追求化学之“美”
美不仅存在于文学艺术,,大自然之中,更存在与严谨的自然科学——化学之中[1]。化学-变化之学,生活中的一切都与化学息息相关,正所谓“一花一世界”,小小的原子包含了世间万物,构成了这个美丽的世界。化学之美的缩影是合成的科学和艺术,这是化学科学的核心活动,是这个物质世界的重要组成部分[2]。化肥的合成是人类社会发展史上必不可少的,人口的剧增推动了农业的发展,同时农业的不断发展又推动了人口的增长。据已有资料记载,化肥对粮食的增产作用的大概在44%左右[3]。可以说,正是因为化肥的增产作用,地球上的人类才避免掉入马尔萨斯陷阱[4]。作为人类早期施加的化肥——尿素为这一切做出了巨大贡献。
美的萌芽
“美即真理,真理即美。”[5]纵观历史,每一代大家都是被自己所热爱领域的美所吸引,沉溺其中,无法自拔。历史上第一个合成尿素的化学家——弗里德里希·维勒也是如此。试剂、烧杯、曲颈甑陪伴在他左右,他的四周寂静下来,科学的美散发出理性的光辉,一颗实验的心完全沉浸。白衣少年,除了对化学的热爱,一无所有。维勒的父亲是当地小有名气的医生,他固执的希望儿子学医。然而维勒从小就被化学的美妙变化所吸引,看着试管中不同化学物质产生的奇妙颜色变化,维勒深陷其中,从此开始了他这一生对这种“美学”的追求。他中学时就通读了哈金的《实验化学》,偷偷拿走父亲的化学药品。然而父亲认为他不务正业,没收了他的书,对维勒狠狠的批评教育了一顿,但维勒始终没有放弃,在父亲的威迫下,维勒前往马尔堡大学学医,但他对化学的一腔热爱始终没变。他的宿舍就是他的实验室,终于,在他的不断努力下,得到了化学家格麦林的赏识,维勒从此突飞猛进,积累了大量的化学知识。
人工合成尿素
1824年,在维勒又一次的制备氰酸铵的过程中,他在氰酸中倒入氨水中,用火慢慢加热,维勒痴迷地看着混合的溶液在高温的作用下慢慢挥发,不禁感叹“多么美妙的化学变化!”由于蒸发的过程太慢。维勒一边加热,一边忙着把瑞典带回来的化学文献议成德文。临睡前他停止了加热,清晨醒来时,当一束光照到了烧杯时,里面的针状晶体发出绚丽的光彩——和他以前制备出来的氰酸铵晶体完全不一样。尽管维勒的直觉告诉他,这就是他之前从尿液里面分离出的尿素,但是当时的化学界被活力论所统治着,认为有机物只能在生物体内受到一种神秘的生命“活力”作用才能产生。他认真的分析了这种白色的物质,证明了它不是氰酸铵。因为它与苛性钾反应,并不放出氨,它与酸反应,也不能产生氰酸。因此,维勒肯定,他发现了一种与氰酸铵不同的新物质。那么,这种白色粉末状晶体究竟是什么呢?
探索“美”
限于当时的实验条件,他未能证明他所合成的物质是什么。他渴望有一个条件较好的实验室,为此,他毅然受聘到柏林工艺学校去任教。尽管那里的工资待遇不高,居住条件也比较差,但他满意那里有一个设备齐全的实验室。到1828年为止,他一直在这里工作,使用了当时最先进的实验分析方法,证实了他早在四年前在家乡发现过的白色晶状物质正是尿素。
纵观维勒合成尿素的过程,不正是创造过程四个阶段[6]淋漓尽致的体现吗?维勒多年积累下来的丰富的化学专业知识;无意之间制备出来的白色物质;再到冥思苦想,无法证明;最后毅然远去他乡,历时数年,证明了自己的发现。自此以后,经过不断的发展,尿素的合成工艺和方法也越来越成熟,人类逐渐走出了吃不饱的时代。正是因为“尿素”的人工合成,我们这个地球村才能承受这么多人口。维勒的一生都在不断的探索化学世界,追寻着化学之美。静,能寒窗苦读;动,能化生万物。六十载春秋风华,四十年沥血著书,他的一生仿佛一部化学大纲。
化学家们用在他们制造的分子上的“美”的标准是一种柏拉图式的本质:它通常以高度对称的方式来识别美。柏拉图在他的书《蒂迈厄斯》中清楚地表达了他的感受,即自然之美与秩序和规律有关。可以把对称的、“美丽的”分子看作艺术品具有一种“艺术性”[7]。正是因为化学家们对这种“艺术”的不断追求,对自己所在领域的美的不断探寻,我们今天才能享受到如此便利的生活。
参考文献
[1] 张.J. 教育. 让学生在化学学习中发现"美" [J]. 2019, 000(006): 58.
[2] A. Jogalekar. Truth and beauty in chemistry [J].
[3] 冯学民, 蔡徳利, 张.J. 黑龙江八一农垦大学学报. 化肥在持续农业中的地位及科学施用 [J]. 2002, 04): 1-4.
[4] 赵.J. 世界经济情况. 马尔萨斯陷阱、人口转变与经济腾飞 [J]. 2008, 12): 82-6.
[5] J. Keats, J.D.P.S.J. neophilologus. Ode on a Grecian Urn [J]. 1958,
[6] 刘仲林. 科学臻美方法 [M]. 科学出版社, 2002.
[7] P. Ball. Elegant Solutions:Ten Beautiful Experiments in Chemistry [M]. 2005.
(作者:栗子豪 中国科学技术大学 长春应用化学研究所)