博士刚毕业的新人，如何做出史上最美的化学实验？
时间: 2023-05-29 19:54:48      来源: 知识分子     点击次数:0

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2002年11月，美国化学学会邀请其会员评选 "化学历史上十大最美实验 "。这一评选的结果在2003年8月25日在《化学与工程新闻》杂志上刊登 [1]。排在榜单第二位的，是现代化学之父安托万·拉瓦锡1775年发现燃烧的本质是氧化作用的研究。而排在榜首的是“将酒石酸盐类的光学异构物分离”实验，做出这一发现的是路易斯·巴斯德。

还是在他的学生时代，巴斯德一次在学院的图书馆里看到了1844年法国科学院的《科学院通报》，在其中的一期中有对德国化学家艾哈德·米切利希关于酒石酸研究的奇特发现的简要介绍，做这个简短的介绍的就上面提到的法国化学家让-巴蒂斯特·毕奥。由德高望重的毕奥亲自来介绍的一项研究，无疑有它的独到之处。

那么德国化学家米切利希到底发现了什么呢？

简要地说，就是米切利希发现酒石酸和副酒石酸在重量、化学组成、原子的性质、数量、排列上完全相同，但酒石酸盐晶体提可以让偏振光右旋，而副酒石酸盐晶体却不能让偏振光发生方向的改变。

顾名思义，酒石酸来自于葡萄酒桶内壁的结石（简称酒石），利用酒石生产酒石酸在欧洲已经有了相当长的历史。1820年，法国东部小镇一家工厂在制造酒石酸的时候偶尔得到了一种不一样的物质，科学界将这种物质命名为副酒石酸。

1832年科学家发现酒石酸有一个奇特的属性，就是能够让偏振光向右旋转，做出这一发现的正是法国化学家毕奥。而在1844年，米切利希的发现酒石酸和副酒石酸在诸多物理和化学属性上完全相同，但令人不解的是它们的晶体的光学特性上又存在如此大的差异？

当时还是学院二年学生的巴斯德对这个问题有了兴趣。在他看来，两种物质如果在光学特性上有所不同，那就意味着它们在某个化学特征上存在区别，只是米切利希没有发现而已。

年轻的巴斯德之所以能够在这个问题上有自己的想法，是因为他对这项研究的背景知识的了解，这一领域的研究堪称是是法国科学界的荣耀，而且其中有些科学家还和巴斯德直接相关。

偏振光是法国数学家和物理学家艾蒂安·马吕斯发现的。1808年，马鲁斯在不经意间通过石英双折射棱镜观察了从卢森堡宫的窗户反射的阳光。他惊奇地发现，随着棱镜连续旋转，两条光线交替消失。马吕斯将这种现象命名为偏振，认为这一现象无法用光的波动理论来解释，因此提出光粒子具有极性的观点。因为这一发现，马吕斯被后人尊称为“偏振之父”。遗憾的是，就在做出这一伟大的发现的四年后，马吕斯在37岁时英年早逝。关于马吕斯的发现和传奇，巴斯德是从他的物理学教授普耶那里听来的。

在马吕斯之后，法国科学家在他所开启的道路上继续前进，下一个在这领域做出杰出贡献的，就是上文中提到的化学家毕奥。毕奥先是揭示了石英晶体让偏振光发生旋转的机理，即让偏振光沿着石英晶体的长轴方向穿过；同时他还观察到，有些石英晶体让偏振光像右旋，而有些有着相同厚度的石英晶体则会将偏振光向左旋。在1815年之后，毕奥更是发现不仅矿物晶体能够让偏振光发生旋转，一些有机化合物在溶液状态下也有同样的能力，包括糖、蛋白、还有酒石酸。这一发现将原本纯粹的物理现象推广到了有机化学领域，并进一步和生命现象联系了起来。

除了马吕斯和毕奥的发现，法国科学家在这一领域做出重大贡献的还有矿物晶体学家勒内•阿维和他的学生加布里埃尔•德拉福斯。他们发现石英晶体上的一些小面在方向上有所不同，有的晶体朝向一边，而有些晶体朝向另一边。虽然这一发现听上去并不稀奇，但却为后来巴斯德的成功起到了决定性的作用。而这一现象的发现者之一的德拉福斯，正是巴斯德在巴黎高等师范学院的矿物晶体学教授。

虽然对这个科学问题有自己的观点，但做为学生的巴斯德只能做一些常规的教学实验，并没有自己动手作科学研究。1846年，巴斯德顺利地从巴黎高等师范学院毕业，被教育部分配到法国西南部小镇图尔农的一所中学担任物理学教师。图尔农是一个只有不到五千人的小镇，离巴黎有近五百公里的距离。去那里当一名中学教师，就意味着远离了他所热爱的科学，更不可能去做研究和攻读博士学位。

好在这时候一位教授站了出来对这一决定提出反对，这就是教巴斯德另一位化学教授巴拉德，他在两年前刚刚入选法国科学院院士。在巴拉德看来， 将这样一位有志于科学研究的青年分配到偏僻的小镇教书是一种愚蠢的行为，上进好学的巴斯德至少目前应该继续留在巴黎做研究和攻读博士学位。等到这一过程结束后，再让他去当教师也不迟。

因为巴拉德教授的反对，教育部收回了原先的任命。从此巴斯德就成为了巴拉德实验室里的一名研究助理。1847年夏天，巴斯德把过去一年的研究写成了两篇论文：《亚砷酸的饱和容量的研究--对钾、苏打和氨的亚砷酸盐的研究》和《与液体旋转偏振光现象的研究》，也凭借这两篇论文获得了博士学位。

化学新人的重大发现

没有了毕业和学位的压力之后，巴斯德的科学研究变得更加纯粹，而且在实验室的同事奥古斯特·洛朗的帮助和影响下积累了一些晶体研究的经验和心得。这时他开始制备酒石酸盐的晶体，他采用了和米切利希同样的研究对象：酒石酸氨钠盐。经过了耐心和细致的制备后，巴斯德得到了19个酒石酸氨钠盐的晶体。

在显微镜下，他对这些晶体进行了细致的观察。因为之前知道阿维和德拉福斯的发现，即石英晶体的结构——尤其是上面的小面——和偏振光旋转的关系，巴斯德在这一方面的观察尤其仔细。这样的观察让巴斯德获得了一个特别的结果：这些晶体上的小面全部朝向右方，而酒石酸氨钠正好是让偏振光向右旋转。

晶体结构上的小面朝向与旋光性的奇妙关联这让巴斯德好奇，酒石酸和副酒石酸盐在旋光性上的差异，是否会和晶体上的小面朝向有关？

接下来就是对副酒石酸氨盐晶体的实验，在获得的足够的副酒石酸氨钠盐晶体之后，巴斯德迫不及待地在显微镜下对它们进行了观察。令他感到意外的结果出现了，和酒石酸氨钠盐的晶体上的小面全部朝右不同，副酒石酸氨钠盐的晶体上的小面出现了不同的朝向，大约一半朝右，另一半朝左。

当观察到这一结果的时候，巴斯德对这一领域知识储备再次发挥了作用，这时他想起的是毕奥关于石英晶体旋光性研究中类似的发现：相同厚度的石英晶体的旋光性有些向左、有些向右。

这些联想让巴斯德提出了一个新的假设：副酒石酸之所以没有旋光性，是因为它含有两种不同的酒石酸，分别是能够让偏振光向右旋和向左旋的酒石酸，当这两种酒石酸等比例混合在一起的时候，因为相互抵消的原因就不再表现出任何的旋光性。

为了验证这一大胆的假设，需要将副酒石酸氨钠盐中的两种不同结构的晶体分开，然后分别溶解到液体中，看看他们是否真的能够让偏振光发生向右和向左的旋转。

接下来的工作就是细心地在显微镜下查看副酒石酸氨钠盐晶体的结构，按照上面小面的朝向将晶体分成两组：朝右和朝左。细心地在显微镜下挑选出这两组晶体后，然后将它们分别溶解，最后检测它们的旋光性。

这时候后出现在巴斯德眼前的，是他预料中的奇迹：小面朝右的晶体溶液让偏振光发生右旋，而小面朝左的晶体溶液让偏振光发生左旋。

这一发现让巴斯德陷入了无比激动之中，但谨慎的他先把这种激动压制了下来，他要做最后一个实验来进一步验证自己的假设，就是将这两种溶液等比例混合，然后再检测混合溶液的旋光性。这个快速实验的结果再次如他所料，混合后的溶液旋光性消失了。

实验的成功让巴斯德心中的激动爆发了，他在狂喜之中冲出了实验室。在大楼走廊上拥抱了一位并不熟悉的同事，大声地向他宣布：

“我刚刚做出了一个重大的发现,我是如此的激动!”

他接着冲出了大楼，在五月初乍暖还寒的空气里，兴奋得像发现了浮力原理阿基米德，在周围人群诧异的目光中，手舞足蹈地奔跑……

巴斯德第一时间把结果告诉了实验室的主任巴拉德，然后由巴拉德向法国科学院做了汇报。当年的毕奥已经74岁，但依然工作在科研一线，在巴黎理工学院拥有自己的实验室，也坚持参加各种学术会议。在听到巴拉德的介绍后，毕奥很难相信在这一难题会被一个刚刚踏入科研生涯的青年轻松地化解。在认真地向巴拉德问询了细节之后，他提出要见见巴斯德。

当年26岁的巴斯德被带到了毕奥面前，这位进入了古稀之年的化学家比巴斯德预想的要严肃得多。在向巴斯德询问了所有的实验细节后，毕奥提出要巴斯德在他的面前重复一次这个神奇的实验。

为了实验的严谨，毕奥将实验放到自己的实验室里进行。毕奥提供了没有旋光性的副酒石酸，同时还准备了苏打和铵盐，然后让巴斯德利用这些材料在他面前制备了副酒石酸氨钠盐溶液，接下来这个溶液被放在毕奥的实验室里慢慢结晶。

等到溶液里有了三四十克晶体的时候，巴斯德被再次叫到了毕奥的实验室。毕奥让巴斯德在他面前将他发现的两种不同的晶体分离出来，将其中有带有向左旋光性的晶体放在他的左侧，带有向右旋光性的晶体放在他的右侧。

就这样，巴斯德又一次坐到了显微镜跟前，他开始仔细地对晶体逐个地查看，然后按照毕奥德要求将它们放在相应的位置上。等到晶体分类的工作结束后，毕奥没有再让巴斯德继续将晶体分别溶解和做旋光性的检测，他让巴斯德站在一边，然后亲自来完成接下来的步骤。

老院士毕奥的这种谨慎是公正的，科学真理的特点就是能够经得起检验，由同行来重复实验就是最好的检验。

毕奥亲自开展的实验确认了巴斯德的发现，在亲眼看到巴斯德分离出两种晶体分别被检测出带有向右和向左的旋光性的时候，老毕奥脸上严肃的表情消失了，他抓住巴斯德的手，深情地说：

“我亲爱的孩子，我对科学是如此的痴爱，这个实验深深地打动了我的心。”

在经过最严格的检验之后，毕奥对年轻的巴斯德给予了最高级别的尊重。自从他在1815年发现有些有机化合物带有旋光性以来，他就坚定的认为这是一个非常值得研究的领域，并且不断呼吁同行来关注和研究。虽然他在当时的化学界具有无与伦比的崇高地位，却很难推动这一前沿领域的进展。而现在，站在他面前的这个不到26岁的青年，突破了这一难题，为这一领域的研究打开了大门。

1848 年 5 月 22 日，巴斯德在法国科学院宣读了这一发现，并以《关于晶体形态和化学成分之间可能存在的关系以及它做为旋转极化原因的备忘录》为题发表在《科学院通报》上[4]。

这一年巴斯德不到26岁，就是他坐在显微镜前将副酒石酸氨钠盐中两种晶体一个个细心地分开然后通过检测它们的旋光性的时刻，年轻的他开创了立体结构化学的先河，成为了这一领域的奠基人。

一百五十多年后，巴斯德的这项研究被美国化学学会评为了史上最美的化学实验，虽然这个评选带有一定的主观性，而且最美的实验也不意味着是最重要的科学发现，但美国化学会给出的理由是最好的注解：简洁优雅，但意义重大。

1.Michael Freemantle “Chemistry at Its Most Beautiful” C&E News, 2003, 34, 27-30

2.René Vallery-Radot, The Life of Pasteur,New York, 1915. 

3.René J. Dubos: Louis Pasteur. Free Lance of Science. Little, Brown and Company, Boston 1950.

4.L. Pasteur (1848) "Mémoire sur la relation qui peut exister entre la forme cristalline et la composition chimique, et sur la cause de la polarisation rotatoire"  Comptes rendus de l'Académie des sciences (Paris), 26: 535–538.