科学人物

科学人物科普篇(二十一):Robert Bunsen,不畏生死的科学“狂人”!

历史编译稿回顾罗伯特·本生在化学实验、本生灯和光谱分析领域的经历。本生并非诺贝尔奖得主;英文资料来自Famous Scientists。

科学人物科普篇(二十一):Robert Bunsen,不畏生死的科学“狂人”!主题插画

历史编译稿:本文保留原稿的科学人物叙事。英文资料来源为Famous Scientists;具名作者及译者未能从导出稿中核实,原发表日期待核实。

没有防毒面罩,没有高精尖的实验设备,一百多年前的科学家,是如何在简陋的实验室开展研究的呢?

化学家罗伯特·本生(Robert Bunsen)就用他“疯狂”的一生为我们书写了一本活生生的实验室安全指南!

这位“艺高人胆大”的化学家,热衷于研究各种剧毒化学物质:砷酸盐、亚砷酸盐、氯化物等等。他甚至大胆地将两种剧毒化学物质混合在一起合成了二甲砷基化合物,并最终酿成了悲剧:一个盛有二甲砷基化合物的容器发生了爆炸,使他的右眼终身失明!

即使因为化学实验事故变成残障人士,罗伯特·本生也从未停止自己的科学研究。锌碳电池、本生灯、光谱分析法,这一项项伟大发明的背后,都离不开罗伯特·本生“作死”的身影!

1860年,英国皇家学会授予罗伯特·本生“科普利奖章”。在诺贝尔奖诞生(1901年)之前,“科普利奖章”作为科学界的最高荣誉,被授予了许多贡献卓越的科学家!

图1:罗伯特·本生
图1:罗伯特·本生

年少成名的化学天才

罗伯特·威廉·本生(Robert Wilhelm Bunsen)于1811年3月30日出生在德国哥廷根。

他的父亲是Christian Bunsen,哥廷根大学的现代语言学教授和图书馆馆长。他的母亲来自一个军人家庭。

本生在哥廷根接受了小学和中学的教育,并于15岁时前往距离哥廷根约40英里(60公里)的霍尔茨明登文法学校继续学习。

图2:德国哥廷根
图2:德国哥廷根

1828年,17岁的本生开始在哥廷根大学攻读化学、物理学、数学以及一些地质学和植物学课程。1830年,本生因在湿度计方面的研究获奖,并被授予化学博士学位—当时他只有19岁。

本生一直在哥廷根接受教育,直到他因为出色的研究工作获得了一笔政府奖学金,才开始前往欧洲各地游学(学习化学)。1832年至1833年的大部分时间里,本生都在德国、奥地利、瑞士和法国的实验室里学习化学。在法国巴黎,本生还与著名化学家约瑟夫·盖-吕萨克(Joseph Gay-Lussac)一起工作了一段时间。

图3:约瑟夫·盖-吕萨克
图3:约瑟夫·盖-吕萨克

“以身试验”的疯狂科学家

1833年,22岁的本生开始在哥廷根大学担任化学讲师。他已经取得了教授资格,但没有从大学领取工资,而是在辅导学生的同时继续利用化学实验室开展研究。

1834年,本生发表了第一部重要著作:他与医生阿诺德·贝托尔德(Arnold Berthold)合作发现了一种砷中毒的解毒剂。

他们发现在溶解了砷化合物的溶液中加入水合氧化铁,可以使砷化合物以砷酸亚铁的形式从溶液中析出,而砷酸亚铁是一种难溶性的无毒固体。

本生对研究砷化合物非常着迷,作为一名优秀的化学家,在研究这种剧毒化合物之前,他采取了一些预防措施:本生设计了一个带有呼吸管的面罩,帮助他在实验时呼吸到室外的新鲜空气。

然而,砷化合物是一种十分危险的物质,它们会没有任何预兆地在干燥的空气中爆炸。1843年,距发现砷中毒解药的9年后,本生成为了砷化合物爆炸的受害者。一次实验中,一种叫做氰化镉的砷化合物样品发生了爆炸,震碎了本生的面罩,使他的右眼永久失明。

这次爆炸还使本生严重砷中毒,他因九年前发现的砷中毒解药(水合氧化铁)而幸运得救。

图4:砷化合物
图4:砷化合物

1841年,本生发明了锌碳电池(也被称为本生电池),他对昂贵的格罗夫电池进行了改进。格罗夫电池是一种锌铂电池,通常被用来为电报线路供电。生产格罗夫电池需要用到铂金,这使它的成本非常高昂。

本生用廉价的碳取代了昂贵的铂金,使其他曾因成本问题望而却步的研究人员也可以开展电化学工作。

图5:锌碳电池
图5:锌碳电池

本生还开发了一种气体分析的新技术。1838年至1846年间,本生用自己开发的新技术研究了工业生产中释放的气体。他发现,钢铁工业需要通过燃烧木炭产生热量,但是许多木炭并没有被完全燃烧。它们在燃烧不充分的条件下产生一氧化碳,而不是通过有效燃烧形成二氧化碳来产生更多的热量。

为了提高效率,本生建议将燃烧木炭时产生的充满一氧化碳的废气进行回收,通过再次燃烧形成二氧化碳来提供更多的能量。最终,工业界不得不采纳本生的建议,改进了他们的供能方式。

图6:木炭燃烧供能
图6:木炭燃烧供能

本生灯与光谱仪的突破发现

此前,很多化学家和炼金术士已经知道:根据化学物质燃烧时产生的火焰颜色,就可以分析出该物质的化学成分。例如,锂化合物燃烧时会产生玫瑰红色的火焰,而钾化合物燃烧时则产生淡紫色的火焰。

本生通过观察发现:钠化合物燃烧时会产生一种橙黄色的火焰。然而,在化学物质被燃烧之前,火焰本身的颜色可能会干扰实验结果。

因此,本生发明了一种气体燃烧器(也被称为本生灯)。只要在燃烧前以正确的比例将空气引入燃烧器中,就可以产生干净、无烟、几乎无色的火焰。利用气体燃烧器,本生根据火焰颜色分析物质的化学成分时,得到的实验结果比以前更加可靠。

1857年,本生对外公布了气体燃烧器的设计原理,但没有为其申请专利,因为他不希望从科学中获利。

本生设计的气体燃烧器现在不仅被用于火焰实验,还被用于加热样品和对世界各地医学实验室的设备进行消毒。

图7:本生灯
图7:本生灯

本生的朋友(也是他的同事)古斯塔夫·基尔霍夫(Gustav Kirchhoff)对一门新兴学科—光谱学非常感兴趣。

光谱学是利用棱镜将太阳光分成彩虹色光谱的科学,就像艾萨克·牛顿(Isaac Newton)在1666年所做的那样。

许多年后,在1802年,威廉·海德·沃拉斯顿(William Hyde Wollaston)重复了牛顿的实验,并用放大镜观察了太阳光的光谱。他不仅看到了彩虹的颜色,还看到了其中的七条暗线。

1812年,约瑟夫·弗劳恩霍夫(Josef Fraunhofer)观察了一个被放大的太阳光的颜色光谱,看到了500多条这样的暗线。(现在我们知道这样的暗线有3000多条)。

弗劳恩霍夫无法对这些暗线做出解释。

图8:弗劳恩霍夫观测到的光谱
图8:弗劳恩霍夫观测到的光谱

1851年,在布勒斯劳大学,本生第一次见到基尔霍夫,并与他一起工作。1852年,本生在海德堡大学担任化学系主任。1854年,本生邀请朋友基尔霍夫前往他就职的海德堡大学担任物理学教授。此后,他们成为了关系亲密的合作伙伴。

基尔霍夫对光谱学这门新学科很感兴趣,他取得了历史性的发现:太阳光谱中的暗线是由太阳表面大气层中较冷的气体吸收特定波长的太阳光造成的。这些存在暗线的光谱现在被称为“吸收光谱”。

1859年,基尔霍夫和本生把一台分光镜和一个本生灯放在一起,观察本生灯热焰中各种不同物质的光谱。

结果是惊人的!光谱中出现了明亮的线条。化学元素在本生灯的火焰中被强烈加热时,发出了特定颜色或波长的光。这些存在亮线的光谱现在被称为“发射光谱”。

光谱中的线条被认为是化学元素的可靠“指纹”。每种化学元素都会吸收或发射特征波长的光,因此不同的元素有不同的线条(“指纹”)。

图9:铁的发射光谱
图9:铁的发射光谱

化学光谱学的诞生

一门新的学科—光谱化学诞生了!

利用新的光谱分析法,本生和基尔霍夫发现了两种新元素:1860年发现了铯,1861年发现了铷。

光谱化学的魅力在于可以检测到一种物质的微小痕迹,它开辟了一个全新的化学分析领域。

在本生和基尔霍夫公开了他们的发现之后,其他科学家很快就意识到了这项新技术的重要性,并促成了更多新元素的发现:铟(1863)、氦(1868)、铕(1896)、镓(1875)和铪(1922)。

时至今日,光谱学已经涵盖了电磁波谱的所有波长。它是被用来解决大量科学问题的一个非常重要的技术手段,甚至可以被用来对生命体进行分析,例如磁共振光谱学被用来诊断人的疾病。

图10:不同化学元素的光谱特征
图10:不同化学元素的光谱特征

本生是一名亲力亲为的科学家,大量的实验工作都由他亲自完成。

1860年,英国皇家学会授予罗伯特·本生“科普利奖章”(相当于诺贝尔奖);1877年本生还被授予了英国皇家学会的“戴维奖章”。

1899年8月16日,罗伯特·本生于海德堡去世,享年88岁。

图11:科普利奖章
图11:科普利奖章

这是一位将自己献身于科学的伟大化学家!

他终身未婚,全身心投入于科学研究之中;他不顾危险,一次次的“生命冒险”,只为了得到最珍贵的实验数据;实验事故夺走了他的一只眼睛,却不能让他放弃对科学研究的执着追求!

在那个实验设备不够先进、实验室安全规章制度不够完善的时代,正是得益于罗伯特·本生等科学家们不畏生死的努力,人类的科技水平才能大踏步的向前迈进!

致敬罗伯特·本生教授;致敬为科学进步不懈奋斗的科研勇士们!

原文链接:

https://www.famousscientists.org/robert-bunsen/

资料来源:《Famous Scientists》

本文素材部分来源网络,如有侵权请联系删除。

编辑说明

编辑说明:罗伯特·本生(1811—1899)并非诺贝尔奖得主;诺贝尔奖于1901年首次颁发。原稿使用“诺奖人物科普篇”系列名,本次将分类题名更正为“科学人物”。文中的危险实验为历史叙述。

补充参考资料

英国皇家学会:罗伯特·本生档案

诺贝尔基金会:奖项历史

来源与编辑记录

根据博士科普公众号完整历史文章导出恢复。

校订说明:编辑说明:罗伯特·本生(1811—1899)并非诺贝尔奖得主;诺贝尔奖于1901年首次颁发。原稿使用“诺奖人物科普篇”系列名,本次将分类题名更正为“科学人物”。文中的危险实验为历史叙述。

你想了解什么?