一系列出色的科普讲座使戴维声名鹊起,1803年,他发表的一篇关于鞣革[10]技术的论文又巩固了他学者的地位。1804年,戴维入选皇家学会;1806年,他受邀在学会举办贝克讲座[11]。皇家学会专业讲座的受众和科普讲座可大不一样,会有许多国际知名的大学者光临。不过,27岁的戴维毫不怯场,除了他一贯自信以外,最重要的是在电化学领域,他已经积累了充分的研究成果,正适合找一个机会公之于众。
1806年的贝克讲座,他果然取得了成功。瑞典大化学家贝采里乌斯盛赞戴维的这篇演讲是“丰富了化学理论的最出色的研究报告之一”。戴维究竟讲了什么,获得了如此高的评价?原来戴维大胆地提出了一个观点:化学亲和力的本质是一种电力。
自古以来就有化学亲和力的概念:有些物质之间容易化合,有些则不易化合,这个概念要说明的无非是这件事。按照传统微粒论观点,组成万物的微粒的大小、形状不同;波义耳曾做过一个“锁和钥匙”的比喻,认为化学亲和力反映了两种微粒在结构上的“适配性”。但总体上看,这样的解释不尽如人意,拉瓦锡就觉得,当时涉及亲和力的理论,都没有充足的实验证据来支撑。现在戴维公布了一系列用电使物质分解的案例,勇敢地对亲和力的本质提出猜测,怎能不引起轰动?
戴维大胆假设,小心求证,在演讲中,进一步提出了检验他思想的实验方法:“如果化学结合具有大胆设想的这种特性,不管元素的天然电力有多么强,总不能没有限度,而人造仪器的力量似乎能无限地增大。希望新的方法(电解)能够使我们发现物体中真正的元素。”
什么叫“真正的元素”?拉瓦锡指出,古往今来的元素理论没有一个特别合适的,于是,他给出了元素的一种现代定义:如果一种物质用化学方法不能进一步分解,我们就叫它“元素”。但这种定义暗含推翻过去知识的潜力,随着化学实验室里的仪器不断增多,原先无法分解的物质,可能会在新的化学方法作用下分开,从而得到“真正的元素”。汉弗莱·戴维正是要做这样的事。
戴维想要分解的第一种物质是苛性钾(氢氧化钾)。皇家研究院里的伏打电堆,能找到的全被他找了过来,以便提供强大的电流。[12]
干燥的苛性钾固体是不导电的。一开始,戴维用苛性钾饱和溶液进行电解,结果发现只有溶液中的水分解了,此路不通。他改变思路,将苛性钾放在一只白金勺中,加热熔化。电池的一极接在白金勺上,另一极接了导线,导线伸入熔融的苛性钾中。
电解池分阴、阳两极:与电源负极相连的一极叫阴极,另一极叫阳极。现在我们知道,钾离子带有正电,会与阴极上的负电荷结合,还原成钾单质。这个实验中两个电极分别是白金勺、导线,这样看来,戴维只需要先接通电流,再观察阴极现象,就能“守株待兔”了。但事情真的如此简单吗?
导线作阴极时,一道火柱自导线与熔碱接触的一点升起,强光炫目,令戴维激动万分;但冷却下来,好像没有生成什么产物。综合思考这些现象,戴维判断:苛性钾的确分解了,但分解产物一生成出来又立即烧掉了。
现在的局面,真是水攻不行,火攻也不行,科研中这样的困难是常事。还有怎样的办法,让苛性钾变得可以电解呢?1807年10月6日,戴维灵光一现:将苛性钾在空气中暴露片刻,待表面吸收一点空气中的水分,不就具备了导电能力吗?他马上招呼助手准备实验。
这回他们用一个白金制的小盘换掉了之前的白金勺,作阴极。接通电流后,苛性钾开始熔化。只见盘底产生了带有金属光泽的、酷似水银的颗粒,有的颗粒一生成便炸开了,产生光亮的火焰;还有一些则完整地保留了下来,表面渐渐蒙上一层白色的薄膜。
这便是戴维苦苦寻求的钾单质了。据助手说,戴维看到了这一惊人的发现,欣喜若狂,竟然在屋子里跳起舞来。
戴维迅速将他的研究成果整理成文。时间十分紧迫,距离1807年的贝克讲座(仍然由他主讲)只有一个半月了!事实证明,他如期写完了稿件,在讲座上将自己的新发现公布了出来。这场讲座让他成为当时最有名的化学家。
运用电解法,戴维证明了拉瓦锡元素表上列出的多种“土”元素,其实都可以进一步分解。在不到两年的时间里,他运用这一方法,接连发现了7种新元素。
发现新元素的轰动效应,促使贝采里乌斯将戴维提出的亲和力观点系统化,提出了物质是由阴阳离子组成的理论,这就是“电化二元论”。当时认为这种思想解决了几百年来的化学亲和力问题,戴维也一度被誉为化学界的牛顿。后来发现,“电化二元论”用于解释简单无机化合物的性质尚可,到有机化学里根本不管用。因此,与当年相比,戴维的名声如今稍稍黯淡下来,但作为从自然界中发现化学元素最多的人,他仍将被我们铭记。
[9]这里指皇家研究院的首任讲师托马斯·加尼特博士,他的讲座风评不佳。
[10]鞣革:指制造皮革。
[11]贝克讲座:皇家学会为了纪念博物学家亨利·贝克(Henry Baker)而每年举办的讲座。
[12]戴维的实验流程看似并不复杂,但无论是强大的电流,还是有腐蚀性的苛性碱,不慎接触都会对人体造成伤害。请勿自行尝试。