材料星故事（二）

刘超

【导语】

2019年第11期的“材料史话”栏目讲述了德国化学家弗里德里希·维勒其人其事。而本期“材料星故事”的主人公——瑞典化学家琼斯·雅各布·贝采利乌斯与维勒有着密切的关系：1823—1824年，维勒曾师从贝采利乌斯，时间虽短，但彼此却惺惺相惜。

琼斯·雅各布·贝采利乌斯（1779—1848，图1）一生星光熠熠，无疑是19世纪上半叶世界最伟大的化学家，没有之一。他测定了45种化学元素的原子质量；首次用元素符号表示并公布了当时已经发现的原子量表；发现了硅、钍、硒等元素；发现“催化现象”并提出“催化”的概念；命名“同分异构体”等等。这些成就，使得贝采利乌斯成为19世纪世界著名的科学家之一，在世界化学和材料史上写下辉煌的一笔。

开创 “分析化学” 新学科

贝采利乌斯于1779年8月20日出生在瑞典南部东约特兰省一个名叫威菲松达的小村庄里，幼年的贝采利乌斯命运坎坷，他4岁丧父，母亲改嫁一位牧师，12岁时母亲病逝。他和小他2岁的妹妹被继父继续抚养。他的继父自己原本有5个孩子，但在经济条件极其不富裕的情况下，仍视贝采利乌斯兄妹如己出，对7个孩子一视同仁，对他们的培养更是不遗余力。正因如此，贝采利乌斯对来之不易的学习机会倍加珍惜。

在小学阶段，贝采利乌斯对大自然展现出了浓厚的兴趣，鸟儿飞、兔儿跳、虫儿鸣、狗儿叫等等，无不引起他的注意和观察。1793年，14岁的贝采利乌斯进入了家乡的林雪平中学，在这里，他依然将时间都花在对自然科学的钻研上。在一次野外植物调查的过程中，贝采里乌斯偶遇了为制作标本而正在寻找昆虫的瑞典著名昆虫学家哈格兰（AndersHaglund），2个人相谈甚欢。之后在哈格兰的帮助下，贝采利乌斯认识了几百种动植物，学到了许多制作动植物标本的方法，中学期间他就对林雪平地区的动植物分布进行了系统的研究，采集了370多种动植物标本。3年后，贝采利乌斯中学毕业，在其继父的支持下，他进入瑞典著名的乌普萨拉大学（图2）医学系学习。当时，医学专业是被认为最接近自然科学的学科。

随着7个孩子进入不同等级的学校继续深造，贝采利乌斯的继父已经不能完全负担这么多孩子的上学费用。可以想象，贝采利乌斯的大学生活是异常艰苦的，但也使其锻炼出吃苦耐劳的品格和坚强的意志，为他以后成为享誉世界的大科学家夯实了“软件”基础。为了改变生活，贝采利乌斯不得不在其他同学享受五彩缤纷课余生活的时间提升自己。为了靠给当时大批来自欧洲内陆国家的移民子女上课赚取生活费和学费，贝采利乌斯除母语瑞典语之外，他先后又自学了英语、法语和德语。这段时期的自学经历，为他以后能在最快时间阅读到不同语言的科学著作提供了巨大的帮助。

然而，贝采利乌斯大学3年级的时候，在他所学的课程中，除化学课程游离在不及格的边缘，其他课程的成绩都名列前茅。化学，这个以后成为贝采利乌斯终身事业的课程在此时却依然没有吊起他的兴趣。如果此门课程的成绩再下降一点儿，等待他的将会是学校的开除。下定决心，贝采利乌斯 “开足马力”，在化学课程上奋起直追。当时，欧洲化学乃至世界化学界关于“燃烧”现象的解释，支持拉瓦锡（图3）的“氧化学说”一派与支持斯塔尔的“燃素说”一派的辩论异常激烈。贝采利乌斯正是在这个背景下，开始燃起对化学的兴趣，并一发不可收拾，他的“化学人生”肇始于此。这位年轻有为而又富有思想的大学生，开始研究起了《反燃素化学基础原理》一书，这是一位德国化学家的著作。这本书让贝采利乌斯心潮澎湃，确定将化学专业作为未来自己施展抱负的事业方向。

包括贝采利乌斯的导师在内，他周围整个的瑞典科学圈子都对“燃素轮”深信不疑，但他却坚定地支持拉瓦锡的“氧化”理论。他认为，长期以来，“氧化论”一直未能打垮“燃素轮”的关键就是缺乏实验验证，坚持“氧化学说”的科学家没有用足够的实验和数据来对“燃素论”进行反驳。于是，贝采利乌斯开始用实验说话。他在实验室制备了足够量的氧气，并找来许多同学一起观看，让他们通过亲身感受，来掌握学好化学这门学科的最佳方法——实验。贝采利乌斯所处时代，欧洲所有大学的自然学科都是重理论，而对最能证明理论是否成立的“实验”却不怎么在意，这本就是自然科学发展的最大缺失。

1802年，贝采利乌斯从乌普萨拉大学毕业，理所当然的当上了医生。但不久之后，他意识到：作为一门应用科学，医学的进步不在医学本身，要考其他学科的突破促使医学进步，而化学确实能为医学的进步带来曙光。他觉得自己应该在化学领域有所建树，与医生这个职业相比，他更喜欢从事化学方面的工作。贝采利乌斯决定改行！在麦地维，有一家矿泉水厂，他在这里当上了化学分析师，他的工作就是对这里天然矿泉水的成分进行分析。同期，意大利人伏打发明了能产生持续电流的伏打电池（“伏打电堆”），贝采利乌斯就利用伏打电池对矿泉水进行电解，分析出矿泉水中主要的化学成分。通过电解水的方法得知矿泉水的成分，这在当时是一项重大的研究成果。

没想到的是，这家矿泉水厂的出资人居然想让贝采利乌斯人工合成矿泉水，这样就能节省许多成本，利润能够得到成倍的提升。贝采利乌斯断然拒绝了在他看来这种违背原则的事情。但他答应会帮助矿泉水厂寻找到更多的天然水源。

在一次找水的过程中，贝采利乌斯发现了一种从未见过的有淡黄色晕的长石矿，将这块矿石带回实验室，用强酸对其分解，化验其中的成分发现，这是一种从未被发现的新元素，贝采利乌斯将这种新发现的元素命名为——铈（Cerium）（见图4）。他在研究了天平的使用原理后，对铈元素的原子质量进行了测定，并且相当准确。

1803年，23岁的贝采利乌斯完成了博士论文的答辩，获得了医学博士学位，被聘为斯德哥尔摩医学院医疗系的医学和药学讲师。因为医疗系的教授数量太少，只有3位，每位教授就要开设好几门课程。贝采利乌斯开设了植物学、药学、医学和化学的课程，前3门课程的学生很受欢迎，唯独上化学课的学生寥寥，让他深感困惑。直觉告诉他，不适自己设置的课程有问题，也不是自己讲得不好，而是传统习惯上的化学老师只注重口头和书本传授，不注重实验和操作，自然就让学生感到枯燥无味。化学知识，要想让学生记忆深刻和喜欢，就要让他们看到直观的实验。于是，贝采利乌斯在上化学课的时候最大化增加了实验的次数，学生从最初的寥寥无几到堂堂爆满。贝采利乌斯首次将实验分析与理论相结合的教学方法，这種化学授课方式很快就在欧洲的大学化学课上推广，这种授课方式也一直被沿用至今。

贝采利乌斯通过将分析的方法应用在化学研究，使得定量分析和许多化学成分的精度达到了新的高度。从贝采利乌斯之后，分析化学成为化学领域的一个分支。贝采利乌斯被后世誉为“分析化学之父”，瑞典政府为纪念他的成就，发行了纪念邮票（图5）。

建立原子量订定和现代化学命名体系

从1807年开始，贝采利乌斯开始了对各种盐、酸、氧化物与其他物质组成的基础研究。1811年，他提出了“电化二元论”，解释了当时已知的全部无机化合物的构成。一直以来，贝采利乌斯非常注重对原子量的测定。为此，他发明并自己制作了许多分析仪器，创立了许多新的实验分析方法，其分析方法和实验技术在欧洲无人能出其左右。继从矿物中发现铈元素之后，贝采利乌斯又在乌拉尔铂矿中分理出钯、锇、铑、铱4种元素，从四氟化硅中制得了单质硅，又从铅室中发现了元素——硒（图6）。

贝采利乌斯还首创了用拉丁字母来表示元素符号，如硒的发现和命名。1817年，贝采利乌斯在硫酸制备器皿的底部发现了一层红色粉状物，除去其他杂质后，对其加热会产生植物腐烂的味道。起初，他预测这是——碲，但对其化学性质进行分析，又排除了这个结论。这是与碲元素化学性质非常相近的一种新元素，贝采利乌斯将其命名为“Selene（赛勒涅）”，意指“月光女神”。这就是硒（Se）元素。1818年，贝采利乌斯提出他最有名的研究成果原子量订定，他以16g/mol氧原子为基数，订定出45种已知元素的原子量。

贝采利乌斯将化学元素符号字母化，这是他对化学领域作出的重大贡献之一。1826年，他以拉丁文订下各种原子的符号，并且排出原子量表，这是最早的原素周期表。采用拉丁字母作为元素符号，非常便于记忆，且逻辑性严谨；可表示准确的相对原子质量。贝采利乌斯认为：日常用字会随时间而改变其用词的涵义，非口语的拉丁文反而能留下原来的涵义。这一时期，分子论、元素周期律和化学结構理论相继诞生，化学符号不仅表示化学元素还用以表示在反应方程式和结构式上，之后还表示离子式、同位素等。在当今世界任何一个国家的化学书籍上，语言文字各不相同，但相同的是化学符号。

1808年，贝采利乌斯开始着手撰写《化学教科书》这一著作，其中对当时主要使用得化学仪器的使用方法进行了详细的说明。这本书在之后的很长时期成为化学领域主要的工具教科书，被译成多种语言在欧洲及世界的大学中广泛使用。

开创多个有机化学先河

早在1806年，贝采利乌斯就曾编写过生理化学方面的课程和教材，第一次提出了“有机化学”的概念。在之后的多年内，他又开启了化学专业一门新的分支——“生理化学”；他命名了“同分异构体”和“蛋白质”；并首次发现了“催化现象”，提出“催化剂”的概念。

1808年，贝采利乌斯通过对人体血液和各种食物的分析，得出结论：菠菜富含人体血液血红素中的铁元素，多吃菠菜对人体有益。这个结论被当时许多人嘲笑：吃绿色的蔬菜怎么能补充红色的铁？对此，贝采利乌斯不屑去反驳，他相信时间最终会证明他的结论。贝采利乌斯没想到的是，数年后的人们受到他的启发将分析化学与医学相结合设立了“生理化学”学科，贝采利乌斯也成为之一学科的开山之祖。

之后，维勒与同为化学家的李比希在氰酸类物质的研究中同时发现了同一种分子式的不同种结构，但2个人都无法解释这一现象。当维勒给他致信向老师征求意见时，贝采利乌斯将维勒合成的尿素与李比希合成的氰酸氨命名为“同分异构体（见图7）”，这一概念由此产生。而在一次对乳酸的研究中，贝采利乌斯发现，乳酸在光学上有左旋和右旋2个结构，他终于亲自发现并证实了“同分异构体”的真实性。

1835年8月20日，贝采利乌斯像往常一样从实验室回到家，一进门就被欢呼声和祝福声所感染，所有亲朋好友和相交莫逆的同事都向贝采利乌斯致以生日祝福，妻子走过来拥抱了贝采利乌斯并对他说：“亲爱的，今天是你的生日，生日快乐”！忙碌了一天的贝采利乌斯才意识到，自己的生日居然都忘了，这无疑是一份极大的惊喜。温馨的气氛当然要用红酒来渲染，他请妻子将家里珍藏的上好红酒全部拿出与众人一起分享。

当大家举杯共饮的时候，贝采利乌斯感觉喝到嘴里的不是红酒，而是醋。于是对爱人说：“亲爱的玛利亚，在这美好的日子里，我们怎么能请客人喝醋呢？”妻子深感疑惑，自己明明是从酒窖里拿出的红酒，还是最好的，怎么会是醋呢？询问宾朋，大家都说红酒很好，并没有酸味儿。难道是自己的味觉出了问题？贝采利乌斯怀疑到。端着酒杯，他发现自己的手上沾着一些黑色粉末，而且酒杯里面底部也有相同的粉末沉淀。他恍然大悟，自己太高兴了，进门后居然不曾洗手。这些黑色粉末是下班前自己做实验在研磨白金（铂）时沾上的铂黑粉末。化学家思考问题终究还带有专业的色彩，他第一时间意识到：红酒变酸，很有可能是铂黑粉末与红酒发生了反应，之前从未有人发现过这种现象。他赶紧将这杯红酒连同酒杯收藏起来，并对宾朋说道：“这可是宝贝，我要收好”！所有人都以为贝采利乌斯似乎还沉浸在实验室的工作状态，有人说：“亲爱的琼斯，这是在家，你怎么做实验都做到家里来了？”引得哄堂大笑，贝采利乌斯跟着大笑。

第二天，贝采利乌斯来到实验室，拿出昨天晚上那杯带有酸味儿的红酒，对红酒与铂黑粉末的混合物进行分析，多次实验后终于证明：铂黑粉末就是使红酒变酸的“元凶”，它加速了红酒里的乙醇与空气中的氧气反应，酸味儿是因为产生了乙酸（醋酸）。1836年，贝采利乌斯在《物理与化学年鉴》杂志上发表文章阐述了这一发现和研究结论，并首次提出加速化学反应的物质是“催化剂”这个概念，并提出并解释了“催化现象”。从此以后，催化剂在化学工业上发挥的作用越来越大，约有90%以上的化学工业过程要使用催化剂。

贝采利乌斯将一生都交给了他热爱的科学事业。他与妻子终身无子嗣，也许从小受到继父的影响，他与妻子对待学生就像对待自己的孩子一样。正因如此，他的学生与他们相处得很是融洽，可以随时到他的家里进行交流和请教，贝采利乌斯将学生们既看成是自己的孩子又当做朋友。在他的影响下，他的许多弟子都成为了著名的科学家，如首次人工合成尿素的德国化学家维勒，发现锂元素的约翰·奥古斯特·阿尔弗德森（Johan August Arfvedson），发现钒元素的塞夫斯特伦（Sefstrom N G），发现稀土元素——镧、铒、铽的卡尔·古斯塔夫·莫桑德尔（Carl Gustaf Mosander），提出“蓋斯定律”的俄国化学家盖斯（Hesss），发现“同晶型定律”的德国化学家米希尔里希（E.E.Miischerlich）等。1808年，贝采利乌斯被选举为瑞典科学院院士，1810年被选举为瑞典科学院院长。长期的化学实验，贝采利乌斯不得不经常将身体暴露在有毒环境之下，他的健康受到了极大的伤害。1848年8月7日，贝采利乌斯因病在瑞典首都斯德哥尔摩逝世，享年69岁。瑞典政府和瑞典科学院为了表示对贝采利乌斯的尊重，按照贵族标准为他举行了隆重的葬礼。值得庆幸的是，在贝采利乌斯生命的最后几个月时间，他的得意门生们经常陪伴在其左右，尤其是莫桑德尔和维勒几乎陪伴到他闭上双眼的那一刻。

贝采利乌斯的学生亨利·罗兹于德国柏林大学纪念其逝世3周年的演说中曾总结：“他（贝采利乌斯）就是这样一个人，在他的研究工作中表现了极不寻常的品质，他用很多实际和理论上的重要发现丰富了这门学科（化学）的所有分支，他用哲学精神总结了他的一生工作。他使他的学科系统化，用批评的力量为它开辟了前景。他是无与伦比的理论和实用化学教师，教导和鼓励了大批学生。这位化学大师在如此巨大的范围内履行了科学的最高要求，以至他的人格在很多世纪中都将是光辉的榜样而光芒四射。”为记住瑞典历史上最伟大的化学家，瑞典政府在首都斯德哥尔摩的市区修建了贝采利乌斯公园，延续至今。

参考文献

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[3] 搜狐.贝采利乌斯：“分析化学之父”原是苦命儿童[EB/OL].（2016—07—15）.https：//www.sohu.com/ a/106124037_119794.

[4] 东方资讯.历史上的今天：瑞典化学家贝采利乌斯逝世[EB/OL].（2018—08—07）.http：//mini.eastday.com/ a/180807000418847.html.

[5] 360百科.永斯·雅各布·贝采利乌斯[EB/OL].（2018—12—17）.https：//baike.so.com/doc/6045815-6258831.html.

[6] 环球网.永斯·雅各布·贝采利乌斯：瑞典化学家[EB/OL].（2015—11—13）.http：//www.twwtn.com/detail_128829.htm.