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科学有故事

尿液中的新发现，合成尿素是个大事儿！｜化学有故事05

科汪诘 李焱 赵耀峰约 14 分钟

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煮尿与磷元素的发现

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1822 年的某一天，德国海德堡大学医学院贴出了一个公告.这份公告中说，本医学院将设立一笔奖金，奖励那些勇于在尿液中找到新发现的学生。你可能会感到好奇，为什么医学院会专门设立奖金来研究尿液这种脏兮兮的东西呢？其实，如果你身处那个时代，就不会感到奇怪，因为尿液真的就是一个化学宝库，而“煮尿”则是一项有着悠久历史的研究活动。这项活动最早可以追溯到 1699 年。在德国的汉堡，有一位叫布兰德（Hennig Brand）的商人热衷于炼金术，他坚信可以从人的尿液中提取出珍贵的黄金，因为尿液的颜色和黄金的颜色是一样的。
布兰德收集了 50 桶来自德国军人的尿液，然后，在一个昏暗的地下室中，他开始了漫长的煮尿生涯。我难以想象在布兰德煮尿的那个地下室充满着怎样的气味，他又如何忍受住了在这样的环境中长时间兴奋地工作，但他真的就做到了。布兰德的方法说起来也简单，就是用文火不停地煮尿，让尿液中的水份蒸发，变得越来越黏稠，然后尝试与不同的物质混合、溶解、再过滤、再蒸发。
当然，这么一番折腾下来，布兰德没有得到他想要的黄金，人的尿中没有金子。但是，失之桑榆收之东隅，他得到了另一种在当时价值并不比金子差的物质。这种物质洁白如雪，质感很像是腊，但是不能接触空气，一遇到空气，就会自燃。布兰德给这种物质以“带光者”的意思命了个名。它就是第 15 号元素磷，化学符号是字母 P。布兰德也因此成为有记录以来的第一个化学元素的发现者，这实在是一个意外。
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布兰德从煮尿中发现了磷元素
"Hennig Brand, the German alchemist, discovering phosphorus. Etching, 19th century." is licensed under CC BY 4.0.
尽管布兰德努力保守着煮尿可以获得磷的秘密，但是，他后来因为陷入财政危机，不得不出售这个秘密。相传，他把这个秘密卖给了三个人。第一个人历史上没什么名气，据说这个人用磷在欧洲的宫廷中表演魔术大赚了一笔。另外二个人都是历史上的名人，其中一个就是著名的德国数学家莱布尼茨（Leibniz），另一个是英国著名的化学家波义耳（Boyle）。波义耳还发明了不用尿液制造磷的方法，并且专门写了一本书来介绍磷。
就这样，布兰德制造磷的方法慢慢在化学圈子中传开，人们对尿液的兴趣，也与日俱增。人们对尿液的兴趣不仅仅是因为尿液中似乎蕴含着丰富的化学物质，还因为尿液是生命活动的典型产物，而生命本身就充满了神秘性。弄清楚尿液中都存在哪些物质就是在探索生命的奥秘。当时，活力论是化学界的主流，化学家们普遍相信无机物与有机物之间存在着本质的不同。前者是没有活力的，而后者是有活力的，尿液就是典型的有活力的有机物质。

当维勒也开始研究尿液

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所以，当 1822 年海德堡大学医学院贴出奖励尿液研究的公告，没有人会觉得有什么奇怪。那一年，医学院中有一位年轻的学生表现得特别出色，他的名字叫弗里德里希·维勒（Friedrich Wöhler），有两位著名的教授都郑重建议维勒去研究尿液。
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弗里德里希·维勒
"File:Friedrich Wöhler. Engraving by C. Becker after C. L'Allemand Wellcome V0006341.jpg" is licensed under CC BY 4.0.
维勒这个名字你可能有点儿陌生，但如果你曾经参加过一些化学课外兴趣班，或者买过一些化学小实验的实验包，一定会对“法老之蛇”这个化学实验印象深刻。这个实验的原型就是维勒最早做出来的。
在维勒20 岁读大学期间，有一次他把白色硫氰酸汞粉末放在瓦片上，靠近壁炉加热。当瓦片被烧热后，维勒被眼前神奇的一幕震惊了：那些粉末劈啪作响，迅速膨胀，就像是一条从瓦片上突然钻出的蛇，十分壮观。
这个实验现在已经简化到可以用家庭日常物品复现了。你只要把白砂糖和小苏打按照 4:1的体积比充分混合，在沙子上浇一些酒精做引燃物，然后把糖和小苏打的混合物倒在沙子上，点燃酒精。过一会儿，糖和小苏打的混合物就会燃烧起来，很快一条“黑蛇”形状的东西就会从沙子中钻出来，场面十分壮观。如果你还是未成年人，必须在爸妈的陪同下，才可以在家里做一下这个化学小实验。还是挺有趣的，它几乎是每个化学兴趣班必做的小实验。
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“法老之蛇”实验
"Pharaoh's serpent demonstration" by Tomasz Szymborski is licensed under CC BY-SA 3.0.
优等生维勒听取了教授的建议，开始做起了尿液研究。一年多后，维勒出色地完成了研究课题《物质在尿中的转化试验》，他已经熟练掌握了如何将尿液通过蒸发、过滤、溶解、重结晶的方式得到一种纯净的白色晶体——尿素。不过，这种物质其实已经有将近百年的发现史，并不算太新奇的物质。这里我需要给你插播一下尿素的发现简史，因为这种物质是本文的关键，也正是它引发了一场化学界的地震。

尿素发现简史

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18 世纪早期，至少在 1727 年之前就有记载：荷兰的赫尔曼·布尔哈夫（Herman Boerhaave）在尿液中发现了一种白色晶体，外观上非常像食用盐，也略带咸味，这种晶体被他称为“天然尿盐”。但这种“尿盐”与其它盐在性质上有很多明显的不同。比如，食盐在七八百摄氏度度下仍然稳定，但“尿盐”超过一百多摄氏度就会分解。
布尔哈夫的分离方法极其复杂，需要将尿液煮沸、蒸干，形成油状物，再用滤纸吸干多余的水分，等待油状物逐渐变成固体，再将其溶解，然后重结晶。可能是因为冗长的程序和漫长的等待时间劝退了后来者，也可能是因为布尔哈夫太过低调极少著书立说，以至于后来很长一段时间这个发现都没有引起人们的重视。
法国化学家罗埃尔（Hilaire Rouelle）在 1773 年发表的一篇文章中，描述了一种能溶解于酒精的“尿皂质提取物”，并对这种物质做了较为详细的分析，指出它具有较高的氮含量，能够用作植物肥料。
随后，许多化学家开始关注这种从尿液中提取的物质。1799 年，法国化学家福克罗伊（Fourcroy） 和沃奎林（Vauquelin）指出他们得到的硝化尿素与前面几位从尿液中提取的物质本质上都是同一种物质，并且用古希腊语的“尿道（urine）”一词的发音给它正式定了个法语名称。我们今天用的英文 Urea 也是音译，翻译为中文就是“尿素”，这个名称一直沿用至今。我小时候在田间地头经常看到白色的化肥包装袋上印着大大的“尿素”两个字，所以我很小的时候就知道尿素是农民伯伯的好帮手。
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农民浇肥（尿素）
Credit: depositphotos. We’ve obtained its Commercial Use License.
当时化学界的主流观点认为，尿素是一种有机物。换句话说，这种物质必须是含有活力的生命体才能合成产生，尿素的存在本身也是“活力论”的证据之一。

让维勒迷惑的白色晶体

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我们把话题拉回到今天的主角维勒身上。维勒在海德堡大学出色完成了尿液研究的课题后，顺利获得了医学博士的学位。1823 年 9 月，在海德堡大学著名教授的引荐下，维勒顺利进入到当时已是化学泰斗的贝采利乌斯（Jöns Jacob Berzelius）的实验室工作。这是当时全世界最顶尖的化学实验室，维勒来到这里，那就好像是洪七公来到了御膳房，一眼望去，全是他的菜。
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贝采利乌斯
"Jöns Jacob Berzelius. Lithograph by A. Farcy." is licensed under CC BY 4.0.
维勒做的其他工作我们不表，单说他在实验期间遇到的一件怪事。
维勒在实验中发现，用氯化铵溶液处理新析出的氰酸银会得到一种白色晶体。这里出现了两个可能对你有点陌生的化学名词，可能让你有点儿晕。没事，你只要知道维勒在实验室里，用两种已知的无机盐类化合物互相反应，得到了一种未知的白色晶体就可以了。
按照当时已知的化学反应的一般规律，氯化铵和氰酸银反应，会发生元素的置换，就相当于是 AB 和 CD 反应，会生成 AC 和 BD。所以，这个反应的结果按道理应该是氯化银和氰酸铵。再根据一些其他已知的化学知识，维勒判断，这种白色晶体应该就是“氰酸铵”，是一种盐。
但怪就怪在，这种新生成的白色晶体除了外观上看起来像盐以外，其他所有的化学性质都与盐很不一样。比如说，盐会与酸反应生成一种新的酸，而与碱反应生成一种新的碱。在反应过程中，还往往会放出气体。但是，这种未知的白色晶体却不能与大多数酸和碱反应。还有很多其他实验，都与常见的盐类的性质很不一样。
维勒感到十分困惑，他又做了很多种不同的假设，设计实验来一一验证。但遗憾的是，所有的假设都被他自己设计的实验推翻了。这种白色晶体显得非常神秘，它怎么看都不像是“氰酸铵”。维勒是一个不轻言失败的人，尽管找不到头绪，但他还是把所有自己能想到的实验都做了，并且做了详细的记录。但最终，他依然无法确定这种物质到底是什么。这就好像有一个大厨，他用已知的几种食材烧出了一道菜，他自认为，这道菜的味道无论怎么变化，一定逃不出自己的经验范畴。因为原料有哪些自己很清楚，用了什么样烹饪手法，自己也很清楚，那最终出来的菜就应该符合自己做了一辈子大厨的心得，不可能逃得出自己的手掌心。但结果却是，这道菜做出来自己完全想象不出来的味道。
维勒对这种神秘的白色晶体研究了很久，但始终找不到答案，最后，也就只好不了了之。在贝采利乌斯的实验室锤炼了一年后，维勒从瑞典回到了法国，继续他的化学研究。

维勒与贝采利乌斯的通信

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时间走到了 1828 年 2 月下旬，这时候距离维勒在瑞典发现那种神秘的白色晶体已经过去了 4 年。在德国柏林工业学校的一幢小楼里，维勒从实验台前站起身，逐一收起桌上的东西，准备结束一天的工作。他伸了个懒腰，活动活动有些僵硬的脖子……这时，维勒的目光落在实验柜里的一些白色晶体上。他忍不住走过去，打开玻璃柜门，拿出晶体，翻看旁边厚厚的一沓实验记录。唉，这晶莹剔透、看起来无比美丽的晶体，它到底是什么呢？已经 4 年了，各种可能性也都做了检验，依然没办法确定它到底是什么。
就在此时，一个化学名词突然在维勒的脑海中冒出来，尿素，有没有可能是尿素呢？维勒想起了自己读博期间的那段煮尿的难忘时光。同样都是白色晶体，连味道都几乎一模一样。但问题是，那种白色晶体是无机物合成出来的，而尿素可是有机物啊，一种有活力的物质怎么可能被无机物合成出来呢？
无机物和有机物截然不同的观念在维勒的脑袋中冲撞，这种观念是如此的根深蒂固，以至于让维勒在 4 年中压根没往这方面想。但是，此时此刻，维勒已经成为一个成熟的化学家，他已经开始领悟到了科学探究的真谛，不能被先入为主的观念框死，要勇于突破传统观念，大胆假设。
估计你听到我说“大胆假设”这四个字时，心里面忍不住就会跟上“小心求证”这四个字，如果是这样，那么，我要恭喜你，你已经具备了一条非常重要的科学思维。做到大胆假设其实并不难，我的邮箱中就经常收到一些科学爱好者发来的各种对世界未解之谜的大胆假设，但我从未在这些邮件中看到他们在大胆假设之后还能提出证实或者证伪自己假设的实验。这就是民间科学爱好者和真正的科学家之间的区别。维勒在做出了“神秘晶体是尿素”的大胆假设后，第一时间想到的是如何用实验证实或者证伪这个假设。他已经等不到明天了，迫不及待地开始了实验。
维勒熟练地在实验台上搭起了实验装置，他找来了白色晶体和尿素，对他们进行完全相同的实验操作，观察两种物质在同一种实验中的反应。果然不出所料，这两种物质在所有相同的实验中，都表现出了完全一样的性质。这说明，用氯化铵和氰酸银这两种无机物合成出的物质，就是从尿液中提取的尿素，它们就是同一种物质。
并且，在接下去几天的实验中，维勒还发现，只需要用氨水和氰酸铅反应，就很容易得到尿素，这个发现令维勒无比兴奋。1828 年 2 月 22 日，维勒怀着激动的心情，给贝采利乌斯写信报告自己的发现。这封信被瑞典皇家科学院收藏至今，使得我们能得知这段精彩的科学史。
维勒在信中写道：
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……我必须告诉您，我可以在没有肾脏甚至动物的帮助下制造尿素，既不需要人也不需要狗。因为，氰酸铵就是尿素。也许您还记得我和您一起工作时我做过的那个幸运的实验，我发现只要用氰酸和氨反应时，就会出现一种晶体物质，但它是惰性的，既不像氰酸盐，也不像氨。在翻阅我的笔记本时，我再次想到了这一点，我认为在氰酸与氨的结合中，尽管比例相同，但元素可能以不同的方式结合在一起，因此可能形成了“植物基”或类似的东西。因此，我最近在有限的时间内做了一个小实验，我很快就完成了这个实验，感谢上帝，这个实验一次分析也不需要。我用苛性氨处理氰酸铅，很容易就得到了所谓的氰酸铵。当然也可以用氰酸银和氯化铵来制备。我得到了大量漂亮的结晶，而且确实是清晰的直角四棱柱……[1]
贝采利乌斯很快就给维勒回了邮件，不过说句实话，贝采利乌斯的语文大概真的不是太好，他的原文我不知道是用什么语言写的，但我读了他的信的英文译文，感觉贝大师很努力想表现自己有幽默感，但真的心有余力不足，写出来的内容实在是令我不知所云。信写的不长，我给你念一下他这封回信的英文直译，你听听看是不是不知所云：
当一个人以尿开始了他的不朽，就完全有理由以同样的方式结束他的天堂之旅。维勒博士确实找到了获得不朽名声的正确途径。铝和人造尿素，当然是两种完全不同的物质，彼此紧密相连，我的天，会像宝石一样被编织在你的桂冠上[2]。如果人造尿素的数量不够，一个人也可以很容易地从夜壶里拿出一点来弥补差额。一个人现在能成功地进入更广泛的生产领域吗（精囊在膀胱的前面），在技术学校的实验室里制造这么小的孩子是多么高超的艺术啊。谁知道呢？这可能很容易。但现在已经有足够的讽刺了，特别是因为我急于谨慎地写年度报告。这是博士您做出的一个真正重要而美丽的发现，听到这个消息，我有一种难以形容的喜悦。当酸和氨结合时，盐的性质完全消失，这是一种独特的情况，这对未来的理论肯定是最有启发性的。
为了把贝采利乌斯的这封回信给看懂，我着实花了一番功夫，查阅了很多资料，努力去理解信中的每一句话。说实话，全网你能找到的对这封信的翻译都完全不像是正常的中文。经过一番努力，最后，我还是不敢说能真的理解了贝大师的原意，只能说我以自己的理解把他的这封信用意译的方式解读一下，供你们参考：
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维勒博士，你已经找到了一个很好的方法，或许真的可以通过对尿液的研究成就终身荣誉。你不要放弃，可以作为一辈子的事业研究下去。虽然铝和尿素是完全不同的两种物质，但是，它们现在有了相通之处，铝可以用来打造皇冠，而尿素可以作为你桂冠上的宝石。不过你也不用担心尿素不够用，假如人造数量不够，可以很方便地从夜壶中弥补回来。如果在实验室中可以制造尿素，那岂不是意味着也有可能制造精子了吗？要知道，精囊可是在膀胱的前面啊。如果是真的，这得是多么高超的艺术啊。但真的可以吗？或许很容易，或许很难，谁知道呢？我必须谨慎地撰写我的年度报告。不过，博士您真的做出了一个重要而美丽的发现，我有一种难以形容的喜悦。当酸和氨结合时，产生的物质居然完全不像是盐，这是一种很独特的情况，我想，它对未来的理论研究肯定是具有重大启发意义的。

人造尿素与活力论的瓦解

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为什么我要不惜笔墨介绍贝采利乌斯的这封信，因为这涉及一段重要的科学史。在科学探索的历史中，总是会有一些重要的节点，这些节点就是思想和观念的变革。比如哥白尼打破日心说、拉瓦锡否定燃素说、爱因斯坦突破绝对时空观等等，这些变革往往是推动一门学科大跨步向前发展的起点，是科学史上最重要的时刻。
人造尿素也是化学史上可以与燃素学说被推翻一样重要的事件，因为，原本根深蒂固的“活力论”的观念就此开始瓦解，无机物和有机物之间原本分明的界线就此变得模糊。不过，我们从贝采利乌斯的回信中可以看出，尽管贝大师认为维勒的发现具有重大启发意义，但他并未马上转变观念，怀疑活力论，而是保持了非常谨慎的态度。在科学新发现上保持谨慎态度本没有什么错。
这一年贝采利乌斯 43 岁，正当壮年，但遗憾的是，后续的一系列科学史料表明，贝采利乌斯并没有因为维勒的这个重要发现而主动放弃活力论，建立新思想新观念，他依然坚守着活力论思想，他改变的仅仅是把尿素从有机物清单中去除而已，并未触及活力论的根基。
就这样，贝采利乌斯把建立有机化学的机会拱手让给了比自己小 24 岁的一位年轻人，不过，这正是科学的常态，长江后浪推前浪，江山代有才人出。推动人类化学发展的历史重任交到了尤斯图斯·冯·李比希男爵（Justus Freiherr von Liebig）的手里。
化学有故事，下一期我就来给你讲李比希和有机化学的故事。

信源

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  1. http://chem125-oyc.webspace.yale.edu/125/history99/4RadicalsTypes/UreaLetter1828.html
  2. http://chem125-oyc.webspace.yale.edu/125/history99/4RadicalsTypes/UreaLetter1828.html

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