发现化学元素最多的科学家,还拯救了无数人的性命

作者:张磊来源:【SME】公众号发布时间:2017-07-12

他不仅是世界上发现化学元素最多的科学家,还发明了一种用于矿井照明的安全灯,这种安全灯有效地抑制了采矿过程中的瓦斯爆炸,拯救了千万矿工的性命。

  目前,人类掌握的化学元素(连同人工合成的元素)一共有119种。在寻找新元素的道路上,很多科学家耗尽了毕生精力甚至献出了宝贵的性命,在发现那个被称为“死亡元素”——氟的一路上,更是死伤惨重,堪称一部悲剧史诗。

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汉弗莱·戴维

  而在拓展元素周期表的大军中就有一个独占鳌头的化学家——汉弗莱·戴维。

  他开辟了用电解法制取金属单质的途径,从此开始变身“电解狂魔”。

  在短短两年间就“电”出了七种新元素,是目前世界上发现化学元素最多的科学家。

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矿场用的安全灯,也称戴维灯

  此外,在人类还只能靠火种照明的时代,他发明了一种用于矿井照明的安全灯,这种安全灯有效地抑制了采矿过程中的瓦斯爆炸,拯救了千万矿工的性命。

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戴维在矿井中试验安全灯

  1778年12月17日汉弗莱·戴维出生于英国乡村的一个贫穷家庭中。他从小就是个聪明的孩子,总是喜欢探索一些新鲜的小玩意。读完小学后,父亲就送他到彭赞斯城读书,寄住在外祖父家

  自从他在城中看到医师配制药物的过程,就被那各种物质产生的奇异变化所吸引此后他经常把锅碗瓢盆偷来,躲在楼顶模拟着做实验

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汉弗莱·戴维

  在他16岁那年,父亲不幸去世,家里的环境更加困难,他的母亲带着兄妹五人,更是难以生存,戴维不得不把所有实验仪器收起来,因为他的母亲已经无法支付昂贵的化学药品了,母亲知道戴维喜欢化学,便把他送到一位叫约翰·博莱斯的药房做学徒。

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汉弗莱·戴维

  来到药房做学徒是戴维人生的转折点,在这他不仅可以帮家庭减轻负担,还能从博莱斯先生的实验室学到丰富的化学和医学知识,在博莱斯医生的图书馆中,他仔细地阅读了拉瓦锡的著作和尼克尔森的《化学辞典》,通过这些书本,戴维更是疯狂地爱上化学。

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  在工作之余,他更是利用空余的时间孜孜不倦、全力以赴地学习化学知识和做化学实验。不久,他便在当地变得小有名气,1798年,当时一位叫托马斯·贝多斯的医生想要创办一个气体治疗研究所,于是他找到了精通化学的戴维,想聘请他参加研究各种气体对人体的治疗作用

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托马斯·贝多斯

  这时不得不感叹一下过去的化学实验,基本都是用命换来的,在气体治疗研究所中,戴维的主要任务是制出各种气体,并观察这些气体对人体的作用,而当时想要知道各种气体对人体作用的方法也非常直接和大胆,有毒还是无毒,有益还是无益,都是直接把这些气体作用于活的人体。

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一幅关于气体治疗研究所的搞笑漫画,中间拿着瓶子的是戴维

  但也就是在这个气体治疗中心,人们发现吸入纯氧可以使人感到清新舒畅,知道吸入氨气、一氧化氮、氯气等对人体有极大的危害

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戴维与托马斯·贝多斯在做气体实验

  戴维首先研究的气体是一氧化二氮,一种在当时被认为对人体有极大毒害作用的气体。但是戴维并不信这个邪,他觉得无论什么都要试了才知道结果。事后他还在记录中写道:“我知道这样的实验是极度危险的,但是从性质推断应该不至于会要了我的命吧......”

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  在众人的反对下他还是义无反顾地投入了实验,他打开充满一氧化二氮的瓶子,并反复吸入这种气体,当吸入少量这种气体时,他觉得头晕目眩,如痴如醉,再吸全身无力并感到无比舒适,脑中外界的形象消失,出现各种幻觉。当吸入的气体高到一定浓度,他还不自主地发笑,在实验室里手舞足蹈起来。

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那时这种笑气一度在贵族和上流社会中流行

  因此戴维把这种会使人发笑的气体称为“笑气”,并在1800年把关于一氧化二氮的作用写成论著发表,对它的麻醉作用进行了全面的评价。

  年龄还不到22岁的戴维,凭着笑气的发现,名声也变得越来越大了。

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笑气拔牙

  原来这种“笑气”可以引起人体内“快乐激素”啡肽的释放,之后这种气体也被应用到外科手术的麻醉中,例如帮助拔牙和产妇顺产时减少精神痛苦。

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下图是吸笑气专用的一些工具

  因为“笑气”的致幻效果,当今社会的一些夜场开始流行起了“吹气球”(用奶油枪抽出液态“笑气”,注入气球然后吸食)。

  但是要提醒的是,大量吸入笑气会把人体中的氧气逼走,长期吸入可能会导致机体缺氧,从而引发中枢系统受损,智力会受到影响,严重的可能会使人休克死亡。

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足球明星斯特林吸笑气后表情滑稽,甚至一度陷入晕厥

  在戴维那时所在的年代,很多人把碱、苏打、钾草碱当做是不可再分解的元素,而拉瓦锡则提出,这些“元素”不是不可分解,而是当前的手段和方法还达不到分解这些物质的条件,直到1800年意大利的伏特发明了世界上第一个电池组,亦称为伏特电堆,电学发展的新时代到来,利用伏特电堆电解水的实验获得成功后,电在化学研究中的应用引来了广泛关注。

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伏特与伏特电堆

  受到拉瓦锡和伏特的启发,戴维开始了自己疯狂的电解之路,针对化学成分尚未明确的化学物,戴维的第一电解对象是钾草碱(碳酸钾K2CO3),刚开始他将钾草碱制成饱和溶液电解,但两端电极得到的却只有氢气和氧气,就算加大电流也没有改善。

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当时戴维用的电解装置

  之后他把钾草碱改成熔融状态,在电流作用下,电极的一端有带金属光泽的小球体产生,这种物质一生成就马上遇水燃烧,发出紫色火焰并伴有爆鸣声,戴维把它命名为钾,对钾草碱电解成功,他紧接着采用同样的方法电解了苏打(碳酸钠),同样也获得了一种新的金属元素钠。

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金属钠遇水实验

  1807年11月,他在学术报告会上隆重介绍了钾、钠两种元素的发现过程,但在一片热烈的掌声和祝贺中,他却因为这几个月一鼓作气的操劳而病倒了,在之后的几个月内,他都由医生和护士全日照料看护,一旦身体稍有好转,他便马上溜到实验室做实验。在接下来的一年内,他又相继得到了金属元素钙、镁、锶、钡和非金属元素硼

  短短两年内他发现的元素竟然就有七种

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拉瓦锡

  在1810年他更是证明了已被发现了36年的氯气竟不是一种化合态的气质,而是一种单质气体,当时化学界的权威拉瓦锡认为“氧是成酸元素”,也就是说一切酸中均含有氧,按照这一理论,化学家中普遍都认为盐酸应该也是一种和硫酸、磷酸等一样的含氧酸,而氯气则是盐酸和氧结合的松散化合物(类似HCLOm这种形态,m为未知数)。

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  但是戴维用尽了一切的办法都不能从这种“氧化盐酸”(其实是氯气)中把氧夺取出去。

  所以戴维毫不犹豫地提出了与当时权威不同的化学观点,并用实验证明了氯气是由盐酸分解而来。

  那时氯才被认定为一种元素,从此在化学史中,“酸必须含氧”论也被推翻,“酸的氢学说”建立,使得对卤族元素的研究得到了转折性的发展。

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汉弗莱·戴维

  到戴维逝世前,被发现的元素(那时候还没有元素周期表)也就只有52个元素,但这里面的九个元素(钾、钠、钙、钡、锶、镁、硼、氯、碘)都是戴维发现和确认的,他这一伟大的成绩就算放在今日也无人能与其媲美

  但当别人问起他发现的这些元素,他却说他最大的发现并不是这些元素,而是发现了法拉第的才能。

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迈克尔·法拉第

        迈克尔·法拉第:他是十九世纪电磁领域中最伟大的实验家,他发明了电磁感应现象,总结出了电磁感应定律,更是发明了世界上第一台电动机和发电机,开创了电气化的新时代,引起了物理学的革命

  戴维可以说是法拉第一生中最重要的人物,因为年轻的法拉第家境甚是困顿,只读了不到几年的小学就辍学当了报童,在他20岁的一个夜晚,热爱学习的法拉第意外获得一张戴维在皇家学院讲座的入场券,这场激情四射的科学讲座使法拉第对科学有了更深的期盼

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戴维在皇家学院的讲座

  他鼓足勇气给戴维写了一封长信,并把装订成册的讲座笔记一同寄给了戴维,如大家所料,戴维收留了法拉第并成为了他的伯乐,他把那时候除了一腔热血,几乎一无所有的法拉第招到了皇家学院当助手,这才成就了他之后的科学生涯,而戴维与法拉第的师生情更是一直被后人传为佳话

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带着安全灯到矿井的工人们

  然而在电化学中,戴维还有一件出色的发明——安全灯。18世纪末,戴维生活的英国煤炭工业蓬勃发展,大批煤矿陆续被开发,但是在矿井中瓦斯爆炸却常常发生,这使得在矿中劳作的工人大量死亡,因为只要有火源,等到矿井中瓦斯和空气达到一定浓度就会发生爆炸。

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矿场瓦斯爆炸

  1815年,戴维发明了一种不会致使瓦斯爆炸的矿工照明用灯,利用铜和铁等金属良好的导热性,戴维在灯的外面罩了一个间隙极窄的金属网,空气能从间隙中进入灯罩内,但是火焰燃烧的热量会不断被金属网传导、散发掉,使的金属网罩周围的温度低于瓦斯的着火点,抑制了瓦斯的点燃和爆炸。

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安全灯的部分结构图

  这种安全灯的诞生避免了矿场中的瓦斯爆炸,拯救了无数矿工的性命,给他们的工作环境提供了最基本的保障。

  更是有人把这种安全灯的发明和滑铁卢战役胜利称为“1815年英国两大胜利”,为了纪念戴维的功绩,人们把这种安全灯叫做戴维灯,这种灯在世界上更是沿用了100多年,直到20世纪30年代才被电池灯取代

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博物馆中展示的戴维发明的安全灯

  戴维的一生获得过无数荣耀,他虽为英国科学家,但拿破仑却在英法交战的背景下授予了戴维勋章,并赐给他三千万法郎的奖金,在1820年,他更是当选英国皇家学会主席,并吸引了大量科学家,使科学研究在那时成为一种潮流。

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手提着安全灯的戴维雕像

  然而那个年代的化学家寿命仿佛都不太长,余勒因长期品尝化学试剂,44岁,卒。莫瓦桑也因与一直与毒性猛烈的氟作伴,在获诺奖第二年去世,终年55岁。

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戴维的弟弟为他写的长篇传记《汉弗莱·戴维爵士全集》

  而汉弗莱·戴维也难以逃离这样的命运,1826年,他因身体状况日益下降不得不退出科学界,开始各处寻医问药,1829年5月,汉弗莱·戴维在瑞士日内瓦去世,享年51岁。

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  每当谈起戴维的病,大家能够想到的也就只有他在化学实验中那些大胆的行为,在短暂化学生涯中他更卯足了劲,在二十多年间几乎干了别人几辈子的工作,正是有这样的一大批勇敢者的探索和尝试,才使得化学呈现出像今日的光彩夺目。

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