第十二卷 近代后编(1919-1949)(下册)

第四节 分支学科的建立

中国通史 作者:白寿彝总主编;王桧林,郭大钧,鲁振祥卷主编


  第四节 分支学科的建立①

  化学分支学科的建立是以研究为基础的。中国的化学研究开始于二十年代。这时期所发表的研究性论文,大致可分为三个方向,一个是对中国化学史的考据,例如王琎对于制钱的分析以及对中国古代使用金属的研究等等;另一是对物料的分析以及工业化学研究(即利用国外已有的方法来解决国内工业上的特殊问题),这类工作在当时为数甚少;再一方面的工作,也是最有价值的工作,是协和医学院对于生物化学的研究。协和医学院因经费充足,人才集中,所以开始研究工作较别处早,自1921年成立起,便开始有生物化学方面的论文发表。到了1925年左右,由于陈克恢(1898—1988)关于麻黄素的药性研究在世界上引起轰动,协和的生化研究也随之达到高潮,并带动了其他地方进行类似的工作。

  不过,尽管由于协和的特殊条件使得中国的生物化学研究起步较早,发展较为迅速,但化学其他领域在中国的开展,仍是始于二十年代末期。北洋政府时期,战事连绵,教育经费严重拖欠,科学工作者无以为生,刚刚在中国略有萌芽的化学研究基础未立,更是毫无发展可言。国民政府成立后,这种状况有所改观,尤其是以提倡纯粹科学和应用科学为教育的一个主要方针,因而全国各处的公私立大学和专门学校,无论是在师资还是在设备上都有明显的改进;而国立研究院的设立,对于中国的科学研究者来说,也是一个极大的鼓励。中国的化学研究正是在这种条件下得以奠定基础并迅速发展的。

  这时化学研究的中心,除了由西人主持的协和医学院外,还有北平清华大学、北京大学、南京中央大学和广州中山大学,它们各自都有一支阵容强大的研究队伍,工作成绩卓著。同时,这种区域布局也使初期的化学研究在全国范围内发展得较为平衡。但不久以后,广州方面因陈可忠因病离职而受影响,南京方面因曾昭抡改就北京大学之聘而使研究暂时停顿,于是北平就成为全国化学研究的中心,再加上北平研究院化学所、燕京大学、中法大学以及天津南开大学的共同努力,使平津地区的研究力量愈加强大。直到1934年中央研究院化学研究所在上海改组,中央大学重新开始有论文发表,才又恢复了南北两方的研究工作并驾齐驱的局面。

  1.生物化学。

  中国的生物化学研究始于二十年代,主要是在蛋白质化学、脂肪化学、食物化学、营养学、激素、维生素、免疫生化、消化与代谢等领域。除了协和医学院这个生物化学研究中心以外,其他的研究机构还有国立上海医学院、北平研究院药物研究所、南京卫生署、雷斯德医药研究所,以及一些大学如清华大学、燕京大学等。截至1949年,在国内外的各种生物化学及有关刊物上,共发表了中国生化工作者的论文400余篇,其中在国际学术界产生了较大影响的不乏其数。

  吴宪(1893—1959)在美国哈佛大学获得博士学位后于1920年回国,在协和医学院工作,从事临床生物化学、气体与电解质的平衡、蛋白质化学、免疫化学、营养学和氨基酸代谢等方面的研究。他以博士论文为基础提出的“血液系统分析法”,为临床诊断提供了重要手段,在国际上被广泛采用,为现代临床化学奠定了基础,因而被誉为血液分析的权威。另外,他通过对蛋白质变性所作的一系列研究,指出蛋白质的变性是因为蛋白质分子从折叠而变为舒展。这是关于蛋白质变性的第一个合理的学说,从而给“变性作用”下了一个明确的定义。同时他还观察到天然的和变性的卵蛋白和牛球蛋白的分子量约为34000的倍数或亚倍数,这些结果与今天对蛋白质分子量所研究得到的亚单位结果是相符合的,这就证明早在60年前吴宪就已首先观察到了这种现象。在吴宪大量的研究工作中,有一项特别引起国人的注意,那就是从1927年起,他用大白鼠传种数十代,研究了纯素食和荤素杂食的营养价值及其对生产、生殖、基础代谢、自发性活动以及对寿命的影响等,从而得出结论:中国一般人民的身材矮小,其原因是由于所吃的基本上是素食,其中蛋白质的生物价值较低,钙和脂溶性维生素的成分较少。根据当时的经济情况,为了维持人民的健康,1938年在他的主持下,第一次制订了《中国民众最低限度之营养需要》标准。在此期间,他对中国的食物首先进行了系统的分析,并编著了中国第一部《食物成分表》。他编著的《营养概论》(1929年)内容丰富,既是一本简要的参考资料,又是一本通俗读物。此外,三十年代初,性激素研究在国外起步不久,吴宪十分关注这个新的领域,并且做了一些试探性工作,为中国激素生物化学的研究开辟了道路。至1949年,吴宪发表学术论文近150篇,除了《营养概论》外,还著有《物理生物化学原理》(英文版,1934年)。他的论文绝大部分是用英文发表,深受国际学术界的推崇,是国际上杰出的生物化学家之一,是中国生物化学、营养学研究和教学的主要创始人。

  对维生素的研究,在三十年代引起了中国化学家的浓厚兴趣,特别是对维生素C在食物中的分布研究得最多,而其他几种维生素,有的因为设备不适,有的因为测量复杂,因而发表的论文较少。清华大学的萨本铁专授有机化学和生物化学,自1934年以后,他在继续从事有机分析工作的同时,又率领学生,开始从事维生素C和氨基酸(旧称胺酸)的研究。他对中国各种食物中维生素C的含量作了大量调查(这是他最受国内同行称道的一部分工作),从而发现,好些国产食物中都含有很多维生素C,如果要想得到这种维生素,大可不必一定要吃美国桔子,有些价格远为低廉的中国桔子也是一样的好。同时萨本铁指出维生素C与糖类有同样的来源,可能由乙醛酸与1-异赤丝藻糖缩合而成,也可由乙醛醇与1-异赤丝藻糖缩合、再经过氧化而成,还可由环己六醇分子重排为1-古洛糖或1-半乳糖、再经过氧化而成。根据这一假说,萨本铁提出了合成维C的理论路线及实验方法,以弥补欧洲学者的研究中原料昂贵、毒性大、合成周期长等缺点。然而,由于国内实验设备简陋和材料的缺乏,萨本铁没能完成维C的实验合成。这个人工合成维生素的首例由一位英国人完成并获得了1937年的诺贝尔化学奖。

  营养学是以生物、生理、农业为基础而应用于医学、药学、卫生学的一门学科,中国在这方面的初期工作,多是关于人民生理状况的调查。以后范围逐渐扩大,有膳食研究、国产食物的分析、矿物质营养素的研究等。其中,植物性食物受到人们更大的关注,而对于动物性食物则兴趣甚少。这一时期致力于营养学研究的机构主要有协和医学院(膳食营养、蛋白质、酵素等)、中央研究院化学研究所(1935年添设生物化学方面的工作,特别注意本国普通食物的调查和分析、植物性食物中蛋白质的研究、食物烹饪法及保存法的研究和改良)、北平研究院生理研究所(中国北部食物营养)、中国科学社生物研究所(食物分析及调查、米麦营养及植物油中植物蛋白质的研究)、雷斯德医药研究所(中国食物的分析及营养、碳水物的代谢、维生素C及矿物质),还有上海医学院、清华大学、燕京大学、北平大学、山东大学、齐鲁大学、南开大学等。这些工作的目的,都是为了探求如何能在国民经济可能的范围内对中国的食物进行改良,以使多数国民的健康水平较高,从而更好地为国家、为社会服务。

  食物化学方面,以前中国有许多迷信,民间素有食物相克之说,认为有些东西合在一起吃会导致中毒甚至死亡。这种几千年流传下来的忌讳,老百姓深信不疑。生物化学家郑集选择了14对被认为是典型的相克食物,在南京中国科学社生物研究所的实验室里,先用动物作试验,然后亲身尝试这些向来忌讳的混合食物,结果根本没有中毒现象,以科学家的勇气和科学的证据否决了流传千年的食物相克之说。虽然这项工作对于生物化学理论或实验技术本身的发展贡献不大,但它却有十分重要的社会意义,体现出中国的科学家们将科学应用于实际而不是空谈科学的良好风尚。

  生物化学与药理学相接壤的药物化学,尤其是中草药化学,也是自二十至三十年代发达起来的一个领域,研究成果颇令世人注目。几千年来,中国人民一直是用草药治病,但自清朝海禁大开以后,西药大量涌入,以其药效高的特点逐渐取代了国产药材。然而,西方的化学家和药物学家,却对中药产生兴趣,他们用化学方法提炼出其中的有效成分,从而证明了某些中药的作用强于许多西药,而中药之所以有时药效不强,是由于未经提炼致使有效成分不高。协和医学院成立后,这项研究最初由药物化学家黎德(Read)教授传来中国。1924—1925年,陈克恢从麻黄中提取麻黄素用于治疗。这种药曾由西人用狗作过试验,陈克恢首次用人作试验并取得了成功。这项工作发表以后,顿时名闻世界,陈克恢被美国里耳利(Lillie)制药公司以重金聘去,专为该公司进行研究。同时这项研究的成功在国内也引起很大反响,更多的有识之士开始对国产药材的有效成分提取及其化学结构进行研究。协和医学院在这方面是研究时间最长、成绩最显著的。

  实际上,二十至三十年代,在国内运用可以利用的有限手段,首先对中草药进行系统研究工作的,还是在协和医学院工作十余年、后任北平研究院药物研究所所长的赵承嘏(1855—1966),他是最早对中药里所含生物碱进行分离的化学家。他在1926年发表的关于麻黄素研究的论文,是中国用近代科学方法研究中草药的最早的论文。他研究了延胡索、贝母、三七等30多种中草药的化学成分,得到了许多新生物碱结晶,其中有些被发现具有较强的生理或药理作用。例如从延胡索中分离出的延胡索素乙、延胡索素子和延胡索素丑都有和球冠素相似的作用,延胡索素乙在临床上可作为镇痛、镇静剂使用。在赵承嘏之前,提取植物有效成分一般均用乙醇浸泡,这样所得的粗提物成分复杂,不易进一步分得结晶单体。他根据生物碱的性质,采取碱磨苯浸的方法,使粗提物成分趋于简单,减少了进一步分离单体的困难。他用自己创造的一套方法,往往从一种植物中分出多种结晶,单是从延胡索中就分得了13种生物碱结晶;并且能从他人已详细研究过的中草药里分离出新的成分。到1949年为止,他在国内外有关刊物上共发表了论文50余篇。对中草药的研究,开辟了中国化学研究的一个特殊领域。自1935年以后,中国化学家们不再仅仅满足于中药的分离和精制,而且从事其结构式的研究以及合成。在这方面,黄鸣龙(1898—1979)的工作开创了中国化学家研究生物碱的构造的先例。他通过结构研究,证明赵承嘏由延胡索分出的13种生物碱有3种与前人研究相同。从此,中国化学家对中草药有效成分的研究逐渐走上了正轨。

  除了中草药等天然药物之外,中国化学家对于药物合成的贡献也很多,例如维生素、性激素、磺胺类药物与青霉素等的研究工作,都有中国化学家参与其中。1942年汪猷(1910—)进入上海丙康药厂担任厂长和研究室主任,致力于针剂制造和磺胺类药物的合成。1944年他偶然得知国外发现了一种特效的、从霉菌中培养出来的抗生素,于是他开始学习微生物学、发酵等方面的知识,以求在中国开拓抗生素研究的道路。经过几年的研究试验,他终于分离得到了一种新的抗生素——桔霉素,论文于1947年在美国《科学》上发表后,美国一家通讯社从旧金山发出电讯,报道中国的化学家制成了一种青霉素菌族抗生素的消息。1947年9月他应聘参加中央研究院医学研究所筹备处的工作,此后继续研究桔霉素,带领几位青年助手,使双氢桔霉素的化学及其抗生素作用的机制研究取得了一定的进展,发表了一系列论文。这项研究一直持续到中华人民共和国建立。

  2.有机化学。

  除了生物化学以外,二十至三十年代在中国发展最迅速的就是有机化学领域。中国化学家研究有机化学的人最多,成就和贡献较大,不仅在国内,而且在国际上也具有相当重要的地位。当时最主要的研究方向是复杂的天然化合物及其类似物的合成,因而在有机机理以及立体化学方面的发展尤为迅速。

  1933年,在德国哥丁根大学工作的庄长恭(1894—1962)氧化分解麦角甾得到了原-别-胆基酸,证明当麦角甾(或甾醇)受到氧化分解时,链的破裂是在第24个碳原子上发生的。这是中国有机化学的先驱性工作,对于当时的多环化合物化学的发展起了一定的推动作用。

  萨本铁是中国化学家中著作最多的一位,他最初的工作偏向于制备各种酯、测定它们的物理常数如沸点、比重、折光率等,然后再制出这些酯的苯腙和缩氨基脲。后来,他又开始进行各类有机化合物的鉴定工作,用各种试剂制成各类化合物中代表物的衍生物来进行鉴定,例如用肼衍生物对氯苯肼来鉴定醛和酮,用三硝基苯间二酚(收敛酸)来鉴定萘、蒽等。他每年都要用这种方法鉴定出数十种化合物,成绩斐然,因而在这方面成为国际上的权威,得到了西方化学家的推崇。

  嘧啶化合物是较早在中国得到研究、并且成就颇丰的一个领域。纪育沣(1899—1982)在1920年代就随同国际嘧啶化学权威约翰逊(T.B.Johnson)作研究,回国后继续在这方面作了不少扩展工作。不论是在雷斯德医学研究所,还是在中央研究院化学所、北平研究院药物所,他的主要精力都是在这一领域,40余篇研究论文中属于嘧啶类研究的占二分之一多,它们大都以β-醛酸酯或β-酮酸和尿素或硫脲作用,以制得嘧啶的羟基衍生物尿嘧啶,从而制备氨基衍生物胞嘧啶,或者制成硫氰基衍生物而研究其重排反应。他的论文中有许多都记述嘧啶的硫氰酸衍生物加热重排成异硫氰酸的反应,还提到嘧啶环中的酶硝酯重排现象。1920年代以前,嘧啶化学的研究在中国没有任何基础,纪余沣虽然也同中国大多数化学家一样,研究途径与方法大都遵循国外,但他所采用的新的合成方法和步骤,使中国尚处于草创时期的嘧啶化学的研究水平并不逊色于国外。

  1937年,袁翰青由于对联苯化合物立体化学的研究作出成就,荣获了荷兰皇家学院颁发的范霍夫纪念补助金,这是为纪念物理化学家范霍夫而设立、专门奖助各国青年化学家的。袁翰青早在美国留学时就开始了联苯的立体化学研究,回国后在中央大学任教,并继续从事这方面的工作。他与合作者首次拆解了理论上可以拆解、但尚无试验证明的2,2’,4,4’-四溴联苯酸,得出两种旋光异构体;还首次制得了N-苯磺酰-8-硝基-甘氨基酸并进行了消旋速度的测定。三十年代末,他提出根据缔合因素的不同来测定α-、β-或顺、反两种几何异构体的新方法,这是由于缔合因素与氢键有关,β-式分子式内部能形成氢键,而α-式则不能,因而β-式的缔合因素小于α-式。缔合因素可用冰点降低法来测出,由此就可鉴别顺、反或α-、β-二种构型。这种方法适用于某些含有给电子原子的圬或腙类化合物。袁翰青用这种方法检查了若干个已知有几何异构体存在的化合物,结果很好,从而证明他的氢键理论是正确的。袁翰青的工作,为从事这方面研究的人提供了很大的帮助。

  1940—1943年,在昆明中央研究院化学研究所工作的黄鸣龙,利用从药房买来的驱蛔虫植物药山道年,进行山道年及其同类物的立体化学研究。这样,在战时简陋的条件下,他发现了变质山道年的四个立体异构体可以在酸碱作用下成圈地转变,这在立体化学上是个前所未有的发现,因而引起了当时国际上许多著名有机化学家的重视,有机化学大师武德沃德(R.B.Woodward,1917—1979)等人还参与了有关的研究。这项在昆明的防空洞里通过分析、推理而得到的发现,为以后国内外学者解决山道年及其同类物的绝对构成和全合成提供了理论依据。

  在有机化合物的合成和结构测定上,当需要将醛类或酮类的羰基还原为次甲基时,常常要用到开息纳-武尔夫(Kishner-Wolff)还原法,但是此法要用封管和金属钠,以及难以制备、价格昂贵的无水水合肼,而且在应用此法时如果有极少量的水分存在,就会不可避免地引起一些副反应。虽然国外有人进行过改良,但效果不显著。1946年,在美国哈佛大学工作的黄鸣龙对此法进行了卓有成效的改进。经他改良,反应过程中先蒸去水分,然后回流加热,这样就可以用普通的85%水合肼代替无水水合肼,用氢氧化钠代替金属钠,从而使还原程序简化,产量大幅度提高,得率可达95%。黄鸣龙还对这种方法的范围作了许多研究,可以用来合成女性激素雌酚,还可用于甾体化合物中还原酮基得到80%的正常还原产物,对某些含内酰胺基的酮类化合物也能正常地还原。黄鸣龙改良的开息纳-武尔夫还原法在国际上得到广泛应用,并写入各国有机化学教科书,简称为黄鸣龙还原法。

  如前所述,在中国的化学研究初创时期,一大批优秀的有机化学工作者以他们丰富的研究成果,紧紧追赶着世界化学前进的步伐,有的对西方化学家的工作作出了创造性的发展,有的提出了最新的学说和实验方法,同时,还有为数不少的人是在研究如何把化学理论应用于中国的实践。清华大学的高崇熙,以北方特产大麻子油为原料,先后制得了辛醇、酉二醇、庚醇、辛胩、丙二酸庚酯、癸酸乙酯、溴庚烷、十一烯酸、壬二酸等等,这种利用中国资源、大量制备纯净有机化合物的研究方法,对于促进中国的有机化学研究,是一个不小的贡献。1934年,他还同金开英、曾昭抡等人一道,在北平设立了“中国化学材料实验室”,专门制备各种特殊有机药品及分析药品,供各大学和研究机关使用。抗日战争开始,后方化学试剂极度缺乏,高崇熙又从精制三酸为起点,研制化学试剂,在一定程度上弥补了因战争导致进口试剂来源中断所造成的损失。

  要追溯近代化学在中国创立的历史,就必须提到一个在化学诸多领域成绩卓著的人——曾昭抡。1926年,他在美国以《有选择的衍生物在醇类、酚类、胺类及硫醇鉴定中的应用》一文获得博士学位。回国后他继续做了大量的研究工作,其中有用低级醇制备卤代烷、以肟类在醇溶液中还原来制备胺类、在不同条件下制备谷氨酸、它们与胺类和铵盐的作用以及d-谷氨酸的转化作用、有机金属化合物的性质、醌的一元肟水解成醌、合成甘油酯等等。他与合作者共同合成的对-亚硝基苯酚,后来被载入了有机化学词典,为国际化学界所采用。另外,他还和孙承谔等人提出了一个计算化合物沸点的公式,制出一个化合物的沸点与所含原子半径有一定关系,若求某化合物的沸点,只须将各原子半径代入即可算出,同时他们还提出了计算二元酸和脂肪酸溶点的公式。在有机化合物的元素检出和测定方法的研究及改良方面,曾昭抡也作出了许多颇有价值的研究,经他改良的Mul-liken熔点测定仪曾在中国各大学普遍采用。曾昭抡及其合作者的工作,代表了当时中国有机化学研究的一部分水平,有的为世界化学界所重视。更重要的是,他处处大力提倡科学研究的精神和行动,对中国近代化学的发展,起了积极的推动作用。

  3.无机化学。

  自然科学在中国建立的初期,各门学科的发展是不平衡的,这表现在研究工作上则更为突出。对于整个化学领域来说,无机化学的发展就属于比较迟缓的,研究工作无论是在质量还是在数量上,都远远比不上生物化学和有机化学。但这并不等于说在二十至三十年代就没有无机化学,中国的化学工作者在这方面所做的为数不多的工作,为中国的无机化学事业播下了种子,起了开拓性的作用。

  贝采里乌斯(JonsJacobBerzelius,1779—1848)于1818年由两元素直接合成了Se2Cl2。后来他的方法经六次改进,都认为产物遇水分解,不得与水接触。1925年高崇熙试验了8种新方法,证明Se2Cl2可在含70%的水的体系中制备出来,产率为90%。这一结果,得到了无机化学界的称赞。不久后,高崇熙用同样方法制得了Se2Br2,并测出了它的沸点、熔点、密度和折射率等物理性质。此后,他及其合作者又陆续精制出Cu、Zn、Mn、Co、Ni的硒酸盐和苯胺络合物,还用浸液折射计法测定了硒酸铜从0到40℃的溶解度。这一系列创造性的工作,对硒及其化合物的研究作出了突出的贡献。

  1932年,戴安邦(1901—)发表了“氧化铝水溶胶的本质”的博士论文,以配位化学的观点阐明了氧化铝水溶胶的组成、性质、结构和生成机制。这是中国较早从事胶体化学与络合物化学研究的成果。自此,他对硅、铝、钨、钼、钍、铬、铁等元素的多核配合物化学,进行了系统的研究。除了戴安邦的工作以外,络合物化学的研究还取得了其他一些进展,例如硼酸溶液中加入多羟基化合物后[H+]或pH值计算公式的提出、五氨一水合钴及四氨二水合钴的硫酸盐的组成随硫酸浓度而改变的研究等等。这类研究虽属凤毛麟角,但在化学研究刚刚开始的时候,已是实属不易了。

  在西方,对重水的研究肇端于三十年代初期,1931年发现 重氢,1935年重水投产。而在这时,中国尚无重水的生产,自然更谈不上研究了。1935年,在德国学习的张青莲完成了重水的密度-温度状态图,1936年又提出了地球上重水和重氧水的分布理论,这是中国学者在国外作出的又一项重要成果。1937年张青莲回国任中央研究院上海化学研究所副研究员,鉴于当时国内不能生产重水,因而带回了少量重水,以便继续进行研究,即使是在抗日战争期间也没有停止过。四十年代,张青莲与其合作者进行了两次重水热膨胀的精密测量,所得结果与国外研究非常接近。这是中国重水研究中颇为出色的一部分工作。他还研究了重水的Laindler反应,证明这种反应在重水中的速度比普通水中更快;对D2H2与HI的反应速度的研究结果也是如此。1949年,张青莲等人以铂为阴极,在室温时电解含有氢氧化钠的重水稀溶液,求得了氕氘的分离因素,从而证明了Eyring-Glasstone-Laindler超电位理论(即氕和氘在阴极上的超电位不同)。这些工作构成了草创时期的中国同位素化学研究。

  1949年以前,在无机化学方面,纯粹无机化学范围内的研究寥寥无几,所做的工作大部分都是在无机化学应用方面,也就是无机工业原料和方法的研究,其中有对四川自贡的盐、山东博山的陶土、浙江富阳的矾等物产的分析与开发,以及侯德榜对酸和碱的研究,等等。

  无机化学应用方面的工作除了前述的以外,还有潘履洁关于电解电镀的研究和抗战期间对活性炭制造的研究,也具有比较重要的意义。从三十年代初开始,潘履洁对铜、黄铜、镍、银、锌等金属的电镀作了多方面的研究,发表了一系列的论文,如寻找铜电镀液中Cu、游离氰基以及Na2CO3的最佳摩尔数比、绘制 可省去计算麻烦的控制和调节镍电镀液pH值的图表等。潘履洁的工作,代表了中国三十年代电解电镀研究的水平。

  九一八事变发生以后,中国的化学工作者深感国防化学的重要,不少人开始关注于军用物资的制造。在一二九的淞沪之战中,日本人使用了烟幕,因而上海方面的化学家对活性炭作了一些研究,临时赶制了防毒面具送往前线。这场战争刺激了对活性炭制法的研究,而且规模越来越大,从实验室扩展到了工业生产。军政部应用化学研究所、实业部中央工业实验所、北平研究院化学研究所、清华大学、北京大学等都先后开始了这项研究。其中军政部应用化学研究所首先用化学活化法获得了成功。北京大学的研究结果认为活化时用二氧化碳代替蒸汽可提高产量而无损于质量。然而,对活性炭的研究始终未能工业化,五六年后更是销声匿迹了,因而政府所办的防毒面具厂仍不得不购买德国制造的活性炭。抗战期间,中国化学家在用土法研制军用化学物质如火药火器等方面,也取得了不少具有实用价值的成果。

  4.物理化学。

  从1877年德文的《物理化学杂志》创刊时起,几十年来,在化学各科中物理化学的发展是最为迅速的。然而在中国,由于人们羡慕的是西方工业的发达,因而更加崇尚科学的应用,而往往忽视了纯粹的理论学科,这就使物理化学这门需要非常精密的实验仪器和同时具备深厚的数学、物理学功底的研究者的学科,在中国难以得到长足的进步。据统计,1931—1940年的10年间,美国《化学文摘》所摘录、以及《中国化学会会志》和《中国物理学报》所发表的中国学者在物理化学方面的论文,是前10年的5倍多,而其中在国外完成的论文则约占总数的近三分之二。物理化学是近代化学中的基本学科之一,中国在这一领域的起步虽然较迟,发展较缓,但还是有一些工作出类拔萃,为世界化学界所关注,同时也为化学在中国的建立打下了基础。

  1929年,傅鹰(1902—1979)在美国发表了《硅胶自溶液中吸附问题》的博士论文。著名的屈劳倍规则认为,吸附量随溶质(同系物)碳氢链(CH2数目)的增大而有规律地增加,然而在傅鹰的论文中,他却以二氧化硅水解制得的纯净硅胶自四氯化碳溶液中吸附低级脂肪酸的同系物,证明吸附量的顺序为甲酸>乙酸>丙酸>丁酸,也就是说,在一定条件下,屈劳倍规则可以是完全颠倒的。在当时这是一个罕见的结果。此外,在这篇论文中,他还提出硅胶能强烈吸附碱,吸附的顺序为LiOH>NaOH>KOH>NH4OH;但只能吸附少量有机酸(10种),不能吸附无机酸(4种)。同时,他还测定了这14种有机酸和无机酸的水解吸附。这篇论文对影响溶液吸附的各种因素(包括溶质、溶剂和吸附剂表面三者的性质)所作的有指导意义的分析,已成为吸附理论的组成部分,有不少学者多次引用这一论文的结果,并认为其结果是带有普遍意义的。另外,在美国密歇根大学学习期间,傅鹰在仔细考察润湿热的基础上,进一步提出了一种用润湿热测定固体粉末比表面的化学方法,这在当时也是一项开创性的工作,与著名的B.E.T.气体吸附法相比,这项工作要早八年,而且不必假设吸附分子的面积,在许多胶体化学的经典著作中都对这一方法作了介绍。这些工作一直受到国际学术界的关注和肯定。

  作为物理化学内容之一的电化学研究,在中国是一个极少引人注意、发展迟缓的分支学科。各大学的课程表中列入了电化学的,不论是选修还是必修,都是寥寥无几,自然就谈不上专门的实验课了。然而即使在这种状况下,中国学者也有较为出色的工作。早在1919年,在美国哥伦比亚大学就读的刘树杞(1890—1935)就完成了很有价值的《从铬酸盐废液中电解再生铬酸的连续方法》的博士论文。用这种方法,能将有机物销毁而将铬酸和硫酸回收,在回收有用物质的同时减少了环境污染,因而在学术价值和实际应用两方面都具有重要意义,经应用后颇受厂家欢迎,并申请了美国专利。直到四十年代,刘树杞这一博士论文的结果,还在一些学者的专著中被引用。他是中国最早研究镀铬的人。1929年,刘树杞再度赴美后很快完成了《电解制造铍铝合金》的著名论文。铍铝合金具有质量轻、强度高、抗腐蚀等许多优良特性,随着航空工业、机器制造工业的飞速发展,它成为一种越来越重要的新型材料,但很多年来,化学界普遍认为它的制造问题很难解决。因此,刘树杞的成功研究,成为当时化学界公认的卓越发明,并在美国商部注册,欧美的学术刊物和报纸争相报道。刘树杞深深地了解中国富藏各种金属,他选择制造铍铝合金及电解取钨、取铝等项目,就是力图通过自己的研究,充分利用中国的资源,以解决国际民生的大问题,他亲自筹划和安装的中央大学熔盐电化学实验室、主持建设的北京大学电化实验及科研室,都是中国最早进行专题实验和科学研究的场所。

  1934年,黄子卿(1900—1982)赴美国麻省理工大学从事科学研究,致力于三相点的测定工作。水的三相点是热力学研究中的重要数据,而当时并没有一个得到公认的精确数据。黄子卿精心设计了实验装置,运用简单的仪器,经过长达一年的反复测试,终于测得了当时最精确的水的三相点,即0.00981℃,为热力学的研究提供了重要的标准数据,受到科学界的重视。其后美国国家标准局组织人力重复验证这一数据,所得结果与黄子卿的测定值一致。从此,黄子卿测定的三相点被公认为国际上通用的标准数据。三相点是温标研究中必须的几个标准点之一,没有准确的三相点数据,会使热力学的理论计算受到影响。因此,三相点的精确测定不仅推动了当时的热学计量工作,而且对热力学和物理化学的发展都具有意义。黄子卿由于三相点的精确测定,被选入1948年美国所编的世界名人录。直到1954年,在巴黎召开的国际温标会议,还再次确定黄子卿测定的数据,并以此为标准确定绝对零度为—273.15K。四十年代以后,黄子卿又专注于溶液理论的研究工作,1947年。他在“间-硝基苯甲酸在水中的溶解度盐效应”一文中,对电解质溶液中离子-溶剂、离子-离子间的相互作用问题,提出了新看法。此后他一直对这个课题不间断地做研究工作,他的论文逐渐受到国内外溶液理论工作者的重视。1964年,一位德国学者就在其博士论文中引用黄子卿的盐效应理论,来解释自己的实验结果。现在,已经有越来越多的人关注并从事这方面的研究。

  在黄子卿测定三相点的同一年,还有一位中国学者也在物理化学领域做出了卓越的成绩,孙承谔与美国化学家合作,发表了有关活化能计算结果的论文。1976年,在美国化学会百周年纪念时发表的“物理化学一百年”专文中,还将此列为百年成就之一,称之为“历史上第一个相当准确的计算,并用现代精确实验证实”。在当时,孙承谔是国内最年轻的一位化学家,在美国留学时先是从事偶极距的测定,后来又致力于量子化学的计算,回国后在北京大学任教,仍然从事这两方面的研究,发表了不少论文,深受化学界前辈的器重。

  早在1928年赴美留学期间,李方训(1902—1962)注意到Grignard试剂在乙醚溶液中的电输现象有着出乎意料的结果。Grignard反应作为有机金属化学方面的一个重要反应,当时虽已应用,但对其机理还未阐明。李方训从这个异常现象出发,开创了Grignard试剂非水溶液中一系列性质的研究,并首先在世界著名期刊上发表了多篇这方面的论文,对了解Grignard试剂在非水溶液中的作用机理作出了贡献。抗战期间,他系统地对溶液中离子的性质这个物理化学中占有重要地位的问题,进行了广泛的研究,连续发表了有关离子的水合热、水化熵、离子的表观体积、等张比容、离子的极化和半径、离子的抗磁性磁化率等几十篇论文,为国际化学界所公认,被许多中外专著所引用,从而取得了优异成果。1947年,他代表中国化学会出席国际纯粹与应用化学会议并提交了论文,还出席了英国化学会成立一百周年的庆祝大会。会后他应邀到英国和美国讲学,讲学期间,为了表彰他在溶液理论方面的卓越贡献,美国西北大学于1948年特授予他“荣誉科学博士”学位并赠予象征已打开智慧之门的金钥匙。

  自从1931年玻尔(NielsBohr,1885—1962)应用量子理论解释原子光谱以后,光谱学研究迅速发展起来,从原子光谱扩展到双原子分子光谱,进而到复杂的多原子分子光谱,于是逐渐形成了一个新的研究领域——分子光谱学。二十世纪的前一二十年里,中国几乎没有人从事分子光谱学的研究,进入1930年代后,研究之风骤起,而且是在紧紧追随着世界的研究趋势,甚至于出现了在所发表的物理化学方面的论文中以分子光谱的为最多的局面。当然这其中物理学家所做的工作居多,但作为中国分子光谱学研究的先驱者之一的吴学周(1902—1983),他的贡献是非常突出的。1933年,吴学周由德国归来,在中央研究院化学研究所任研究员,他先后带领柳大纲、朱振钧、武迟、张滂、朱晋锠等人,开展了分子光谱学的一系列基础性研究,取得了许多具有较高水平的研究成果,在美国《物理化学杂志》、《中国化学会会志》、德国《物理化学杂志》、英国《化学杂志》等刊物上共发表了16篇学术论文。在吴学周的数十篇分子光谱论文中,有20多篇影响较大。通过这些工作,他发现了一些新的光谱带系,解决了多原子分子的一些重要结构和化学反应机理等问题,在1930年代,分子光谱理论和实验技术尚处于创建初期,这些开拓性工作,对发展量子学说的物质结构理论,创建物理化学的分子结构学科,作出了很大贡献,在国际上也处于领先地位,受到了国际学术界的推崇,在某些方面至今还为人们所引用。

  5.分析化学。

  在化学的各门分支学科中,分析化学的发展最为迟缓,最初它被看作仅仅是一种工具学科而不受学者们的重视。而在中国,这种偏见也不是绝无仅有的,它导致了近代中国萌芽时期分析化学研究工作的数量稀少,质量也较其他学科逊色。

  王琎是中国近代分析化学的开创者,1923年他在分析五铢钱的化学成分时,首先对分析方法的准确度进行了研究,这在中国化学界是属于开创性的。他用半克重的古钱样品进行定量实验,而后又将纯的铜片、锡块、锌粉、铅粉按普通古钱的比例配成混合物进行化验。用这种方法分析古钱,能得出较为准确的结果。1927年,王琎采用化学分析方法,对南京水源进行化验,通过对长江水、九眼井水、雨花台水、胭脂井水和钱塘水中的化学需氧量、氨态氮、蛋白氮、亚硝态氮和硝态氮的分析,提出了南京饮用水的研究报告,这是中国最早的关于水质分析的研究报告。

  要回顾中国分析化学初创时期的历史,就必须要提到韩组康(1894—1968)的工作,他是中国科学家中少数几位未留过学中的一个,但他不仅在国内有一定影响,在国际上也享有一定声誉。他在美国化学杂志上发表的铬矾中氧化铬的碘量法测定(1929)、一种化学调味品谷氨酸钠(1929)、用联苯胺测定醋酸铅中的醋酸(1931)、氢氧化钠溶液中碳酸盐含量的容量测定法(1932)、Warder碳酸盐测量法的改良(1934)、用乙酰化作用测定在香精油中的乙醇(1940)等十几篇论文,得到国际上的公认,有的被再版,有的被许多著名学者收入教科书、手册或专著中,是世界名著中最早引用的中国分析化学家的工作。他还设计了不少分析用仪器,如氢氧化钠、氯化亚钛等不能与空气接触的标准溶液用的滴定仪器、蒸发液体或驱逐气体用的玻璃棒,以及容积小于50毫升的标定溶液时用的吸管。值得一提的是,从1924年起,他用自己的工资积蓄,逐渐买了一套实验仪器和化学药品,在上海北四川路1065号家中装置了一个相当完整的分析化学实验室(包括当时较先进的比色计和酸度计等)。他的许多论文就是在这个家庭实验室中完成的。1934年他因病没钱治疗,才把实验室卖掉。在欧洲,十八至十九世纪时有很多科学家自己建立实验室,而在中国,韩组康是唯一在自己家中设实验室的化学家。

  对于定性分析的研究,中国化学家的贡献是很大的。早在100多年前,阳离子分析就已经有了系统的分组,比较完善了,但阴离子的分析系统却始终没有较好地建立起来。在这方面,赵廷炳做了很多工作。他将26种普通阴离子,根据其钙盐、钡盐、镍盐及银盐的溶解度不同,分为了六组。使用这一系统分析阴离子,便可像阳离子一样有条不紊,取得较为满意的结果。当然赵廷炳的这一方法并没有达到十分完善的程度,但我们今天所采用的阴离子分析系统,就是在这一方法的基础上屡加改进而形成的。

  在稀有元素的分析方面,1934年高崇熙和张青莲提出应该把铼元素加进去,使铼离子在碲组中沉淀析出,然后用双锥正交晶体RbReO±4显微法加以鉴定。早在1925年,德国化学家就发现了铼,但在稀有元素定性分析系统中,却一直没有把铼列入,因此,高崇熙等人的工作,是对稀有元素定性分析系统的一大补充和完善。另外,他还研究了以对甲基水杨醛肟作为铜的鉴定剂,创造了一种新的鉴定方法。

  1939年在德国亨尼希米德(Hoenigschmid)实验室学习的梁树权(1912—),发表了博士论文《铁原子量的修订》。他是用定量分析方法来测定铁原子量的,先制备极纯的铁(光谱纯)和溴,然后合成溴化亚铁,以比浊法和重量法测定FeBr2∶Ag∶AgBr的比例,从而求得铁的原子量应为55.850。这一结果与质谱仪所测值相吻合,于是在1940年正式为国际原子量委员会所采用,并且沿用多年。

  综上所述,由于协和医学院的努力,生物化学与生理化学在中国发轫较早、发展较为迅速,同时成绩也较为显著。除此之外,有机化学在1920年代也是颇为发达的一个化学研究领域。至于无机化学、分析化学、物理化学等,尽管在研究的质与量上都不如前二者,但它们在中国都同样是从无到有,一齐构成了中国的完整的化学学科体系。

  

  ①本节请参阅董光璧主编《中国近现代科学技术史·中卷》“中国近代科学技术的形成期”第9篇“基础学科的建立(下)”化学部分,湖南教育出版社1995年版。

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