【十大美丽化学实验】专文03 巴斯德召唤光之美

2020-06-12 作者: 围观:185 12 评论


【十大美丽化学实验】专文03 巴斯德召唤光之美

左旋,右旋,此其为掌性。(插画/牧猫人)

这是微生物学之父巴斯德(Louis Pasteur,1822-1895)年轻时候的故事。

巴斯德在法国乡下一个叫作多尔(Dole)的小镇出生。在他三岁那年,全家迁至阿伯瓦(Arbois)定居。父亲是皮匠,收入不多,但尽可能帮助他学习,母亲也很努力地鼓励他追求知识,供予他完善的教育。

起初他在学校表现普通,但很爱问问题,凡事追根究底,甚至因此成为某些老师的眼中钉。就这样不断地发问、学习,对化学、物理和艺术都有深厚兴趣的巴斯德渐渐变成优秀的学生。

当他从法国高等师範学校(l’École normale supérieure)毕业,考官发现他有教授化学和物理的能力,甚至还说:「这届毕业生中只有巴斯德有教育上的才华。」他很快就收到图尔农中学(le Lycée de Tournon)物理教师的约聘书。这对巴斯德来说是令人沮丧的消息,他想在巴黎作科学研究。于是他尽可能拖延赴职时间,计画在高等师範学校多待一年,并写信给巴黎中央理工学院(l’École centrale)的创办人之一杜玛(Jean-Baptiste Dumas,1800-1884)寻求在巴黎任教职的机会:

「敝校考官会在三年级评估学生的能力,而他们对我的评语,让我可以自信地告诉您:我能够清楚、热情地教导科学。我向您保证:这个请求和金钱无关,仅仅是希望能够和像您一样被科学界敬仰的人物连繫。我此生最大的希望就是将生命奉献给教育……」

杜玛终究没有帮助巴斯德。不过这件事被巴莱(Antoine Jérôme Balard,1802-1876)知道了。巴莱年轻时发现溴元素,名气很大,他决定帮助巴斯德留在巴黎。就这样,巴斯德在二十六岁那年,进入巴莱的实验室当博士班研究生,也暂时不用去图尔农中学担任物理教师。

巴莱认为自己的研究生涯已告一段落,想把所有的精神放在学生上,也给予他的学生很大的自由,任凭他们选择学习的方法和方向。他注重学生的原创力和想像力,不希望他们使用既有的实验器材,如果他们必须使用器材,只能自行设计。为了待在巴莱的实验室,巴斯德欣然接受这个特别的要求。

「酒的味道有如诗」

巴斯德在巴莱的实验室确认自己想成为化学家。当时晶体的研究开始蓬勃发展,巴斯德也很有兴趣,认为晶体的研究是「有用的科学」,可以补足拉瓦锡(Antoine-Laurent de Lavoisier,1743-1794)等较早期化学家比较缺乏的分子结构、分子组成的理论。

巴斯德喜欢酒,从啤酒到葡萄酒都爱。他曾说:「酒的味道像精緻的诗」、「仔细想想,酒其实是最健康、乾净的饮品」。他注意到製酒时酒石酸(tartaric acid)的晶体会在酦酵过程中沉积,于是选择酒石酸盐类当研究题材。其实在酦酵桶槽沉积的不只有酒石酸,还有在当时被称为类酒石酸(paratartaric acid)的沉积物。碰巧酒石酸和类酒石酸的分子式刚刚被定出来,而且竟然一模一样!这是令人难以信服的事情──因为酒石酸溶液和类酒石酸溶液特性大不相同,极化光通过酒石酸溶液会产生右旋光,通过类酒石酸溶液则什幺事也不会发生。

为什幺分子式一模一样的化合物会有截然不同的光学特性?

当时有位德国化学家米切利希(Eilhard Mitscherlich,1794-1863)表示:「真令人困惑,它们的原子数和相对距离完全一样!」并写信和光学权威毕欧(Jean-Baptiste Biot,1774-1862)讨论这个问题。毕欧认为这个问题很有趣,连忙重複自己的酒石酸盐类实验,但没有获得新的结论。对结晶很有热忱的巴斯德当然也听说这个问题,他觉得困扰:酒石酸和类酒石酸在当时被认为是很熟悉的化合物,已经作过非常多实验了,几乎不可能有更深入的理解,然而米切利希指出的问题颠覆他对分子的认识和想像!其中一定有被大家忽略的地方,必须找出来。

左旋与右旋

巴斯德决定仿傚他先前作过的石英结晶实验,运用他化学和物理的知识,来解决这个问题。他以惊人的直觉,假设这里的问题和不对称性有关,然后用镊子慢慢挑出酒石酸盐类结晶。细心的观察结果发现:酒石酸盐类结晶有一面较长,不是完全对称的,也因此通过酒石酸溶液的极化光会产生右旋现象。这个发现符合巴斯德的假设,所以他并不感到意外。

巴斯德接着假设:类酒石酸盐类晶体应该是对称的,也因此通过类酒石酸溶液的极化光才不会改变。然而当他将类酒石酸盐类结晶挑出来观察,却吓一大跳!类酒石酸盐类结晶和酒石酸盐类结晶一样,都有一个较长的、不对称的晶面。

原以为解开谜底的巴斯德再次陷入困惑之中。为什幺酒石酸盐类结晶和类酒石酸盐类结晶都有不对称的晶面,但前者有光学活性,后者却没有?他想了想,只能更大胆地假设:某些结晶较长的晶面在左边,某些结晶较长的晶面在右边,只有这样,才可能解释为什幺类酒石酸盐类结晶具有不对称的晶面,却没有光学活性。

想到这里,巴斯德兴奋地重新检视类酒石酸盐类结晶。果然!他发现其中有些晶体较长的晶面在左边,另外一些则在右边,就像左手和右手,像本体和镜像。当他把所有较长的晶面在左边的晶体一一挑出、溶解,然后将溶液通过极化光,即产生左旋现象;而若将所有较长的晶面在右边的晶体挑出、溶解,然后将溶液通过极化光后,即产生右旋现象。换句话说,类酒石酸溶液不具有光学活性,是因为它是混合物,同时具有左旋和右旋的光学特性,互相消弭所致。

让前辈先瞧瞧

巴斯德以他极其细心的观察力,小心实验、大胆假设,解决米切利希提出的问题。他自然欣喜若狂,想立刻发表研究成果,但是他的指导老师巴莱建议他应该先请教年长巴斯德半世纪,研究光偏振多年的毕欧,较符合当时法国科学界的礼俗。

谨慎的毕欧知道巴斯德的实验后,决定在拥护巴斯德的发现之前,亲自重複这个实验。当他最终获得相同的结论,毕欧激动地对巴斯德说:「亲爱的孩子,我这一生热爱科学,这个结果撼动我的心。」从此,毕欧屡屡给予巴斯德实验上的建议,也成为他重要的良师挚友。

巴斯德的成功确实有运气的成分,历年来许多化学家重複巴斯德的实验,想找出影响实验的每个细节。巴斯德到底有多好运呢?在酒石酸盐类中,酒石酸铵钠是惟一可以形成肉眼即可分离的晶体,而酒石酸钠、酒石酸钾、酒石酸锑钾都只会形成单一种晶体;再者,巴斯德是在寒冷的巴黎进行这项实验,若环境温度超过摄氏 26 度,同样也只会形成单一种晶体。

许多教科书上提及巴斯德利用镊子配合放大镜挑选晶体,但巴斯德的纪录并未明确记载。晶体的差异真有大到凭肉眼即可分辨吗?日本中崎教授重複检验这个实验,发现控制良好的晶体成长环境,甚至可长出不用放大镜也可分辨的晶体。不过中崎教授表示,需要相当多次的尝试,才能再现巴斯德的成果。这说明巴斯德的实验纵然有部分来自机运,但他丰富的知识与严谨的态度才是引领至成功的关键。

 

参考资料:

1. Vallery-Radot, Rene. “The Life of Pasteur”. Montana: Kessinger Publishing, 2003.
2. Debré, Patrice. “Louis Pasteur”. Maryland: The Johns Hopkins University Press, 1998.
3. Keim, Albert, and Lumet, Louis. “Louis Pasteur”. New York: Frederick A. Stokes Company, 1914.

 

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文字提供自台湾大学科学教育发展中心本文亦刊登于《科学研习月刊2011年1月号

系列文章介绍的实验名单灵感来自英国皇家化学会(Royal Society of Chemistry)2005选出的十大美丽化学实验。
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