材料星故事（一）

刘超

本栏目从这一期开始，将连续刊登多位古今中外在材料科学历史上作出巨大贡献的“材料巨星”们的故事，本期将向读者讲述弗里德里希·维勒，他不仅是“尿素”的首位合成者，更纠正了有机化学与无机化学之间长期存在的认识误区，开启了有机化学发展的“春天”。

在近代化学的发展历史上，长期以来，一直有一个难以打破的观点：有机物来自于有机生命体，而无机物与生命体是无关的，两者间存在着本质的界限，不可因此生彼。而打破这一界限的时间节点在1928年，其关键人物就是德国著名化学家——弗里德里希·维勒 （见图1）。

少年维勒的痴迷

如果没有兴趣使然，很难想象那些卓越的科学家成就的“伟大”，其动力源泉是什么，难道仅仅是依靠天赋和汗水？

1800年，维勒生于德国莱茵河畔法兰克福小镇——埃斯欣姆。小维勒的父亲是当地闻名乡里的医生，名望甚高，备受尊敬。他希望维勒将来也能像他一样做一名受人尊敬且技术高超的医生，继承自己的衣钵，光大门楣。因此，他对维勒的教育十分重视。当维勒刚上小学的时候，他的父亲就经常在维勒的耳边灌输这种期望。

不懂得药物和药理，不会成为一名合格的医生，这也就绕不开要接触化学方面的知识。维勒遵照父亲的叮嘱，除了学好学校规定的课程外，他在业余时间学习化学知识，由此对化学产生了浓厚的兴趣。凡事就怕较真，一旦钻进去，就会“不可自拔”。随着对化学接触的时间越长，维勒对化学的兴趣达到了“痴迷”的程度。每天只要一放学，维勒肯定会第一时间钻进自己的屋子里，按照化学课本上的实验步骤，开始摆弄起烧杯、量杯、坩埚、曲颈瓶等实验仪器。化学实验让维勒找到了自我，沉迷中已经忘记了父亲对他的期望，他不再希望自己将来能成为一名医生，而是更想在长大以后当一名化学家。这显然与维勒医生对他的期望背道而驰。沉迷于化学实验，让维勒医生对少年时期的维勒大为不满，他甚至没收了维勒的化学实验书籍和实验仪器。为此，小维勒经常跟父亲发生“思想上的碰撞”。

维勒医生的一位至交好友名叫布赫，也是一位德高望重的医生。当小维勒与父亲生气时，他经常会跑到布赫医生家里，诉说自己“不可名状的遭遇”。布赫医生年轻时也曾是一位化学迷，而且在学术领域还有一些人脉。当小维勒每次受了委屈找到他时，他就会拿出一些从好友那里获得的关于化学领域最新的信息与小维勒共享。不仅如此，布赫医生家里藏有大量的化学专著和理论书籍，更是让小维勒大开眼界。布赫医生支持小维勒进入到书籍的海洋，像海绵一样吸取知识，还经常与小维勒讨论一些他感兴趣的问题。他很注意对小维勒的启发，针对一个问题总会鼓励他不断地运转大脑，他对小维勒说过一句话：你如果想要成为一名科学家，就应该尽可能地学习更多的知识。这句话深深地印在了小维勒的脑海里。

就这样，从小学到中学，愉快的少年生活转瞬即逝，小维勒即将步入大学的殿堂。这期间，他早已与布赫医生成了无所不谈的忘年交。

因“法老之蛇”而声名鹊起

在维勒20岁那年，他以优异的成绩考入了马尔堡医科大学，虽然维勒自幼酷爱化学，但在选择专业的时候，依然遵从父亲，选择医学专业。然而，大学的繁忙课程并没有让维勒放弃他对化学的执着喜爱，在保证所有专业课保持优异成绩的同时，每天都要挤出时间闷在宿舍学习最感兴趣的化学知识，或者做化学实验。如果有一天没有接触那些化学实验仪器，他甚至会失眠。在这期间，维勒对硫氰酸盐展开了研究，并成功制得硫氰酸汞并揭示了这种物质的一些基本性质。

维勒为了得到自己想要的实验结果，他经常不顾时间的持续进行实验。有一次，维勒将硫氰酸铵溶液与硝酸汞溶液混合，生成了白色沉淀硫氰酸汞，将这些沉淀物过滤后让其慢慢自然干燥。连续的实验已经让他深感疲惫，维勒打算休息一下睡个觉。但是，他闭上眼睛后，满脑子都是实验的过程，越想越清醒，干脆他就起身盯着还未干燥的硫氰酸汞沉淀，等着它慢慢变干。沉淀干燥后，维勒取了少许粉末放在瓦片上加热，当瓦片被烧热后，上面的粉末迅速膨胀，同时劈啪作响。膨胀物呈现黄色，就像是一条从瓦片上突然钻出的蛇，过程异常罕见与壮观。这条形状像蛇的东西则被化学界称为“法老之蛇”（见图2），而硫氰酸汞受热分解产生物迅速膨胀的反应也在化学膨胀反应中最具代表性。为了验证这一现象的可重复性，维勒反复多次进行了这个实验，产物和燃烧后的现象完全一样。随后，维勒将这一实验过程和生成物的燃烧膨胀过程进行了详细描述，整理成论文。他找到“忘年交”布赫医生，向其说明想将这一论文发表的愿望。在布赫医生的帮助下，这篇关于硫氰酸汞如何发生热分解的论文發表在了当年的《吉尔伯特年鉴》上。这篇论文一经发表，就引起了被称为“有机化学之父”、瑞典最负盛名的大化学家贝采里乌斯（图3）的高度评价，他在《年度述评》中对维勒的发现给出肯定且赞许的评价。

名家的称赞，并未让维勒沾沾自喜。为了在化学领域继续有所建树，维勒决定去海德堡大学（图4），拜在被称为“海德堡的贝采里乌斯”的著名化学家列奥波德·格美林的门下。在海德堡大学，维勒见到了慕名已久的格美林教授，当他表明来意并希望格美林教授收下自己为学生的时候，当格美林教授得知维勒学的是医学专业时，果断地拒绝了他。格美林教授说：“您现在在化学方面所取得的成绩和学识，已经超过我所有学生太多，也超过了我讲授课程的范围，没必要再在我的课堂上浪费宝贵的时间。”教授的回答，让维勒大失所望。“当然，您做我的学生，我是不会同意的。但如果您愿意来到我的实验室工作，我会感到十分的高兴。在这里，我相信您能做出更加有意义的成绩。”格美林接下来的话，让维勒如释重负，他毫不犹豫就答应了。当时，格美林教授的实验室是德国国内当时最著名的化学实验室，许多人都视进入该实验室工作为无比骄傲的事情，当然也是维勒梦寐以求的。

就这样，维勒成为格美林教授实验室中的一员。然而，当听说医学专业的维勒进入了化学教授的实验室这件事情之后，海德堡的另一名教授、著名生理学家弗兰德里奇·蒂德曼坐不住了。他认为，维勒是难得的天才，如果不好好学医真是太可惜了。蒂德曼想要将维勒收为自己的学生。2位名师争抢一个学生，在海德堡大学还是未有之事，不仅让全校师生为之惊叹，更是让维勒本人无地自容。在2位教授的协商之下，决定让维勒跟随蒂德曼教授继续学习生理医学专业，跟随格美林教授研究生理学中的化学问题。

大伤脑筋的化学实验

蒂德曼和格美林2位教授的倾囊相授，开启了维勒的化学人生。蒂德曼教授建议维勒：尿液是有机生命体排泄出的重要化学物质，对生理学有巨大的研究价值和学术价值。1823年，经过一年多的钻研，维勒从人尿和狗尿中成功分离出了一种白色晶体，他又在格美林教授的指导下，对这种白色晶体的化学成分进行了分析，测定了晶体中碳、氢、氧、氮的含量，证实就是尿素（图5—6）。他掌握了尿素一些主要的化学性质和在动物机体中的生理作用。同年9月，凭借此成就，维勒在23岁时就获得了海德堡大学的医学博士学位。鉴于维勒对化学的由衷热爱，格美林教授又将他推荐给了瑞典斯德哥尔摩大学的化学大师贝采里乌斯，让“化学巨匠”的光环照耀着维勒在化学之路上继续前行。

贝采里乌斯初识年轻的维勒，就想起来几年前维勒在《吉尔伯特年鉴》中发表的论文，于是对其更加喜爱。因为欣赏，贝采里乌斯对维勒的关怀远超出了其他的学生。在斯德哥尔摩大学（图7），维勒向贝采里乌斯学到了更加具有创新性的试验方法和理论，眼界大开。维勒跟随贝采里乌斯学习了矿物的化学分析方法，熟练地掌握了分析和制取各种元素的新方法，同时开始研究氰酸类物质。一年后，维勒离开了贝采里乌斯教授，回到德国。虽然师生2人相处一年多，但却因为老师对学生的欣赏和学生对老师的敬仰而结下了深厚的友谊，2人虽然时而在学术观点上分歧巨大，但这份友谊却一直延续到贝采里乌斯去世。

回到家乡，维勒在家继续对氰酸类进行研究，他要寻找一种能简便制出氰酸铵的方法。他让氰酸与氨气这两种无机物进行反应，意图直接制取氢酸铵。让维勒诧异的是，两者反应后的生成物不是氰酸铵，经分析是草酸。他怀疑可能是在反应过程中出现了某种差错，进而再次进行试验，结果居然与第一次完全一样，还是草酸！继续反复多次实验，结果依然不变。维勒改用氰酸与氨水进行反应，这是个复分解反应，结果生成了草酸和一些白色结晶体。这种结晶体不会是氰酸铵（因为用这种物质与苛性钾反应，没有放出氨气；与酸反应，也没有产生氰酸）。迫于家里没有更好的实验条件，维勒不能证明这种白色物质是什么，让他大伤脑筋。

过了一段时间，柏林化学和矿物学校的负责人慕名登门拜访，想聘请维勒到学校任教，这所学校虽然不是出名学府，但教学硬件已经在当时的德国名列前茅，实验室的仪器和设备应有尽有。维勒做梦都想拥有一间属于自己的设备完善的实验室，面对巨大诱惑他欣然接受了聘书。

开启化学新时代

直到1928年，维勒终于证实了几年前在自己家里用氰酸与氨水反应生成的白色物质正是他在大学时期从动物尿液中分离出来的尿素。举一反三，维勒还用氯化铵与氰酸银（或以氨水与氰酸铅）反应，都能得到比较纯净的尿素。维勒本意是制出氰酸铵，结果却意外合成了尿素。这次意外虽然没有得到维勒想要的结果，但却意外实现了用无机物人工合成有机物的壮举。在此之前，以其老师贝采里乌斯为代表的一批化学家认为：无机化学定律对有机化学不起作用，人们只能合成无机物，不能合成有机物。这就是在十八、十九世纪生物学界和化学界普遍流行的“生命力论”。而维勒的实验结果打破了这一存在了很多年的论断。

1928年底，维勒以《论尿素的人工制成》为题，將论文发表在了当年的《物理学和化学年鉴》第12卷，引起了化学界的震动。他远在瑞典斯德哥尔摩大学大学的亦师亦友贝采里乌斯看到这篇论文后，断然不信。在他给维勒的信中打趣调侃道：可以在实验室里造出一个孩子来吗？甚至就连维勒在海德堡大学的导师格美林教授都不相信能用无机物能人工合成有机物。

虽然维勒的成绩被许多人质疑，尤其是自己的2位老师，但也得到了不少化学领域的著名科学家的支持。他的好友、同为德国伟大化学家的尤斯图斯·冯·李比希（图8）就坚定地站在维勒一方。2人因在氰酸类物质的研究中同时发现了同一种分子式的不同种结构（即“同分异构体”）产生了共鸣，成为一生的好友。在维勒的启发下，不少科学家尝试有机物的合成：1845年，德国化学家科尔贝人工合成了有机物醋酸，接着人们又合成了葡萄酸、柠檬酸、苹果酸等有机酸；1854年，法国化学家贝特罗人工合成了油脂类物质；1861年，俄国化学家布特列洛夫人工合成了糖类物质等等。以维勒为发端，之后的一系列有机化学合成实验取得了巨大的进展。贝采里乌斯不得不承认维勒等人的成就，横亘在无机化学与有机化学之中多年的鸿沟终于被逾越。到19世纪下半叶，化学家已经合成出了绝大多数的简单有机物，为人类在20世纪合成蛋白质、核酸等生物大分子奠定了坚实的基础。

因尿素的人工合成，维勒瞬时间享誉世界。1836年，德国著名学府——哥廷根大学（图9）聘请维勒担任化学教授；1854年，维勒成为英国伦敦皇家学会会员，法国科学院院士；1872年获得该会的科普利奖。

可以说，维勒一生中的每一个成就，都可以载入化学和材料的史册：成功首次人工合成尿素；发现了“同分异构体”；制备了铝单质；发现了铍、钇元素，并且命名了“铍”；分离出硼；对硅烷和钛及其化合物的基本性质进行了阐述；与李比希一道发现了苯甲酸基团，共同发现了扁桃苷；证明碳化钙与水反应生成乙炔；发现了对二苯酚（氢醌）。

1882年9月23日，弗里德里希·维勒在哥廷根逝世。此时，他所开创的有机化学的人工合成方向，已经成为一股推动有机化学向前发展的巨大洪流。维勒开创了一个有机合成的新时代。1982年，在维勒逝世100年的诞辰之际，德国 （西德）为纪念他特地发行了纪念邮票，以此提醒人们永远铭记他的功绩 （图10）。

参考文献

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