19 世纪初，在德国一个叫达姆施塔特（Darmstadt）的小镇上，有一对热衷于捣鼓瓶瓶罐罐的父子。父亲叫约翰·李比希（Johann Liebig），是一家杂货铺的店主。约翰是一个民间化学爱好者，在自己家附近弄了一个房间，专门鼓捣各种实验。我曾经说过，在那个年代，炼金术、巫师和化学家其实区别不大，都是在瓶瓶罐罐间穿梭捣鼓，时不时弄出一些稀奇古怪的东西，可能在邻居的眼里，这对父子有点巫师的范儿吧。儿子叫尤斯图斯·李比希（Justus Liebig），受父亲的影响，小李比希在很小的时候就对化学表现出强烈的兴趣。他最大的爱好就是在图书馆的书籍中寻各种化学实验的方法，然后按图索骥去找来各种材料和装置，在父亲的简易“实验室”中玩的不亦乐乎。小镇上有一个市场，经常会有一些走南闯北的小商贩在这里售卖物品。这一天，来了一个玩具小贩，他在街上开始了自己的表演。只见他小心地拿出一个圆鼓鼓的小纸包，放到地上，然后拿起榔头朝小纸包上砸了下去，就在榔头接触地面的瞬间，刺目的闪光从榔头下发出，同时伴随着一声巨大的响声，立即就吸引了很多路人过来围观。在人群中，有一个小脑袋正努力地往最前面挤过去，这个小脑袋当然就是我们今天这期节目的主角。小李比希被小贩的这个把戏深深地吸引了，他买了几个小纸包，如获至宝，兴奋地跑回爸爸的实验室，迫不及待地想要破解纸包中物质的成份。没过多久，小李比希果然复制出了这种易燃易爆的物质。它的配置过程大致是这样，首先，把水银加入到硝酸中，等待它们充分反应后，再把反应物加到酒精中，这时会发生较为剧烈的反应，混合物放热并产生大量的烟。反应结束后，在酒精中会生成一种灰白色的沉淀物，把这种沉淀物倒出来再用水洗去残留的酒精，最后晒干，就成了一种灰色的粉末。这种粉末就是今天被称为“雷酸汞”的爆炸物。在美剧《绝命毒师》中有一个情节，老白拿着一块白色晶体在毒枭面前扔出去，产生了巨大的爆炸威力，剧情设定老白手里拿着的就是雷酸汞，当然，影视剧有夸张的成份，但背后的基本原理并不是完全的胡编。如果想要在自家的厨房中配置炸药，雷酸汞恐怕是最佳选择，因为原料相对容易弄到。自从小李比希破解了雷酸汞的的制作方法后，就对雷酸盐类物质产生了强烈的兴趣，成了他今后很长一段时间中的研究焦点。
1821年大学时期的李比希"The young Liebig: 1843 lithograph after an 1821 painting (Liebighaus)" is licensed under Public domain.1822 年李比希从波恩大学毕业后，去到法国当时最好的化学实验室工作了一段时间，在这期间，李比希与他的导师，法国著名化学家盖·吕萨克（Gay-Lussac）一起测定出了雷酸银的成分。雷酸银和我前面提到的雷酸汞差不多，都是一种易燃易爆的物质。这里我要解释一下，当时，化学分子式的概念还没有完全建立。化学家们了解一种物质，需要测定这种物质都包含哪些元素，以及这些元素各自的占比。如果这些都测定出来了，那就可以说，成功完成了某种新物质的成分测定。经过李比希的测定，雷酸银是由 2 个单位的碳、2 个单位的氮、2 个单位的氧和 1 个单位的银这四种元素组成。李比希把雷酸银成分测定的结果以论文的形式发表在了化学期刊上。这篇论文被正在德国海德堡大学医学院煮尿的维勒注意到了，之所以会注意到这篇论文，是因为维勒发现，李比希测定的雷酸银的成分与自己测定的氰酸银的成分竟然完全一致。但问题是，雷酸银和氰酸银明明就是完全不同的两种物质。按照李比希的描述，雷酸银是一种易燃易爆的物质，拿榔头敲一下就会爆炸。而氰酸银别说爆炸了，你就是把它扔在火里，它都不会爆炸，很稳定。这两种性质截然不同的物质怎么可能具有完全相同的成分呢？维勒把氰酸银的成分测定结果也写成了论文，发表在期刊上，并且提到了自己的困惑。很快，李比希就看到了维勒的论文。李比希是一个性格比较火爆，眼里容不得沙子的直性子，他对自己的实验非常自信，他认为肯定是维勒弄错了氰酸银的成分。“对面那个德国同胞肯定是一个非常差劲的化学分析师”，李比希公然这么评价维勒。
维勒（左二）和李比希（右一）"Kopp Wöhler Buff Liebig München.jpg" is licensed under Public domain.1824 年，李比希 21 岁，他完成了在法国顶尖实验室的学习后返回德国，在吉森大学（ University of Giessen）任教。也就是在这一年，李比希在德国的法兰克福与弗里德里希·维勒不期而遇[1]。那一年，维勒 24 岁，比李比希大 3 岁，两个人都是风华正茂的年龄，而且都是化学的狂热爱好者，自然是趣味相投，他们一见面，话题自然就引到了雷酸银和氰酸银这两种成分相同，但性质完全不同的物质上。随后，李比希从维勒这里拿了一点氰酸银的样品，回到了自己的实验室。经过一番仔细的测定，李比希立即就向维勒道歉，这两种物质的成分的的确确是完全一样的。两位年轻的德国化学家不打不相识，从此成为一生的挚友。也是从这个时候开始，化学家们开始意识到，对于一个化合物来说，不同元素的原子首先会按照某种固定的三维结构结合成一个个基团（分子），然后再以这些基团（分子）为单位，结合成物质。随着分子概念的逐渐成形，雷酸银和氰酸银的悬案到 1831 年被贝采利乌斯正式解决，贝大师提出了同分异构体的概念。也就是说，元素组成虽然一样，但是原子的三维排列结构不一样，就会导致化合物的性质完全不同。那时，化学家们还发现了其他不少同分异构体。1828 年 2 月，维勒激动地发现尿素可以被人工合成出来，这个重要的消息，维勒除了第一时间通知了自己的导师贝采利乌斯，第二个告诉的人，自然就是与自己惺惺相惜的李比希。李比希在得到维勒的消息后，与贝采利乌斯不同的是，他意识到这是一个革命性的重大发现，值得自己投入毕生的精力去探索。在活力论的主导下，有机物自带神秘的光环，因为“活力”或者说“灵魂”是一种看不见摸不着的东西，它是一种被人为创造出来的概念，它显然不是物质的。既然不是物质的，那就无法用常规的物理或者化学的手段去研究它，认识它。这种思想上的禁锢，使得在很长一段时间中，化学家们更愿意研究可以被定性定量的无机物，而对拥有活力的有机物多少存在一些敬畏心。但是，假如有机物并不像原来以为的那样特殊，它们也可以通过无机物，并且不需要生命的过程被合成出来，那么，有机物的神性就被打破了，化学家们就可以像对待无机物一样去研究有机物的各种物理和化学属性。李比希的兴趣因为尿素而转向了有机物，他的研究方法可以用“大道至简”来形容，那就是精确定量测量。李比希是拉瓦锡的精神遗产的继承人，他的原话是这样说的：“对于所有伟大发现，化学家都要感谢“天平”。这是一种无与伦比的工具，它让化学家们得以将自己的观察转化为可以永久保存的数据，它为化学消除歧义，发现错误，建立真理，引导我们走向归纳科学的正确之路。”天平，一旦被用来作为研究自然的手段，就终结了亚里士多德的物理学学派。用异想天开的想法来解释自然现象，终于让位于了真正的自然哲学。火、土、空气和水不再被视为元素。过去坚守的关于空气、土和水的基本性质的概念，现在终于被发现它们属于陈旧的错误。化学和自然哲学的处理方式之间的最大区别在于，一个是寻求权衡，另一个是努力测量。几百年来，自然哲学家们已经将测量的方法应用在了相关研究中，但只有自拉瓦锡以来的最近这五十年，我们才试图通过寻求权衡（指天平）来推进我们的研究[2]。
李比希实验室的天平"Small chemical balance (from reconstructed Liebig laboratory) beam 37cm, unpolished pine case." by Sir Henry Wellcome's Museum Collection is licensed under CC BY-NC-SA 4.0.以拉瓦锡为标志性人物建立起来的这套以精确定量为基础的化学研究方法，是化学这门古老的学问从古典哲学中脱离出来，成为真正科学的开端。李比希首先要做的就是弄清楚所有已知有机物的元素组成，并且精确测定这些元素的占比。一般来说，有机物都可以被燃烧，并且释放出二氧化碳。测定二氧化碳的质量，就可以推算出有机物中碳元素的占比。但是，当时测定二氧化碳的质量都是通过先测量二氧化碳的体积，然后再根据经验公式来计算质量，这种方法的测量误差令李比希无法接受。为了解决这个难题，李比希在 1831 年发明了一件对化学界影响深远的仪器——kaliapparat 卡利帕特，它也被称为“五球瓶”，这件仪器的影响如此深远，以至于美国化学学会的标志中的主要元素就是它。
五球瓶之所以得名，就是因为它是一个有五个玻璃球的三角形状的玻璃仪器，你可以在脑子中想象一下它的形状。首先，你想象把一根长长的玻璃管折成一个标准的等边三角形，然后，把底边的玻璃管吹出三个大小基本一致的玻璃泡，三个玻璃泡互相挨着连在一起。接着，在三角形的两个腰上，各自再吹出两个更大一些的玻璃泡。就是这么一个造型，你想象一下。它是用一根玻璃管一次吹制而成，对吹玻璃的工艺要求极高。要知道在那个年代，各种玻璃仪器真的就是工匠用嘴吹出来的，一个成熟的玻璃工匠往往要练习 10 年以上才能熟练掌握吹制各种形状的玻璃仪器，像五球瓶这样高难度的仪器，那真的是需要老法师才能搞定的。五球瓶在化学史上是如此重要的一件仪器，但奇怪的是，在网上很难找到对这件古老仪器使用方法的详细描述，在各种百科网站上对它的描述也是寥寥数语，根本无法满足我对这件仪器的好奇心。好在，这个世界上有一些科学家以复现科学史上的经典实验为乐。还记得我之前在讲到道尔顿的时候，提到过一篇论文《道尔顿有争议的一氧化氮实验和他的原子理论起源》，那篇论文的作者就复现了道尔顿几乎已经失传的实验。还是这位作者，他也完美复现了李比希使用五球瓶的全过程。论文发表在 2012 年 1 月的科学年鉴（Annals of Science）杂志上，论文标题是《重新分析李比希：重复性实验研究》[3]，我还花了蛮多时间啃这篇论文的，算是囫囵吞枣了解了一下五球瓶的精妙之处。五球瓶的工作原理讲起来并不复杂，就是用氢氧化钾溶液充分吸收流入的二氧化碳气体，只要精确测量出整个五球瓶增加的重量，就相当于测量了二氧化碳的质量。原理就是这么简单，尽管李比希自己对五球瓶的评价非常轻描淡写，他说“这东西的唯一新颖之处在于它的使用简便性和完全的可靠性”，但你千万别小看它非凡的精妙。
用五球瓶做有机元素分析"Apparatus for organic elemental analysis used by Justus von Liebig" by BeautifulChemistry.net, "Justus von Liebig, 1803-1873." is licensed under CC BY-NC-SA 4.0.首先，在五球瓶中装入多少氢氧化钾溶液非常有讲究。液面必须是略微高于底部三个玻璃泡之间的通道，但又不能完全充满三个玻璃泡。这样一来，二氧化碳气体必然会顺次通过三个玻璃泡中的氢氧化钾溶液。那为什么三个玻璃泡又都不能完全充满呢？好处就是，研究者可以用肉眼清晰地看到二氧化碳产生的气泡，气泡很轻，他们会从玻璃泡的溶液中向上部运动。一个有经验的观察者，能通过前两个玻璃泡中气泡产生的多少和运动的快慢来判断出二氧化碳的吸收效率，这样就可以精心调节进气量，来确保二氧化碳在第三个玻璃泡中被完全吸收。更有意思的是，一个有经验的实验人员还能通过气泡的形状和大小来判断出气体中是否含有杂质，比如说二氧化碳中混有氮气等。位于气体入口和出口处的两个玻璃泡也有很大的用处。入口的玻璃泡中也装有少量氢氧化钾溶液，它的目的是为了检查整个装置是否有漏气现象，这被作者认为是李比希的一项重大创新。而出口处的玻璃泡，也装有一定的氢氧化钾溶液，它起到的作用则是自动调节压力平衡，也非常的精妙。如果你们对于五球瓶有兴趣，想彻底弄懂它的精妙之处，还是建议大家搜索我刚才提到的那篇论文原文来读，有点儿长，文字较为晦涩，需要点耐心。但我相信，如果你对此有好奇心，而且当你的好奇心被满足，理解了前辈科学家的非凡智慧时，会产生一种难以形容的喜悦之情。具备这种好奇心的人，是极为稀少的，但就是人类中有这样一些好奇心特别强烈的人，我们才拥有了科学。有了五球瓶这个利器后，李比希和他的好友维勒，以及他的学生们开始对所有已知的有机物进行分析测定，定量地研究这些有机物中包含的元素以及占比，就这样，有机物神秘的面纱在定量分析下，被一层一层地揭开。李比希和维勒共同发现，碳、氢、氧这三种元素可以组合成一个基团，而这个基团可以表现的像一个单一的元素，发生各种置换或者还原反应。这些知识为有机化学的发展奠定了基础。1838 年，当贝采利乌斯依然坚持着活力论时，李比希和维勒就共同发表了他们的宣言：“不是只有生命体才能生成有机物，我们可以在实验室中生成有机物。不是可能，而是一定。糖、水杨苷和吗啡必将被人工合成。当然，我们现在还不知道怎么实现，因为我们对这些化合物的前体还知之甚少，但我们终将逐步了解它们。”
李比希的实验室"Liebig's laboratory at Giessen, by Wilhelm Trautschold" is licensed under Public domain.活力论虽然崩塌了，但不可否认的是，有机物与生命是息息相关的。因此，有机化学与农业的结合也是必然，而李比希正是这个领域的开创者。1840 年，李比希出版了《有机化学在农业和生理学中的应用》，在这本书中他提出，化学可以彻底改变农业实践、增加产量和降低成本，它系统性地阐述了植物如何利用、吸收和转化元素。很多今天我们人人都知道的植物生长的常识，就是出自这本书。比如，植物生长离不开碳、氮、氢、氧等基本元素。植物是从大气中的二氧化碳而不是从土壤中获得碳。他还推理出，植物吸收的二氧化碳和动物呼出的二氧化碳刚好保持平衡，这使得大气中的二氧化碳浓度得以恒定。他认为植物利用二氧化碳合成糖，淀粉和其他含有碳的化学物质，并释放出氧气。不过，植物如何能做到这一切，他并不清楚。他首次提出农作物应当轮作耕种的观点，因为每种作物对各种元素的需求量是不同的，轮作有助于保持土壤肥力。李比希的理论吸引了大批农业生产者实践，取得了非常好的效果。李比希准确地预见了化肥工业的发展，尽管他自己当时还不知道怎么合成化肥。这本书一经出版，就引发了巨大的反响，当然也免不了招致大量的批评声。然而，实践出真知，李比希的大多数观点都经受住了实践的检验，他也被后人尊称为“农业化学之父”。实际上，李比希还有很多个“之父”的头衔，除了“有机化学之父”外，还有“分析化学之父”“生物化学之父”“化学教育之父”甚至是“化肥工业之父”等等。他工作的德国吉森大学现在已经更名为吉森尤斯图斯-李比希大学。毫无疑问，李比希开创的有机化学把化学这门学科从知识分子阶层的娱乐活动变成了可以广泛造福社会的力量，他自己也成为人类化学史上的重要节点人物之一。
李比希之墓"Justus von Liebig" by Gerhard Willhalm is licensed under CC BY-NC 4.01836 年的某一天，33 岁的李比希正在吉森大学的一个教室中向听众讲述自己对有机化学的认识，台下坐着一个俄国人听得极为认真。讲座结束后，这个俄国人申请成为李比希的学生，并顺利通过了考试，进入李比希的实验室工作。李比希很快就发现这个俄国人非常聪慧好学，是自己最好的几个学生之一，这个俄国人的名字叫亚历山大 · 沃斯克列森斯基(Alexander Voskresensky)。14 年后，也就是 1850 年的某一天，42 岁的沃斯克列森斯基在圣彼得堡的一个高等师范学院讲课，他的教室中进来一个迟到的学生，这位年轻人看上去很不起眼，头发蓬松、不修边幅，显得无精打采，看上去实在不像一个好学生。同学们不知道，他无比亲密的母亲刚刚去世。沃斯克列森斯基有点不愉快地用手指了指年轻人，让他赶紧坐好。谁也没想到，就是这样一位其貌不扬的年轻人，却是下一个被化学史选中的人，李比希的精神之光，就这样，通过沃斯克列森斯基的手指头传递给了这位年轻人——德米特里·伊凡诺维奇·门捷列夫。就是从这一年开始，门捷列夫开始了他辉煌而传奇的一生，化学新时代的大门将被他推开。[1]https://en.wikisource.org/wiki/Popular_Science_Monthly/Volume_17/August_1880/Biographical_Sketch_of_Frederick_W%C3%B6hler
[2]Justus Freiherr von Liebig by Gopalpur Nagendrappa RESONANCE August 2013
[3]https://doi.org/10.1080/00033790410001711922
👆点击上方图片了解详情👆
～在行程中亲近科学，在科学中享受旅游～
期待能在研学营中与你相遇！
