在波義耳眾多的科研成果中,還有幾項(xiàng)不能磨滅的化學(xué)成就。波義耳常說,“要想做好實(shí)驗(yàn),就要敏于觀察?!边@幾項(xiàng)成就都是實(shí)驗(yàn)中敏銳觀察的結(jié)果。
波義耳女友去世后,他一直把女友最愛的紫羅蘭花帶在身邊。在一次緊張的實(shí)驗(yàn)中,放在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的紫羅蘭,被濺上了濃鹽酸,愛花的波義耳急忙把冒煙的紫羅蘭用水沖洗了一下,然后插在花瓶中。過了一會(huì)波義耳發(fā)現(xiàn)深紫色的紫羅蘭變成了紅色的。這一奇怪的現(xiàn)象促使他進(jìn)行了許多花木與酸堿相互作用的實(shí)驗(yàn)。由此他發(fā)現(xiàn)了大部分花草受酸或堿作用都能改變顏色,其中以石蕊地衣中提取的紫色浸液最明顯,它遇酸變成紅色,遇堿變成藍(lán)色。利用這一特點(diǎn),波義耳用石蕊浸液把紙浸透,然后烤干,這就制成了實(shí)驗(yàn)中常用的酸堿試紙——石蕊試紙。 也是在這一類實(shí)驗(yàn)中,波義耳發(fā)現(xiàn)五倍子水浸液和鐵鹽在一起,會(huì)生成一種不生沉淀的黑色溶液。這種黑色溶液久不變色,于是他發(fā)明了一種制取黑墨水的方法,這種墨水幾乎用了一個(gè)世紀(jì)。 在實(shí)驗(yàn)中,波義耳發(fā)現(xiàn),從硝酸銀中沉淀出來的白色物質(zhì),“如果 暴露在空氣中,就會(huì)變成黑色。這一發(fā)現(xiàn),為后來人們把硝酸銀、氯化銀、溴化銀用于照相術(shù)上,做了先導(dǎo)性工作。 晚年的波義耳在制取磷元素和研究磷、磷化物方面也取得了成果,他根據(jù)“磷的重要成分,乃是人身上的某種東西”的觀點(diǎn),頑強(qiáng)努力地鉆研,終于從動(dòng)物尿中提取了磷。經(jīng)進(jìn)一步研究后,他指出:磷只在空氣存在時(shí)才發(fā)光;磷在空氣中燃燒形成白煙,這種白煙很快和水發(fā)生作用,形成的溶液呈酸性,這就是磷酸,把磷與強(qiáng)堿一起加熱,會(huì)得到某種氣體(磷化氫),這種氣體與空氣接觸就燃燒起來,并形成縷縷白煙。這是當(dāng)時(shí)關(guān)于磷元素性質(zhì)的最早介紹。 波義耳所以取得這么大的成就,正如他所說:“人之所以能效力于世界,莫過于勤在實(shí)驗(yàn)上下功夫。”
波義耳定律(Boyle's law,有時(shí)又稱 Mariotte's Law):在定量定溫下,理想氣體的體積與氣體的壓力成反比。是由英國(guó)化學(xué)家波義耳(Boyle),在1662年根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出:“在密閉容器中的定量氣體,在恒溫下,氣體的壓強(qiáng)和體積成反比關(guān)系。”稱之為波義耳定律。這是人類歷史上 第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的“定律”。 V是指氣體的體積 P指壓強(qiáng) k為一常數(shù)
這個(gè)公式又可以繼續(xù)推導(dǎo),理想氣體的體積與圧強(qiáng)的乘積成為一定的常數(shù),即:
PV=k
如果在溫度相同的狀態(tài)下,A、B兩種狀態(tài)下的氣體關(guān)系式可表示成:
PA VA =PB VB
習(xí)慣上,這個(gè)公式會(huì)寫成:
p2 =p1 V1 /V2
波義耳定律的偉大意義 波義耳創(chuàng)建的理論——波義耳定律,是第一個(gè)描述氣體運(yùn)動(dòng)的數(shù)量公式,為氣體的量化研究和化學(xué)分析奠定了基礎(chǔ)。該定律是學(xué)習(xí)化學(xué)的基礎(chǔ),學(xué)生在學(xué)習(xí)化學(xué)之初都要學(xué)習(xí)它。
波義耳具有實(shí)驗(yàn)天賦,還證實(shí)了氣體像固體一樣是由原子構(gòu)成的。但是,在氣體中,原子距離較遠(yuǎn),互不連接,所以它們能夠被擠壓得更密集些。早在公元前440年,德謨克里特就提出原子的存在,在隨后的兩千年里人們一直爭(zhēng)論這個(gè)問題。通過實(shí)驗(yàn),波義耳是科學(xué)界相信原子確實(shí)是存在的。 波義耳定律的發(fā)現(xiàn)歷程 波義耳生于伯爵之家,是英國(guó)科學(xué)協(xié)會(huì)的會(huì)員。在1662年科學(xué)協(xié)會(huì)的會(huì)議上,羅伯特·胡克(Robert Hooke)宣讀了一篇論文,論文描述法國(guó)關(guān)于“空氣彈性”的實(shí)驗(yàn)。17世紀(jì),科學(xué)家對(duì)空氣特征產(chǎn)生了濃厚興趣。 法國(guó)科學(xué)家制造了一個(gè)黃銅氣缸,中間裝有活塞,安裝得很緊。幾個(gè)人用力按下活塞,壓縮缸里的空氣。然后,他們松開活塞,活塞彈回來,但是沒有全部彈回來。不論他們隔多長(zhǎng)時(shí)間做一次實(shí)驗(yàn),活塞總是不能全部彈回來。
通過這項(xiàng)實(shí)驗(yàn),法國(guó)科學(xué)家聲稱空氣根本不存在彈性,經(jīng)過壓縮,空氣會(huì)保持輕微的壓縮狀態(tài)。
波義耳宣稱法國(guó)科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)不能說明任何問題。他指出,活塞之所以不能全部彈回來,是因?yàn)樗麄兪褂玫幕钊o。有人反駁道,如果活塞稍松,四周就會(huì)漏氣,影響實(shí)驗(yàn)。
羅伯特·波義耳許諾要制造一個(gè)松緊適中的絕好活塞,證明上述實(shí)驗(yàn)是錯(cuò)誤的。
兩周后,羅伯特·波義耳手持“U”形大玻璃管站在眾會(huì)員面前。這個(gè)“U”形玻璃管是不勻稱的,一支又細(xì)又長(zhǎng),高出3英尺多,另一支又短又粗,短的這支頂端密封,長(zhǎng)的那只頂端開口。 波義耳把水銀倒進(jìn)玻璃管中,水銀蓋住了“U”形玻璃管的底部,兩邊稍有上升。在封閉的短管中,水銀堵住一小股空氣。波義耳解釋,活塞就是任何壓縮空氣的裝置,水銀也可以看作“活塞”。像法國(guó)實(shí)驗(yàn)所期望的那樣,波義耳的做法不會(huì)因?yàn)槟Σ炼绊憣?shí)驗(yàn)結(jié)果。
波義耳記錄下水銀重量,在水銀和空氣交界處刻了一條線。他向長(zhǎng)玻璃管中滴水銀,一直把它滴滿。這時(shí),水銀在短玻璃管中上升到一半的高度。在水銀的擠壓下,堵住空氣的體積變成不到原來的一半。
在短玻璃管上,波義耳刻下了第二條線,標(biāo)示出里面水銀的新高度和堵住空氣的壓縮體積。
然后,通過“U”形玻璃管底部的閥門,他把水銀排出,直到玻璃活塞和水銀的重量與實(shí)驗(yàn)開始時(shí)的重量完全相等。水銀柱又回到它實(shí)驗(yàn)開始的高度,堵住的空氣又回到它當(dāng)初的位置??諝夤嬗袕椥?,法國(guó)科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)是錯(cuò)誤的,波義耳是正確的。
羅伯特·波義耳用玻璃活塞繼續(xù)實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)了很多值得注意的事情。當(dāng)他向堵住的空氣施加雙倍的壓力時(shí),空氣的體積就會(huì)減半;施加3倍的壓力時(shí),體積就會(huì)變成原來的1/3。當(dāng)受到擠壓時(shí),空氣體積的變化與壓強(qiáng)的變化總是成比例。他創(chuàng)建了一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)等式來表示這一比例關(guān)系,如今我們稱之為“波義耳定律”。就認(rèn)識(shí)大氣、利用大氣為人類服務(wù)而言,這一定律是極為重要的。
波義耳的空氣泵
《懷疑派化學(xué)家》1661年出版,《化學(xué)家的故事》,《礦泉的博物學(xué)考察》,《關(guān)于空氣彈性及其物理力學(xué)的新實(shí)驗(yàn)》《關(guān)于火焰與空氣關(guān)系的新實(shí)驗(yàn)》,《形式與性質(zhì)的起源》(1666年,一書總結(jié)了原子論哲學(xué)的要點(diǎn))