那些彻底改变化学的玻璃器皿

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对于化学专业的小伙伴来说,Arndt-Eistert反应、Baeyer-Villiger氧化、Beckman重排这些人名反应或已耳熟能详。但是对于化学研究中的玻璃器皿,大家知道它们的来历吗?Erlenmeyer锥形瓶、Berzelius烧杯、Liebig冷凝管因何得名?这些以人名而命名的玻璃器皿背后,同样蕴含着化学先驱们的传奇故事。


毫无疑问,玻璃在许多学科领域都发挥了关键作用。例如,玻璃透镜彻底改变了天文学和生物学,没有它们的帮助,科学家就不可能仰望浩瀚的星空,亦不可能探索微观的世界。同样,玻璃对化学研究的贡献也是革命性的。日前,美国科学史专家Michelle Francl 教授在Nature Chemistry 上撰文,畅谈玻璃如何彻底改变了化学

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在普通大众心目中,化学家和玻璃器皿有着千丝万缕的联系。如果你让一位小学生来画一副他(她)心目中化学家,十有八九他(她)会画一个穿着白大褂的人,手里拿着一个玻璃烧瓶或者试管,里面装着色彩鲜艳的溶液,或许还在冒着烟雾。今年还是“联合国国际玻璃年(UN International Year of Glass)”,各位不妨拿起手边的玻璃烧瓶或者试管庆祝一下,可以说,没有它们,化学就不会成为科学。


19世纪初,现代化学先驱、瑞典化学家Jöns Jacob Berzelius发明了现代试管的前身——“沸腾管(boiling tube)”。1814年,他展示了如何利用玻璃管制造专用于化学操作的小型玻璃器皿,开创了更加平民化的“试管化学(tube chemistry)”时代。1827年,伟大的物理学家、化学家迈克尔•法拉第在编撰化学学生手册时,用大约五分之一的篇幅讲解玻璃管型仪器的制作和使用过程。他强调利用试管可以探索十分广袤的化学世界,“从很大程度上说,它可以为每个人提供从事化学研究的机会。”大神法拉第强调了玻璃试管为化学带来的重大贡献,其中包括氯气的首次分离。他还明确说明了在试管中混合材料的多种操作方法,其中许多方法经受住了时间的考验,一直到今天还在沿用。难能可贵的是,法拉第还提出了许多关于实验安全的指导意见:“如果你认为它可能会爆炸,就让试管远离你的脸,一定要用布或稻草把它包起来”。

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瑞典化学家Jöns Jacob Berzelius(左)和迈克尔•法拉第(右)


1803年,英国化学家William Henry 将吹制玻璃器皿列为化学家的基本技能,迈克尔•法拉第的书中也包含了用玻璃管制作仪器的操作说明,与此同时也出现了专门为化学家编写的玻璃吹制手册。长久以来,以玻璃管和玻璃棒为基础制作自己所需的仪器被认为是化学家所需的基本技能之一。

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吹制玻璃仪器。图片来源:UC Berkele[1]


不过,近些年来随着玻璃仪器的市场化越来越成功,化学家自己动手吹制仪器的需求越来越少,不少化学院系和研究所的仓库中都还保留着各种尺寸的玻璃管和玻璃棒,它们有的已经布满灰尘,见证着时代的变迁。

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科研大楼仓库中用于吹制仪器的玻璃棒与玻璃管。图片来源:Nat. Chem.


两个世纪以来,人们一直是根据新合成化合物的元素组成来鉴定它们。在19世纪早期,燃烧有机化合物,收集并分析其产生的气体,是一项耗时长久且难以掌握的技术,需要相对精密的仪器。1830年,27岁的Justus Liebig(下图)发明了一种简单的仪器Kaliapparat,使化学家得以用重量分析法分析该化合物的碳、氢、氧含量。这个仪器的关键部分有五个玻璃腔室,由玻璃管吹制而成。Liebig依靠玻璃仪器构建的方法快速、低廉、精确且容易复制,尤其适合新手化学家。此后,以Liebig为首的青年化学家开始大量合成化合物并发表他们的研究成果。


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Justus Liebig与Kaliapparat


由于玻璃吹制仪器和玻璃管非常“亲民”,Liebig发明的Kaliapparat很快就成为19世纪化学实验必不可少的仪器之一,就像今天的核磁共振光谱仪一样受欢迎。1908年,珠宝商Tiffany & Co. 公司为美国化学会(ACS)设计的标志中,位于中心的玻璃仪器正是Liebig的Kaliapparat五球仪器。


数百年过去,玻璃仪器依然陪伴着每一位在实验室里探索化学前沿的人们,而且,这种陪伴还会持续下去。

Nat. Chem., 202214, 717–718, DOI: 10.1038/s41557-022-00994-1

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