亨利·莫瓦桑

亨利·莫瓦桑

莫瓦桑是法國著名化學家,他在1886年製取了單質氟(F2),因此榮獲了諾貝爾化學獎

  • 中文名
    亨利·莫瓦桑
  • 外文名
    HenriMoissan
  • 國籍
    法國
  • 出生地
    巴黎
  • 出生日期
    1852年9月28日
  • 逝世日期
    1907年2月20日
  • 職業
    無機化學家
  • 獲得榮譽
    1906年諾貝爾化學獎

早年經歷

莫瓦桑1852年9月28日,出生在巴黎的一間舊房子裏。在他10歲時,因生活所迫,全家遷到塞納省的一個小村鎮居住,後來,人們為了紀念莫瓦桑把這個小村鎮改名為莫鎮。

莫瓦桑的父親是一位鐵路職工,微薄的收入,勉強維持一家人的最低生活,再無錢供子女讀書。莫瓦桑一直到12歲,方勉強進了國小,放學以後還要幫助家裏做些家務。全家人經常吃最廉價的食品,沒有錢給莫瓦桑買書和文具。但是,這一切都沒有影響莫瓦桑的學習成績,在學校裏,每次考試他都名列第一。很快。老師們都喜歡上了這個貧窮而聰明的孩子。少年時代的莫瓦桑,最喜歡學習化學,他從老師那裏借來了各種化學書,如飢似渴地攻讀,同時,還自己動手做各種化學實驗。但是由于家庭生活十分困難,他被迫離家,到巴黎當了葯店學徒。

莫瓦桑當了學徒之後,仍然堅持刻苦學習。1874年,他通過考試,獲得了中學畢業證書:1877年,他又通過考試,獲得了大學畢業證書和學士學位。他十年如一日長期自學,後來考上了法國著名化學家弗羅密的實習生,這相當于現在的研究生。他還經德勃雷教授的指導,通過了《論自然鐵》的論文答辯,榮獲巴黎大學物理學博士學位。在學習過程中,莫瓦桑從來不滿足于已有的成績,他也不懼怕任何困難,有時連續十幾個小時查閱資料。有一次他在實驗室連續工作30多個小時,不吃不喝。他的同學走進實驗室時,看到他臉色蒼自,眼窩深陷,眼睛周圍出現了一圈黑圈,身子無力地歪在椅子上。“快,把他送回房間吧”他的同學和實驗員七手八腳地把他送回房間,但不到半個小時,他又回來了。“你不要命了嗎?”同學責怪他。“您知道嗎?實驗資料馬上就拿到手了!”莫瓦桑堅定地回答。同學無可奈何,隻好任他去做。

莫瓦桑就是這樣頑強地學習和工作,這一點成了他後來在科學上做出重大貢獻的基礎。

研究方向

亨利·莫瓦桑于1852年9月28日出生在巴黎,曾在市立中學上學,後因家境清寒,中途輟學。由于喜愛化學,二十歲時到巴黎一家葯房學徒,在實際工作中獲得了許多化學知識,並且曾經利用自學的知識救活過一位企圖服砷自盡的人。1872年他在法國自然博物館館長和工藝學院教授雷米法的實驗室學習化學;1874年到巴黎葯學院台赫倫教授的實驗室工作,1877年才獲得理學士學位,後來又取得了高級葯劑師的資格。

莫瓦桑一開始是研究生理化學的,這很符合當時的潮流,即幾乎所有的化學家都在研究有機化學。1876年法國化學家杜馬法為此發表了感想:“我國的化學研究領域大部分為有機化學佔領,太缺少無機化學的研究了。”就在這時,莫瓦桑卻轉而研究起無機化學來。

莫瓦桑的第一項無機化學研究課題是自燃鐵(發火金屬;打火石)的研究。在莫瓦桑之前,德國化學家斯特羅邁耶曾經研究過自燃鐵,他認為這種能夠自燃的物質不是金屬鐵,而是氧化亞鐵。莫瓦桑將氧化亞鐵放在氫氣流下加熱還原,製備了自燃鐵,證明這種能自燃的物質不是氧化亞鐵,而是金屬鐵。

莫瓦桑一生中所獲得的最大成就是利用電解法製得單質氟,解決了一個非常難的問題。早在十六世紀,人們就開始利用氟化物了,1529年阿格裏柯拉就描述過利用螢石(氟化鈣)作為熔礦的熔劑, 它能使礦石在熔融時變得更加容易流動。1670年,著名的玻璃加工工業施萬哈德家族發現,利用螢石硫酸的反應所產生的氣體能腐蝕玻璃,從而創造了一種不用金剛石或其他磨料來刻蝕玻璃的方法,能在玻璃上刻蝕出人物、動物、花卉等圖案。1768年馬格拉夫德對螢石進行了研究,發現它與石膏重晶石不同,指出了螢石並不是一種硫酸鹽。

科研背景

1771年舍勒在玻璃曲頸甑內加熱螢石和硫酸的混合物時,發現玻璃的內壁被腐蝕了。1810年安培法根據氫氟酸的性質,指出其中可能含有一種與氯相似的元素,戴維也得出了同樣的結論。

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德國化學家許村貝格認為氫氟酸中所含的這種元素是一切元素中最活潑的,所以要將這種元素從它的化合物中離析出來將是一件非常困難的事情。1813年戴維曾經嘗試利用電解氟化物的方法製取單質氟。一開始,他用金和鉑做容器,但它們都被腐蝕了。後來他改用螢石製成的容器進行電解,腐蝕的問題雖然解決了,但是也得不到氟,後因身患嚴重疾病而停止了實驗。

接著,喬治·諾克斯和托馬斯·諾克斯弟兄二人利用幹燥的氯氣處理幹燥的氟化汞,他們將一片金箔放在玻璃接受器的頂部。實驗結果證明金變成了氟化金,于是他們推斷反應中產生了氟,但是他們始終收集不到單質氟,也就無法確證他們已經製得了氟,而且兩人都嚴重中毒。

繼諾克斯兄弟之後, 魯耶特也對製備氟進行了長期的研究,最後竟因中毒太深而獻出了自己的生命。不久,法國化學家尼克雷也遭到了同樣的命運。

莫瓦桑的老師弗雷米也是一位研究製備氟的化學家。弗雷米曾經電解熔融的無水氟化鈣、氟化鉀氟化銀,雖然在陰極上能析出這些金屬,陽極上也產生了少量氣體,但是即使他想盡了一切辦法,始終未能收集到氟。看來,在如此高的溫度下進行電解,產生的氟會立即與電解的容器和電極發生反應而消失。他又試驗電解無水氟化氫,但發現它並不導電,隻有電解吸潮的氟化氫液體時,才會有電流通過,但是電解的結果卻隻能收集到氫、氧和臭氧,並未收集到氟。看來,即使產生了氟,也已經與水蒸氣發生反應了。 英國化學家哥爾英也用電解法分解氟化氫,但是在實驗時發生了爆炸,顯然是產生的少量氟與氫氣發生了化學反應。他還試驗過各種電極材料,如碳、金、鈀、鉑,但是碳電極在電解時立即被粉碎,鉑、金、把也遭受不同程度的腐蝕。這麽多的化學家的努力雖然都失敗了,但是他們的心血並沒有白費,而是從失敗中獲得了許多教訓和經驗,為後來製取出氟創造了有利的條件。

年輕的莫瓦桑看到製備單質氟這個研究課題難倒了這麽多的化學家,不但沒有氣餒,反而下了很大的決心要攻克這一難關。戴維曾經預言過:磷與氧之間有極大的親和力, 如果在螢石製成的容器中將氧與氟化磷發生反應,將會獲得單質氟。但是戴維本人並未完成這一實驗,因為當時他還不知道氟化磷的製法。莫瓦桑用氟化鉛磷化銅在一起加熱的方法製得了氟化磷PF3,它是一種氣體。然後讓氧氣和氟化磷的混合物通過電火花,雖然也發生了爆炸反應,但是並沒有獲得預期的結果,得到的不是單質氟,而是氟氧化磷POF3。

弗雷米曾經指出電解可能是製取單質氟的最有效的方法,莫瓦桑認為電解金屬氟化物如果在高溫下進行,不僅存在著許多技術上的困難,而且即使在高溫下生成了氟,它也會全部與電解容器、電極材料發生反應。因此他深信隻能採用低溫電解的方法,而且要用非金屬氟化物代替金屬氟化物。

科學實驗

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莫瓦桑開始用三氟化砷進行電解,三氟化砷在室溫下是一種液體,為了使它導電,他往三氟化砷中加入氟化鉀。但是電解了一段時間以後,就發現電流停止了。經過檢查,發現在陰極上沉積了一層單質砷,使導電能力顯著減弱。後來,莫瓦桑雖然使用了很強的電源,也沒有製出氟,而他本人卻因為砷中毒,嚴重地影響了健康,不得已把實驗暫時停頓下來。

過了不久,莫瓦桑的健康狀況有了好轉,他又開始致力于製取單質氟了。現在,唯一的方案隻有電解氟化氫。莫瓦桑按照弗雷米的方法,在鉑製的曲頸甑中蒸餾氟氫酸鉀KHF2以製取無水氟化氫。他用鉑製的U形管做電解容器;用鉑銥合金做電極,並用氯仿做冷卻劑將無水氟化氫冷卻到-23℃進行電解。在陰極上產生了許多氫氣,但是在陽極並未產生氟。經過檢查,發現裝電極的塞子被腐蝕了。莫瓦桑推測,電解時一定產生了氟,但是它立即與塞子發生了反應,以致未能收集到氟。于是,他改用螢石做成的塞子。最後,許多年以來化學家夢寐以求的理想終于達到了,1886年6月26日莫瓦桑在電解氟化氫時,在陽極部分產生了一種氣體,它遇到單質矽能立即著火,收集到的氟與水發生反應產生臭氧;與氯化鉀發生反應產生氯氣。通過各種化學反應,發現氟具有驚人的活潑性。 由于莫瓦桑不是法國科學院院士,所以他的論文隻能請德布雷代為申請,1886年6月28日德布雷給法國科學院寫了一份簡短的報告,介紹了莫瓦桑的發現,並指出:嚴格的裁判決不會使莫瓦桑的光輝成就稍有遜色。法國科學院為了確認這一發現的真實性,指定了一個審查委員會,委員會的成員包括貝特羅法、德布雷法、弗雷米。當然,莫瓦桑以最細心的準備工作來迎接這一次審查。但是在委員會開會時,他的那套電解裝置竟然出現了前所未有的故障,電解裝置中既沒有電流通過,也不曾製得一點氟氣。貝特羅安慰了這位年輕的科學家以後,這三位化學界的前輩就匆匆地離開了會場。

莫瓦桑並不因此而灰心,因為他已經親手製出過氟,他對自己的發現是深信不疑的。經過幾天的努力,他終于找到了這一次實驗失敗的原因,失誤發生在純製氟化氫的過程。在此以前的實驗中,他蒸餾過的氟化氫中含有氟化鉀,殘留的氟化鉀使氟化氫能夠導電。在這一次實驗中,莫瓦桑仔細將無水氟化氫提純到很高的純度,其中不含氟化鉀,所以不能導電。在弄清了原因之後,莫瓦桑再一次試驗成功,委員會終于確認了莫瓦桑的發現。

榮譽貢獻

為了表彰莫瓦桑在製備氟方面作出的突出的貢獻,法國科學院發給他一萬法郎的拉·卡澤獎金,莫瓦桑用這筆錢償還了實驗的費用。二十年以後,他又因為在研究氟的製備和氟的化合物上卓有成就而獲得1906年諾貝爾化學獎。

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在莫瓦桑離析出單質氟四個月以後,被任命為巴黎葯學院的毒物學教授,同時還建造了一座不大的私人實驗室進行科學研究。1888年他被選為法國醫學科學院院士,1891年被選為法國科學院院士。在這一段時間內,他繼續改進氟的製法,用銅的電解容器代替價格昂貴的鉑製的儀器進行了規模較大的試驗,每小時能產生5升氟。使他有了研究氟和氟化物的條件。他研究氟的提純,將氟通過氟化鈉以除去其中的氟化氫,後來又改用液態空氣冷凝後進行分級蒸發的方法來除去氟中的雜質氟化氫。對于氟的性質作了進一步研究,莫瓦桑指出:如果小心地將其中的水蒸氣除盡,甚至玻璃也不會與氟發生反應,因此可以在短時間內將氟貯存在玻璃瓶內。

莫瓦桑是第一位製備出許多新的氟化物的化學家,他製備了氣態的氟代甲烷、氟代乙烷、異丁基氟。1890年通過碳與氟的反應製備了許多氟碳化合物,其中最引人註目的是四氟代甲烷CF4,它是利用氟與甲烷或氯仿或四氯化碳的作用製得的,沸點隻有-15℃。莫瓦桑的這項工作,可以說使莫瓦桑成為二十世紀合成一系列作為高效的致冷劑的氟碳化合物(氟裏昂)的先驅。1900年製備了氣態的六氟化硫SF6,它的化學性質與氮氣極為相似,將它加熱到比較高的溫度也不會分解,也不與熔融的鹼發生反應。由于六氟化硫的惰性和化學穩定性,已經成為一種優良的氣體絕緣材料。他還先後合成了鉑、鹼土金屬、銥、鎂的氟化物以及五氟化碘IF5和硝酰氟NO2F。他將研究氟的成果編成了<氟及其化合物>一書,是一本研究氟及其化合物的製備和性質的重要資料。

不幸病逝

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莫瓦桑在巴黎葯學院任毒物學教授達十三年之久,1900年任巴黎大學科學學院教授。他一生主要從事實驗工作,因此他的實驗室在當時是設備很齊全的。誰要進入他的實驗室工作,都必須嚴格遵守他的規定。他的實驗室具有非常良好的、清潔的環境,徹底地改變了人們認為化學實驗室是比較髒的這種傳統的偏見。他的實驗室的地板在每星期六都要打蠟,他每次走進實驗室,首先要環視室內,看看是否符合他的要求。有一次,他的學生斯托克德不小心將幾滴水滴在實驗室的地板上,莫瓦桑發現後,立即提出質問:“是誰幹的?”他還非常重視演示實驗,在講授無機化學課程時,討論到每一個元素的性質,總要讓他的助手做幾個演示實驗。

莫瓦桑一生接受過許多榮譽, 除前面提到過的之外,他還得到過英國皇家學會頒發給他的戴維獎章;德國化學會頒發給他的霍夫曼獎金。他幾乎是當時所有的著名的科學院和化學會的成員,但是他卻一直保持謙虛的態度。

1907年2月6日,當莫瓦桑從實驗室回到家裏時,得了闌尾炎,手術雖然很成功,但是他的心髒病卻加劇了。他終于認識到多年以來一直沒有關心自己的健康,他不得不承認:“氟奪走了我十年生命”。1907年2月20日,這位在化學實驗科學上閃爍著光芒的科學家被奪走了寶貴的生命。

他的獨子路易·莫瓦桑在第一次世界大戰時死去,其遺產由巴黎葯學院代為設立了兩種獎金:莫瓦桑化學獎金和路更(亨利·莫瓦桑的夫人)葯學獎金。

人造金剛石

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1891—1892年莫瓦桑研究純硼的製備。在他之前,還不曾有人製得過純度很高的單質硼,戴維利用電解熔融的三氧化二硼製得的棕色的硼,以及蓋-呂薩克、泰納、德維爾法、維勒用金屬鉀還原三氧化二硼製得的硼的純度都不高,唯獨莫瓦桑在氫氣氛下用金屬鎂還原三氧化二硼製得了純度為99%的單質硼。

在製備純硼的同時,莫瓦桑開始研究一個科學界普遍感興趣的問題——人造金剛石。1830年貝採裏烏斯曾經對這一研究課題作出過這樣的評價:認為這是具有和煉金學家一樣的熱情,但是可能是一種幻想的研究。1773年拉瓦錫曾經做過這樣的試驗:將金剛石放在氧氣中燃燒,反應的生成物中隻有二氧化碳,由此證明這種寶石是由純碳組成的。在拉瓦錫做出這個結論之後的一百多年的時間內,並沒有一位科學家解決人造金剛石的問題。莫瓦桑一開始想利用氟代烴的分解反應以製取金剛石,結果得到的都是無定形碳。1890年多布裏通過對含金剛石的隕石和地殼形成過程的研究,指出金剛石必須在高溫和高壓下形成,而且從金剛石晶體的性質考慮,它們可能是在液體中形成的,或者至少是在柔韌的環境下形成的。1892年,在弗裏德爾向法國科學院提出的報告中,指出了他從美國亞利桑那州發現的隕石中找到了許多微細的金剛石。

莫瓦桑也研究了弗裏德爾所提到的隕石和隕鐵,發現其中除了含有金剛石以外,還含有石墨和無定形碳。他還研究了巴西和南非的含有金剛石的岩石,也發現了石墨,同時還發現金剛石礦物中含有鐵。通過這些研究,莫瓦桑形成了這樣的想法:石墨和無定形碳可以作為人造金剛石的原料;金剛石是在含鐵的環境下形成的,它能夠從含碳的鐵中結晶出來。他採用了下述方法:在電爐中,將石墨坩堝中的金屬鐵加熱,使它熔融,而且使熔融的鐵為碳所飽和。然後將石墨坩堝中的熔融鐵傾入冷水中,含碳的鐵在固化時會像水變成冰時一樣,發生膨脹。而且在迅速冷卻的過程中,總是外層的金屬首先固化,等到內部的金屬開始變成固體時,就會在金屬內部產生很高的壓力,在這種條件下,一部分碳就會結晶生成黑色的金剛石。利用不同的酸處理固化的金屬塊,除了金剛石以外,其他物質都被溶解,最後隻留下黑色的金剛石。 1893年2月6日在法國科學院召開了討論這個發現的會議,報紙上登載了這一訊息,這種貴重的寶石居然能夠用比較簡單的方法製備出來的事實很快成為一件新聞,莫瓦桑的名字也開始變成家喻戶曉了。然而,莫瓦桑本人在1894,1896和1905年所做的重復實驗,以及1894—1901年克魯克斯等人對莫瓦桑的實驗進行反復驗證的過程中,毫無例外地隻獲得了很低產量的金剛石,他們提出的唯一能夠證明這種物質是金剛石的證據乃是它在氧氣中燃燒時產生二氧化碳。另外,這種人造金剛石都是黑色的,而且比天然的金剛石要小得多,莫瓦桑製得的最大的金剛石的直徑隻有0.7毫米,所以,盡管他對人造金剛石的研究一直持續到逝世前,具有寶石特徵的便宜的金剛石也並未製出。

莫瓦桑的另外一種比人造金剛石更有實際意義的貢獻是設計製造電爐,使一般化學反應能夠在2000℃下進行,從而開闢了高溫化學這一新的領域,例如製備金屬鈦和使碳升華。碳、矽、硼在常溫下是一些不活潑的元素,但是它們在高溫下幾乎能夠與所有的元素發失反應,生成碳化物、矽化物硼化物,在莫瓦桑製出這些化合物之前,了解它們的人很少。

莫瓦桑研究的金屬氫化物也是前人所罕見的。他用氫氣與相應的金屬發生反應製得了氫化鈣氫化鈉氫化鉀、氫化銣、氫化銫,這些金屬氫化物的性質與鹽相似,所不同的是它們並不導電,而且非常活潑,絕大多數暴露在空氣中會立即著火。

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