初中化學(xué)化學(xué)家有機(jī)結(jié)構(gòu)理論的奠基人凱庫勒

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有機(jī)結(jié)構(gòu)理論的奠基人凱庫勒

凱庫勒

（公元1829～1896）弗里德里希·奧古斯特·凱庫勒是近代化學(xué)史上的一位著名有機(jī)化學(xué)家。他1829年9月7日誕生于德國達(dá)姆施塔特。中學(xué)時(shí)代的凱庫勒已才華初露，，他能講四門流利的外語。法語、拉丁語、意大利語和英語。他特別喜愛鉆研問題，思想深刻而新奇，常常受到老師們的表揚(yáng)，同學(xué)們總愛同他一起探討問題，覺得他對別人的思想有啟發(fā)。他幾乎對一切科學(xué)現(xiàn)象都很感愛好，在各方面都表現(xiàn)出獨(dú)特的才能。寫作方面他別出心裁，常常獨(dú)出心裁；在建筑方面，他表現(xiàn)了驚人的天資。有一位建筑師是他家的世交，他常常教凱庫勒制圖和繪畫，這個(gè)學(xué)生的接受實(shí)力頗使他驚異，當(dāng)時(shí)，在達(dá)姆施塔特市有三幢新建的房子，人們想不到它競是由一個(gè)中學(xué)生設(shè)計(jì)出來的，他的名字就叫凱庫勒。他喜愛學(xué)自然科學(xué)，但當(dāng)時(shí)對化學(xué)并無什么偏愛?？紤]到將來會有更多的收入，父母都主見他將來學(xué)建筑。然而不幸的是，在他中學(xué)畢業(yè)以前，父親就去世了，他只好邊工作邊讀書。

1847年，他考人古森高校學(xué)建筑學(xué)，在高校里，所學(xué)的課程有幾何學(xué)、數(shù)學(xué)、制圖和繪畫。他口齒清晰，具有非凡的演說才能，他談吐鳳趣。擅長很策略地提出重要建議。所以，入學(xué)不久他就成了人們普遍喜愛的活躍人物。

李比希是當(dāng)時(shí)吉森高校里頗受人的欽佩的化學(xué)家，凱庫勒確定親自去聽聽這位聲里很高的科學(xué)家講課。他聽了課之后，感到果真名副其實(shí)。他很快就被這門奇異的、具有強(qiáng)大生命力的學(xué)科所吸引。于是，他立志轉(zhuǎn)學(xué)化學(xué)。此舉遭到了親人們的堅(jiān)決反對，為此，他曾一度被迫轉(zhuǎn)入達(dá)姆施塔特市的高等工藝學(xué)校求學(xué)。但他仍堅(jiān)信，自己將來的前途是從事化學(xué)，別無它路。進(jìn)入工藝學(xué)校不久，他就同因獨(dú)創(chuàng)磷火柴而著名的化學(xué)老師弗里德里?！つ呛罓柦咏饋怼P庫勒在這位老師的指導(dǎo)下，進(jìn)行分析化學(xué)試驗(yàn)，嫻熟地駕馭了很多種分析方法。當(dāng)親人們了解到凱庫勒決心不放棄化學(xué)時(shí)，只好同意他重返吉森高校接著學(xué)習(xí)。1849年秋天，他回到了李比希試驗(yàn)室，接著進(jìn)行分析化學(xué)試驗(yàn)。李比希被這位學(xué)生的堅(jiān)毅意志深深地感動(dòng)了。在他的指引下，凱庫勒從今走上了探討化學(xué)的道路。

為了在化學(xué)方面接著深造，1851年，凱庫勒在叔父的支助下，自費(fèi)去法國巴黎留學(xué)。由于經(jīng)濟(jì)上驚慌，他在巴黎只能維持很低的生活水平。但精力足夠的凱庫勒，全然不顧這些困難，硬是堅(jiān)韌地刻苦學(xué)習(xí)著。他要利甩一切機(jī)會與每一分鐘時(shí)間，充分汲取法國新的學(xué)術(shù)思想和學(xué)術(shù)風(fēng)格。有一天：他從校內(nèi)里的布告牌上得知，著名法國有機(jī)化學(xué)家查理·日拉爾正在講授化學(xué)哲學(xué)課。他隨即跑去聽課，課后他向日拉爾提出了一些相當(dāng)重要的問題，立即引起了這位學(xué)者的凝視。他被日拉爾請到自己的書房里，一起探討。他們談得很投機(jī)，竟遺忘了吃飯。當(dāng)他告辭日拉爾漸漸走回家時(shí)，已經(jīng)是深夜了。在巴黎，凱庫勒過著清苦的生活。每天從早到晚，奔跑在教室與圖書館和宿舍之間。他的收獲很大，駕馭了不少新的試驗(yàn)事實(shí)和探討方法。他抓緊每一分鐘時(shí)間，固為他深知，離1852年春天回國的日子越來越近了。

凱庫勒所寫的第一篇化學(xué)論文，是他探討硫酸氫戊酯的成果。這篇學(xué)術(shù)論文，得到了威爾教授等專家的很高評價(jià)。論文發(fā)表后，1852年6月，高校的學(xué)術(shù)委員會確定授予凱庫勒以化學(xué)博士學(xué)位。

回國后不久，經(jīng)李比希介紹，凱庫勒到阿道夫·馮·普蘭特的私人試驗(yàn)室工作過一段時(shí)間。后來到倫敦的約翰·施但豪斯的試驗(yàn)室工作。施但豪斯試驗(yàn)室的主要任務(wù)，是分析各種藥物制劑，并探討從自然物（主要是植物）中制取各種新藥的方法。這些工作單調(diào)乏味，每天累得精疲力竭，但凱庫勒卻毫無怨言，不知疲乏地探討著。晚上閑下來，就和同事們探討有機(jī)化學(xué)中的理論問題和哲學(xué)問題。他們圍坐在一起，進(jìn)行著激烈的爭辯：象“化合價(jià)”、“原子量”、“分子”等概念，都是多次引起爭辯的話題。

凱庫勒對原子價(jià)問題特殊關(guān)注。他反復(fù)設(shè)想著，二價(jià)的硫和氧是一樣的，因此，假如具備適當(dāng)?shù)臈l件，某些含氧有機(jī)化合物中的氧應(yīng)當(dāng)能被硫原子所取代，不久。他的想法果真得到了試驗(yàn)證明，由此，凱庫勒認(rèn)為原子的“化合價(jià)”概念，可以作為新理論的基礎(chǔ)。原子之間是根據(jù)某種簡潔的規(guī)律化合的。他把元素的原子設(shè)想為一個(gè)個(gè)微小的小球，它們之間的差別只是大小不同而已。每當(dāng)他閉上眼睛時(shí)，就仿佛清晰地看到了這些小球，在不停地運(yùn)動(dòng)著。當(dāng)它們相互接近時(shí)，就彼此化合在一起。在斯但豪斯的試驗(yàn)室里，驚慌而單調(diào)的工作幾乎占去了凱庫勒的全部時(shí)間，他的很多科學(xué)思想、新的假說都無暇去深化思索和進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。因此，他渴望能回到德國去，即使在某高校當(dāng)個(gè)講師，也可以有進(jìn)行自己科研工作的時(shí)間。在1855年春天，凱庫勒離英回國。他先后訪問了柏林、吉森、葛廷根和海德堡等城市的一些高校，但令他悲觀的是，這么多地方都未能使他找到一份合適的工作。于是，他確定在海德堡以副教授的身分私人開課。他的這個(gè)想法得到了海德堡高校的化學(xué)教授羅伯特·本生的支持。凱庫勒租了一套房子，把其中的一間作為教室，將一間改裝成試驗(yàn)室。經(jīng)濟(jì)上完全由叔父支助。

到他這里來聽課的人，最初只有6人；但沒過多久，教室里就濟(jì)濟(jì)一堂了。這使凱庫勒獲得一筆可觀的收入。而預(yù)約登記到他的試驗(yàn)室來工作的實(shí)習(xí)生還在與日俱增。他一邊講課，一邊帶實(shí)習(xí)生做試驗(yàn)，并用全部的空閑時(shí)間接著自己的探討。主要課題還是在倫敦時(shí)起先的有機(jī)物的“類型論”和原子的“化合價(jià)”。資金雖不足夠，但尚可維持探討能不斷進(jìn)行下去。凱庫勒用弄到的各種化學(xué)試劑合成了很多新物質(zhì)，探討了它們的性質(zhì)。他特殊集中精力探討了雷酸及其鹽類，期望搞清它們的結(jié)構(gòu)。

凱庫勒的探討，使原有的幾種基本類型的有機(jī)化合物中，又補(bǔ)充了一種新的類型——甲烷類型。例如把甲烷的四個(gè)氫原子由一價(jià)的基團(tuán)所取代，則可以得到甲烷類型的化合物。在《論雷酸汞的結(jié)構(gòu)》一文中，他闡述了上述結(jié)論。在當(dāng)時(shí)的德國，能理解和贊同日拉爾和歐德林等人的科學(xué)思想的化學(xué)家甚少，而凱庫勒卻補(bǔ)充和發(fā)展了他的類型論。

關(guān)于原子價(jià)理論，凱庫勒曾發(fā)表了《關(guān)于多原子基團(tuán)的理論》一文，他提出了一些基本原理。并對弗蘭克蘭、威廉遜、歐德林等人的某些結(jié)論加以概括總結(jié)，深化地探討了原子間的化合實(shí)力問題，他認(rèn)為，一種元素原委以幾個(gè)原子與另一種元素的一個(gè)原子相結(jié)合。這個(gè)數(shù)目取決于化合價(jià)，即取決于各組分之間親合力的大小。他把元素分為三類：

一價(jià)元素——?dú)洹⒙?、澳、鉀和鈉；

二價(jià)元素——氧和硫；

三價(jià)元素一一氮、磷和砷。

這樣，凱庫勒就闡明白他對化合價(jià)的觀點(diǎn)。在該文中，他還指出在全部的化學(xué)元素中，碳是占有特殊地位的。在有機(jī)化合物中碳是四價(jià)，因?yàn)樗c四個(gè)一價(jià)的氫或氯相結(jié)合而形成CH4、CC14。但是，碳還能生成別的碳?xì)浠衔铩Ｒ虼?，對于含碳的化合物須要特殊加以探討。他的《論含碳化合物的組成和轉(zhuǎn)化，兼論碳的化學(xué)性質(zhì)》一文，不僅論證了碳在有機(jī)物中呈四價(jià)這一特點(diǎn)，還指出日拉爾曾試圖用一個(gè)普遍原理——“雙置換”（或稱”二元置換”）來概括全部的化學(xué)反應(yīng)。實(shí)踐證明，日拉爾的理論是錯(cuò)誤的，因?yàn)橛小靶┓磻?yīng)是由幾個(gè)分子干脆化合成一個(gè)分子。文中凱庫勒還用他嶄新的思想考察了有機(jī)基團(tuán)的組成。他寫道，對于那些含有若干個(gè)碳原子的物質(zhì)來說，應(yīng)認(rèn)為，個(gè)別種元素的原子是依靠了碳對它們的親合力（即化合價(jià)）才能存在于有機(jī)物中。碳原碳與碳原子之間也相互化合，這時(shí)，一個(gè)碳原子的部分親合力（化合價(jià)）被另一個(gè)碳原子的等量親合力（化合價(jià)）所飽合。這在當(dāng)時(shí)大多數(shù)化學(xué)家還不理解化合價(jià)的本質(zhì)時(shí)、凱庫勒的上述思想，也就是關(guān)于碳鏈的新思想的出現(xiàn)是有機(jī)化合物理論的一次革命。

凱庫勒不僅表述了關(guān)于碳鏈的見解，還接連地提出了有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)理論，指出飽和碳?xì)浠衔锏慕M成通式為CnH2n+2

。他還指出，假如用簡潔轉(zhuǎn)化的方法從一種物質(zhì)中制取另一種物質(zhì)，那么，可以認(rèn)為在這類化合物中，碳原子的排列是不變的。發(fā)生轉(zhuǎn)化時(shí)，所變更的僅僅是除碳原子外的別種原子的位置和它們的類型。

1861年起，凱庫勒編著的《有機(jī)化學(xué)教程》一書，分冊接連出版問世。1862年33歲的凱庫勒與照明用煤氣廠廠長的女兒斯特凡尼婭結(jié)了婚。美滿的婚姻使凱庫勒力氣倍增，他以更大的熱忱投入了工作。但惋惜的是華蜜的時(shí)間轉(zhuǎn)瞬即逝。懷孕后的妻子健康狀況令人擔(dān)擾，使凱庫勒特別焦慮。結(jié)果，由于兒子的誕生卻犧牲了母親的生命。凱庫勒沉醉在無限哀思之一。多少親朋好友的勸慰，都未能使他從苦痛中解脫。唯有探討工作，使他在驚慌中短暫忘卻不幸，他集中精力探討起苯及其衍生物。

凱庫勒關(guān)于苯環(huán)結(jié)構(gòu)的假說，在有機(jī)化學(xué)發(fā)展史上作出了卓越貢獻(xiàn)。他早年受到建筑師的訓(xùn)練，具有肯定的形象思維實(shí)力，他擅長運(yùn)用模型方法，把化合物的性能與結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，他的苦心探討最終有了結(jié)果，1864年冬天，他的科學(xué)靈感導(dǎo)致他獲得了重大的突破。他曾記載道：“我坐下來寫我的教科書，但工作沒有進(jìn)展；我的思想開小差了。我把椅子轉(zhuǎn)向爐火，打起瞌睡來了。原子又在我眼前跳動(dòng)起來，這時(shí)較小的基團(tuán)謙遜地退到后面。我的思想因這類幻覺的不斷出現(xiàn)變得更敏銳了，現(xiàn)在能辨別出多種形態(tài)的大結(jié)構(gòu)，也能辨別出有時(shí)緊密地靠近在一起的長行分子，它竹滋繞、旋轉(zhuǎn)，象蛇一樣地動(dòng)著?？矗∧鞘鞘裁?？有一條蛇咬住了自己的尾巴，這個(gè)形態(tài)虛幻地在我的眼前旋轉(zhuǎn)著。象是電光一閃，我醒了。我花了這一夜的剩余時(shí)間，作出了這個(gè)假想?！庇谑牵瑒P庫勒首次滿足地寫出了苯的結(jié)構(gòu)式。指出芳香族化合物的結(jié)構(gòu)含有封閉的碳原子環(huán)。它不同于具有開鏈結(jié)構(gòu)的脂肪族化合物。

苯環(huán)結(jié)構(gòu)的誕生。是有機(jī)化學(xué)發(fā)展史上的一塊里程碑，凱庫勒認(rèn)為苯環(huán)中六個(gè)碳原子是由單鍵與雙鍵交