第5章化学与生物学的发展

第五章化学与生物学的发展5.1 化学的起源与发展化学是研究物质的性质、组成、结构、变化规律和应用的科学。

它主要包括无机化学、有机化学、分析化学和物理化学等分支学科。

化学与人类生产、生活的关系极为密切，并在社会经济建设中发挥越来越大的作用。

5.1.1化学的起源原始人类从用火之时开始，由野蛮进入文明，同时也就开始了用化学方法认识和改造自然物质。

火的燃烧就是一种化学现象。

学会利用火以后，人类开始吃熟食；逐步学会了制陶和提炼、加工金属，根据考古证明，早在公元前3400年以前，古埃及和美索不达米亚（今在伊拉克），人们已经学会冶炼金、银、铜等金属了。

在加工金属的同时，也开始制造玻璃和有釉陶器。

公元前1600年左右，埃及人能从靛蓝植物中制取蓝色染料，还掌握了用还原的方法把染料制成溶液的流程方法。

公元前1300年以前，中国出现了青铜。

在汉朝，就已经大量加工铸铁了，早在西方应用铸铁以前，中国古人就已经用铸铁制造许多金属物品。

后来的造纸和火药说明中国古人已经具备比较丰富的化学知识。

人们在生产实践的基础上，萌发了化学知识。

(一)朴素的元素思想古人曾根据物质的某些性质对物质进行分类，并企图追溯其本源及其变化规律。

公元前4世纪，中国古人提出了阴阳五行说，认为万物是由金、木、水、火、土5种基本物质组合而成，而五行说认为，5种元素由阴阳两种相互作用而形成万物。

此说用“阴阳”这个概念来解释自然界两种对立和相互消长的物质势力，172认识两者的相互作用是解释一切自然现象的基础。

与此同时，古希腊学者亚里士多德也提出了与五行说类似的四元素说，认为地上世界是由冷、热、干、湿四种性质结合而成火、气、水、土四种元素；而天上世界则由另一种神圣的“以太”组成，是不朽和永恒的。

这些朴素的思想，即为物质结构及变化理论的萌芽。

四种元素说一直到18世纪末期都被认为是正确的。

(二)古代的原子论原子学说是由古代希腊哲学家留基伯和他的学生德谟克利特提出的。

由德谟克利特完成并把原子论推向了高峰，他认为世界上的各种物质都由不可再分割的原子组成，物质的千变万化不过都是原子的分离或是重新组合的过程。

原子是多种多样的，但各种原子的本质都是相同的，只是形状与大小不同。

物质的变化过程不过是原子的重新组合，但各原子本身保持不变。

原子是永恒存在的，它既不能创造，也不能毁灭，无限多的原子在无限的虚空中运动着，原子的存在和运动形成了宇宙和各种自然现象。

原子论思想形成了物质结构理论的原始萌芽，具有朴素的唯物主义的思想，对万物进行了质和量的抽象，并把它们统一于原子。

(三)炼丹术和炼金术公元前2世纪或更早在中国出现了炼丹术。

大致在公元8世纪后，中国的炼丹术传到阿拉伯国家，与古希腊哲学相融合而形成阿拉伯炼金术，阿拉伯炼金术于中世纪传入欧洲，形成欧洲炼金术，后逐步演进为现代的化学。

英文中化学一字(chemistry)的字根chem，即源于中世纪的拉丁文炼金术(alchemia)。

炼丹术的指导思想是深信物质的转化，试图在炼丹炉中夺造化之功，人工合成金银或修炼长生不老之药，有目的地将各种物质搭配烧炼，进行实验。

炼丹家在实验过程中发明了火药，发现了若干元素，制成了某些合金，还提纯了许多化合物。

5.1.2近代化学的形成与发展16～18世纪是近代化学的形成时期。

其中最重要的成就是：英国科学家波义耳（R.Boyle,1627～1691年）批判了炼金术，提出了化学元素的科学概念，把化学确立为科学；法国科学家拉瓦锡（voisier,1743～1794年）对燃烧现象进行了深入的研究，推翻了燃素说，提出了科学的燃烧理论。

173(一)科学化学的确立化学作为一门独立的学科是从炼金术的束缚中解脱出来的。

在这一转变过程中，冶金化学和医药化学起到了桥梁作用。

1540年，意大利实用化学家毕林古齐(V.Biringuccio, 1480～1530年)发表了《烟火术》，论述了用火制取各种物质的生产技术，包括非金属矿物开采、提炼和金属矿物的加工、冶炼、铸造等，还包括烟火的制造技术。

1546年，德国医生阿格里柯拉（G.B.Agriocla ，约1490～1555年）发表了《论矿物的性质》一书。

后来又写成了《金属学》一书（该书在阿格里柯拉逝世一年后出版）。

书中总结了当时采矿的实践知识，记述了寻找矿脉、开采矿石、矿石加工、炼制金属产品和分离金属元素的详细过程；论述了贵金属和非金属的分离、检验等方法；论述了化学物品的制备过程，书中配有精美的插图。

医药化学的代表人物是瑞士医生巴拉塞尔斯（P.A.Paracelsus, 约1493～1541年）和布鲁塞尔医生荷尔蒙特（J.B.van Helmont ，约1579～1644年）。

巴拉塞尔斯出生于瑞士，1510年进入巴塞尔大学学习。

后周游欧洲各国，在意大利获得医学博士学位。

巴拉塞尔斯发展了用化学药物医治疾病的观点。

从前人们主要用植物作药，而用无机矿物质治病是一大创举。

为了制药，他进行了许多化学实验，系统考察了许多金属的化学反应过程，并总结归纳出化学反应的一般特征，这在化学发展史上具有重要意义。

荷尔蒙特是一位医疗化学家，他对化学的主要贡献在于他对气体的实验研究和他的元素理论。

他用燃烧的木炭、发酵的葡萄等原料或用硝、金属反应制取生成一种气体（）；通过干馏有机物或从腐烂的有机物中得到可燃气体（、之类的混合物）。

当时荷尔蒙特虽不知道这些气体的化学成分，但他认识到这是一些与“空气”不同的东西，他把这些气态物质称为“气体”（gas ）。

在元素理论方面，荷尔蒙特抛弃了亚里士多德以来的四元素说。

在他看来，火和土都不是物质的基本成分，火根本没有物质的外形，而土可以由水生成；气成分虽然是一种元素，但不能变成其它形式的物质，所以也不是基本组成。

只有水才是所有化学物质的基础。

为了论证“万物源于水”这个古老的哲学命题，荷尔蒙特设计了有名的“柳树实验”。

荷尔蒙特在称过的土中种下一颗柳树，不断浇水，并想办法不使土流失。

五年后柳树长成164磅，而经过干燥后的土的重量基本没变。

所以他认为，新长出的164磅中的木头只能是由水产生的。

他还通过“水玻璃实验”来证明水是组成物质的基本成分。

他通过定量的关系表达了物质守恒的思想。

在化学实验方面的这些成就和他的定量方法使炼金术向近代化学方向迈进了一大2CO 4CH 2H 174步。

真正把化学从炼金术解放出来，使其成为一门独立学科的是英国著名科学家波义耳（R.Boyle, 1627～1691年）。

波义耳出生于爱尔兰的利斯莫尔城堡。

8岁进入英国的贵族学校伊顿公学。

11岁随家庭教师周游欧洲，读到伽利略和笛卡尔的著作。

1654年，波义耳移居牛津，在那里结识了胡克并被收为助手。

1668年波义耳移居伦敦，在那里建立一家私人实验室，埋头从事化学实验，写出了许多实验报告和理论著作。

最重要的化学著作是1661年出版的《怀疑的化学家》，此书标志着近代化学从炼金术中脱胎而出。

作为一名物理学家和化学家，波义耳非常重视实验，并把严密的实验方法引入化学中来；认为自然界万物是由元素组成的，并给化学元素下了清楚的定义。

波义耳通过实验证明，组成万物的元素不是古代自然哲学家或炼金术士们所说的元素，而是指某些原初的和单纯的既丝毫没有混合过的物体，这些物体不是任何其他物体组成，也不是相互组成，而是作为配料，一切完全的混合物都直接由它们化合而成，最终也分解成它们。

他认为化学的任务是研究物体由什么元素构成，能分解为何物，又能化合为何物。

波义耳也因此成为近代化学的奠基者。

(二)氧化理论的建立在波义耳之后，以德国化学家施塔尔（G.E.Stahl, 1660～1734年）为代表，提出了“燃素说”，认为“燃素”是火微粒子构成的火元素，是火的动力。

一切可以燃烧的物质本身都含有“燃素”。

一切与燃烧有关的化学变化，都可以归结为物体吸收燃素和释放燃素的过程。

物体的燃烧过程，就是失掉燃素变为灰渣的过程。

如，用木炭煅烧金属，燃素从中逸出，变成灰渣，灰渣从木炭中吸收燃素，金属重生。

由于它比较好地解释了众多化学现象，似乎符合人们的常识，因而人们对燃素说深信不疑。

燃素说支配了化学家的思想达一个世纪之久。

燃素说作为一种化学理论是错误的，但它比炼金术大大前进了一步。

炼金术是与宗教观念和神秘主义联系在一起的，玄妙莫测；燃素说则要求化学家研究实实在在的物质变化本身，它是作为一种科学假说提出来的。

在燃素说思想指导下，化学家对气体和金属、氧化物和盐类，都作了相当多的研究，推动了化学的发展。

然而，燃素说毕竟是从炼金术中脱胎而来的，这就注定了它不可避免地存在着固有的缺陷，甚至是错误。

它颠倒了化学变化的公式把化学现象的映象当作了原形，把燃烧的现象当成了燃烧的本质。

燃素说极大束缚了人们的思想，制约了新的化学理论的产生。

17518世纪后半叶，随着冶金工业和实验化学的发展，燃素说越来越暴露出破绽：一是没有人看见过燃素，也无法证明燃素的存在；二是金属燃烧后变重了，说明燃素非但没有重量，而且是负重量，不可思议。

燃素说面临挑战。

后来人们陆续发现了氢气、氮气、氯气等气体，尤其是氧气的发现，为氧化理论的建立提供了基础。

最先制得氧气的并对其性质进行研究的是瑞典化学家舍勒（C.W.Scheele，1742～1786年），他曾进行了大量火和空气的实验研究。

1773年左右，他用两种不同的方法制得他称之为“火空气”的气体（氧），并通过实验证明：空气中也含有“火空气”，“火空气”有助于燃烧和一切燃烧相似的过程，“火空气”可以同普通空气相分离。

后来，他还发现了氯、硫化氢、氧化钡、氢氰酸、高猛酸盐等。

虽然舍勒坚信燃素说，总把自己的发现用燃素说来解释，但其实验的结果对于后来氧化说的建立具有很大价值。

1774年，英国化学家普里斯特列（J.Priestley，1733～1804年）用聚焦太阳光加热氧化汞，收集到氧气。

由于他信奉燃素说，就把氧气称为“失去燃素的空气”。

1781年，他还当众表演过用氢气和氧气靠蜡烛火使其合成为水珠的实验，但他仍坚信水是元素，不能正确理解自己所做的实验。

直到他去世的前一年，他还出版了《论燃素说的成就并驳水是化合物的观点》，笃信燃素说至死未变。

舍勒和普里斯特列虽然都独立地发现并制得了氧气，但由于他们都信奉燃素说，造成他们片面、错误地理解判断自己的发现，错失建立新理论的机遇。

但普里斯特列所进行的一系列实验和记录的结果为后来拉瓦锡氧化学说的建立奠定实验基础。

发现舍勒和普里斯特列等人实验中的错误，推翻长期统治人们化学思想的燃素说的是法国化学家拉瓦锡（voisier，1743～1794年）。

拉瓦锡继承和总结了波义耳、普里斯特列等人的研究成果，于1774～1775年间，反复进行了普里斯特列的燃烧实验和波义耳煅烧金属的实验。

他从波义耳的著作中获知，当把铅或锡放在一个内有空气的封闭容器内加热时，它们将变成相应的金属灰，并且重量增加。