授、科学工作者和大学生们的欢呼声淹没了。
这真是罕见的场面,气球越升越高,孩子们高声欢叫着。
送行的人群逐渐消失在他们下面无边无际的深渊中。“咱们开始工作吧,”比奥说道。
“我正在观察磁针的偏差。”
“我们升起多高了?”
“距海平面5800米。”
“我觉得耳朵很疼,头晕。”
高空反应使比奥的状况越来越不好,最后,他们勉强采集了一些空气样品,不得不着陆了。
这两位勇敢的研究家忘我升空的消息引起了极强烈的反应,到处都在谈论着这两位航行家,当人们第一次飞行的谈论还没有平息时,盖-吕萨克就已决定再次进行升空试验了。
一个半月以后,他单身进行了第二次升空探索。为了减轻负荷,提高升空高度,他尽量轻装。当气球升至7016米时,他毅然把坐着的椅子等随身物件仍了下来,使气球继续上升。 正在田间劳作的人们看到天上纷纷落下许多东西,还以为是出现了妖怪呢。
盖-吕萨克创造了当时世界上乘气球升空的最高记录。两次探测的空气样品证明,在高空领域,地磁强度是恒定不变的,空气的成分也基本相同,只有氧气的含量随着高度而减少。
英国人戴维用电流成功地分解了氢氧化钾和氢氧化钠,制得了两种新的金属。它们像蜡一样柔软,并能漂浮在水面,与水发生激烈反应,冒出火焰。
法国科学院为此授予戴维一枚勋章。同时也给本国的科学家提出任务:提炼出这两种金属,任务最终交给了盖-吕萨克和另一位年轻科学家泰纳。在工业学校下面腾出两大间房,制作了大功率的电池组,一切就绪,盖-吕萨克和泰纳开始工作了。
泰纳从炉子上拿下坩埚,熔化的苛性钾在坩埚里闪闪发光,泰纳小心地把溶液倒入安有电极的容器里,盖-吕萨克点着灯,然后接上电源,电极周围立刻出现很多小的气泡。这表明反应开始了。
“我觉得,分离钾进行得很慢。”泰纳一面观察着反应过程,一面说道。
“需要算出来一个小时能析出多少钾,然后算出生产率是多少。”盖-吕萨克答道。
“数量不会大的。”
“这种方法看来不行。这样制得钾会比金子还要贵一倍!”
“应该探索出一个花费较少的方法。”
“是不是改用化学上常用的盐类?”盖-吕萨克若有所思。
他们改用了另一种方法,把带铁屑的苛性钾和苛性钠放进封闭容器里加热,这种方法比以前好多了,可以制备出大量的金属钾和金属钠。但是,这个方法很危险,有几次发生了猛烈爆炸,这两位科学家差点因此丧命。
虽然如此,这两位年轻的科学家并未停止工作,他们陆续制备了大量的钾和钠,可以随便用来进行各项实验了。
“钾是化学反应能力特别强的元素,它能从化合物中置换出许多元素,能不能利用钾提取硼酸中所含有的元素呢?”盖-吕萨克对泰纳说。
“这个建议很高明。”泰纳高兴地说道,“如果把硼酸加热必定得到氧化物,但是,目前谁也不能把含在氧化物里的那个元素提取出来。”
他们决定试一试。
他们把硼酸加热,得到了硼酸的晶体,把晶体研碎之后,放入瓷坩埚中。再从矿物油(钾必须贮存在矿物油中)中取出一块钾,仔细撩净,然后用刀子切成极小的块,也放入瓷坩埚中。把盖子盖紧,就开始加热。激烈的反应开始了,淡黄绿色的火苗呼呼地从坩埚和坩埚盖之间的缝隙中冒出来,几分钟后,坩埚和坩埚盖被烧得通红。
反应结束后,盖·吕萨克小心地揭下坩埚盖,坩埚里满是深褐色的粉末。他们开始对这种粉末进行分析,几个星期后,他们确定它是一种新的物质——一种新元素。他们把它叫做硼。
1809年,盖-吕萨克同时被任命为工业学校化学教授和索尔蓬纳的物理学教授,但是,他仍然和泰纳一起搞实验工作,他们决定测定金属钾中氢和钾的数量比,以及金属钠中氢和钠的数量比。
因为,在当时,这两种金属都被认为是氢的化合物,原因是这两个金属在酸中溶解时均能放出氢气。
他们的实验是这样的,将纯净的氧气充满圆柱形的筒里,然后拿一块称过重量的钾或钠放进去,再点燃氧气。当氧气烧完后,由于金属中氢和氧的作用,将会生成水,把水干燥以后,收集起来,就能测出水的数量,进而测出氢的含量。但是奇怪,实验做完了。居然一滴水也没有。
“真是不可思议,难道是我们错了?”
他们又重复了一次实验,结果依然没有生成水。
“也许整套装置没很好地吹净?”
又换了一套装置,一次,两次……十次实验做完了,结果仍然一样。
“那就只好看看生成的氧化物究竟发生了什么变化吧。”
对氧化物的分析表明:其中也不含有一点水份。
这个观察结果成为以后许多重大的新发现的起点,那种关于金属的错误认识被抛弃了。钾和钠的原形被揭示出来了,新的认识也由此建立。
1811年,法国人库特瓦在从海草灰中制取钾盐的过程中,发现了一种未知的新物质,库特瓦成功地分离出这种物质,并把它交给化学家克莱曼和德索尔母进行研究,但这位化学家没有发表任何研究成果,就把这种新物质交给了英国化学家戴维。
盖-吕萨克得知这个消息后,非常着急,他对克莱曼说:“你们太轻率了,法国人可以研究出这种新物质,可你们把它交给了一个英国人,这回戴维将会发现这个新元素,为他的祖国挣得荣誉。”
为了为自己的祖国争光,盖-吕萨克决心要和戴维比赛一下,他从库特瓦那里取回了偶尔留下的一点那种新物质,开始了夜以继日的研究。
几天以后,盖-吕萨克成功地得到了这种纯净的元素。一些小小的鳞片般的东西,像金属一样闪闪发亮,加热时它们很快便蒸发,沉甸甸的深紫色的蒸气充满了烧瓶。
“我们把这种元素叫做碘吧。”盖-吕萨克自豪地看着这些紫色的精灵,碘(iode)的意思是紫罗兰。
不久,戴维的研究报告也发表了,他们的竞争促进了科学的发展。盖-吕萨克也实现了为国争光的宏愿。
盖-吕萨克在化学和物理学各个领域里富有成果的工作,受到欧洲科学的公认,1829年他当选为彼得堡科学院名誉院士。
就在这个时候,一些生产硫酸的工厂主向盖-吕萨克提出了请求。为了把二氧化硫氧化为三氧化硫,在含有二氧化硫的空气中加入二氧化氮,就会生成三氧化硫和一氧化氮。用水把三氧化硫吸收后,剩余的气体通过高大的烟囱排到大气中去,但是,当这些气体和空气混合在一起时,其中的一氧化氮立即就转变为二氧化氮。二氧化氮是有毒的棕褐色气体,这种棕褐色烟雾从烟囱里冒出,不仅毒害着周围的生物,而且也毒害着工厂里的工作人员,硫酸工厂附近的植物全部被毒死。这些硫酸厂就像在荒漠上的一座座凶险恶毒的火山,永不停息地升腾着毒性的烟团。必须采取紧急措施解决这个问题。
盖-吕萨克投入了紧急的研究之中。他查明,氮的几种氧化物能镕解在硫酸里,他将这种溶液叫做含硝硫酸,它是没毒的。
“不要让这种废气从烟囱中排出,”盖-吕萨克对厂主解释道:“应当设法化废为利。为此,要建造一座吸收塔,塔高10—15米,塔内有耐酸的材料作衬里,废气从塔的底部进入,将硫酸从塔的上部喷淋下来,当氮的氧化物遇到硫酸时便和它化合,成为含硝硫酸,含硝硫酸向下流去,可以收集起来重新利用,而排向大气的就只有无毒的气体。”
1840年,盖-吕萨克的想法在实践中被采用,在生产硫酸的工厂里出现了吸收塔,这种塔至今仍然被称作“盖-吕萨克塔”。
长期的繁忙和危险的工作,潮湿的实验室使他身患严重的关节炎,身体状况日益恶化,但他顽强地同病魔斗争,坚持研究工作,1850年5月9日,这位著名的化学家在巴黎逝世。
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