这四种奇丑无比的仪器,居然是化学四大门派的开山鼻祖?

作者: 温凉

来源: 果壳少年

发布日期: 2018-09-20

本文介绍了四种在化学发展史上扮演重要角色的实验仪器,分别是真空泵、伏打电堆、五球瓶和基尔霍夫光谱仪,它们分别开创了无机化学、电化学、有机化学和分析化学这四大化学门派。这些仪器不仅在科学研究中起到了关键作用,也推动了化学从古典玄学向近代科学的转变。

提到化学实验,就不得不说说那些实验里各种各样的瓶瓶罐罐。曾经有位化学界的强迫症泰斗约恩斯·贝尔塞柳斯,因为玻璃烧瓶不合心意——不够圆,就愤然找玻璃工学习玻璃制造和焊接技艺,为世界各地的实验室提供了基本的实验器材的典范。贝尔塞柳斯的实验仪器设计手稿。图片源来:Wikipedia

贝尔塞柳斯老爷子的经历绝非偶然,在实验仪器标准化之前,玻璃全靠自己烧,也不知诞生了多少放飞自我的产品。今天,我们就来聊聊那些奇形怪状却在化学发展史中扮演了重要角色的实验仪器们。这些仪器分别开创了后世的四个化学门派——无机化学、有机化学、电化学和分析化学(注:人们常说的“四大化学”中,会把电化学替换为物理化学)。

思想革命真空泵与无机化学

1654年,马德保市长格里克通过著名的马德堡半球实验,证明了大气压的力量。其后的1660年,波义尔在格里克真空泵的基础上进行了改进,使其更适合真空中实验的观察。波义尔真空泵(原始插图重绘)。图片来源:Beautiful Chemistry

这个由球型玻璃容器和下方抽气筒组成的简陋仪器,实锤了“空气”在燃烧的重要作用。也正是在这个仪器的实验基础上,拉瓦锡等科学家展开对燃烧本质的研究,引发了著名的化学革命,让化学从古典玄学“炼金术”翻身成为近代科学,也成功踏出了无机化学研究的第一步。

新能量的大门伏打电堆与电化学虽然早在1660年格里克(没错还是那个马德保市长)就发明了第一台“摩擦起电机”,但是这个原始的仪器能够提供的电简直少得可怜。

直到1800年伏打发明了“伏打电堆”,人们才成功接触到了电流。从此“电”就脱离了静电的范畴,并且促进了“电化学”的迅速发展。今天,这个装置已变成各种各样的电池,从实验室走向千家万户。伏打电堆(原始装置复原)通过锌片、铜片以及含有盐水的纸板组成 图片来源:Beautiful Chemistry

小白福音五球瓶与有机化学

在有机物的测定中,最为关键的是如何进行碳元素的准确测定。燃烧有机物、分析产生的二氧化碳是个使用至今的办法。早期的化学家们苦于无法准确收集气体、测量气压、计算体积,直到李比希“五球瓶”的出现,才成功解决了这个问题。李比希五球瓶实验装置原始手稿。图片来源:李比希博物馆

五球瓶中的氢氧化钾溶液,可以吸收有机物焙烧之后放出的二氧化碳,将气体量的测定转化为简单的称重,因而迅速得到了普及,并推动了分析化学、有机化学的发展。

实验过程中液面的四种可能位置 (a)平衡 与大气连通时 (b) 从B口抽气验漏 液面保持则不漏 (c)实验开始后,由于二氧化碳的吸收导致液面上升 (d)结束后,从末端导入空气,大球液面降低。图片来源:Beautiful Chemistry

五球瓶同时解决了验漏、气体倒吸等问题,给了化学家们一双精准定量的“巧手”,从此化学实验脱离了“高冷”的范畴,初学者稍做培训即可完成,这一模式仍旧是当今科学实验室的典范。我们不得不对李比希的奇思妙想和精妙的玻璃工手艺点个赞。五球瓶因为它的重要意义在许多地方留下了痕迹,如美国化学会(ACS)Logo。

借我慧眼基尔霍夫光谱仪与分析化学1666年,著名的物理学家牛顿通过三棱镜将白光分成了彩虹。

继牛顿之后,基尔霍夫使用同样的三棱镜,将来自于不同化学元素的光分开,给了化学家能够直接看到化学元素的慧眼。在高温、低亮度的本生灯的帮助下,被测物质灼烧后的光通过棱镜被分成具有独特颜色单一的亮线,这就是现在人们常说的光谱。在这个原理的帮助下,分析化学家能够更加方便地发现新元素,并且能够检测到极少量元素。基尔霍夫光谱仪 (原始装置复原)图片来源:Beautiful Chemistry

当然,在化学从古典蒙昧的“炼金”“炼丹”走向现代科学的路途中,不论这四大仪器还是平凡的试管、烧杯、漏斗等都扮演了重要角色,伴随科研工作者们点点滴滴的努力,为探究这个世界的真相贡献了他们的全部。

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