科普 | 现代化学科学的开创者和引领者——李比希

他短暂的70年人生无疑是成功、精彩和充实的，他被称之为有机化学之父、生物化学科学开创者、化学工业引领者、伟大的化学教育家等等诸多头衔^[1]。他以科学探究与创新精神为探寻真理打开了大门，他的成长感悟、科研历程及精神与态度，需要我们研究、借鉴与学习。

1.1 浓厚的兴趣

李比希的家庭经营着包含药物、染料和油脂杂货生意，店里有些商品需要自主制造。少年时，李比希最喜爱的活动是帮助父亲卖货、在店里看书或药铺中完成实验。在这个时期，李比希通过药剂配制、肥皂等化学品制取等化学实验，充分体验到了化学科学的神奇，这激发了他天马行空的想象力和对探究创新的浓厚兴趣。在当时，虽然德国的化学研究与化学工业相对落后，但欧洲的化学研究已经处于世界领先地位。虽然还有很多人把研究化学的人称之为“巫师”，但李比希对此不以为然，他通过自己的实践发现：化学科学作用对社会作用巨大，通过化学可以创造出许多新物质，这些产品让人们的生活变得更加富足、便捷和美好。这些经历让李比希保持了对化学学习的浓厚兴趣，也为他在科学研究中追求真知、勇于探寻的良好品格发展奠定了坚实基础。

1.2不懈的追寻

李比希以强烈的愿望和实际行动追求真理，在童年和少年时期逐步养成了认真设计和完成化学实验的好习惯，他会特别重视实验现象的观察、记录和反思，对细枝末节、各种现象和特殊情况的出现不轻易放弃思考。另外，李比希为了查找药物配方来到了德国宫廷图书馆，在这里他欣喜的打开了对化学深入学习的大门，通过研读化学家如拉瓦锡、道尔顿、施塔尔、卡文迪许的著作，他的化学知识、科学思维和研究化学的决心都有提升。不过也是在此时，他发现目前的化学科学知识仍然沉浸在哲学范畴，不够系统和科学，这也为他后续的研究方向——通过自己的努力将化学科学进行系统化体系化构建。

随着学习和研究的深入，李比希不再满足于家庭作坊中的实验。他在集市上学会了制造爆炸雷管，购买了制造雷管的仪器，开始对炸药进行研究与制作。遗憾的他没有遵守学校规定，竟然将炸药带入了课堂并发生了爆炸，这吓坏了老师和同学，最终学校把李比希开除了。之后，李比希在父亲的推荐下，进入葛平海姆药房，成为他父亲的朋友皮尔施的药物研究助手。对他很信任允许他独立地进行实验研究，李比希发现了一种物质“具有酸的通性，酸的银盐、汞盐能爆炸（雷酸盐）”。这位年轻的化学家学徒还没有认识到这种物质在干燥的情况下轻轻触碰便会爆炸，几周后剧烈的爆炸声震动了整个药店。当李比希在爆照后睁开眼睛的时，发现自己躺在对面的墙边，身上盖满了灰土。墙壁倒塌屋顶掀翻，药店主人皮尔施和他的夫人吓得浑身发抖，李比希没有获得皮尔施的宽恕，再一次被赶回了家。

1.3 研究的启航

回到家后，李比希恳求家人，希望进入大学继续学习化学。在家庭的全力支持下，李比希在1820年进了波恩大学，很快随卡斯特纳教授来到埃尔兰根大学，并在19岁完成学业获得博士学位，随后又去巴黎留学。李比希在1824年回到德国后，在吉森大学任化学教授。之后的50年里，他的化学研究于创造一直在继续：在1840年当选为英国皇家学会会员，于1852年到慕尼黑明兴大学继续从事研究工作，于1873年4月18日在慕尼黑逝世。李比希的一生取得了许多辉煌成果，在无机和有机化学、农业和生理化学、化学文献编辑和现代化学教育改革等方面均有重大贡献，为化学科学的系统性、科学性发展进行了开创性实践。特别是李比希在吉森大学创建了实验训练和科学研究的公共实验室，开创了化学教学的现代模式；著书立说普及化学知识与思想、创办研究机构与化学专业期刊，为当今的化学学习、研究及发展方向提供了指导性思路。

2 李比希在科学发展上的贡献

2.1确立有机物元素分析法

李比希在1830年把碳氢分析发展成为了精确的定量分析技术，使得化学科学定量研究标准程序确立。科学研究需要将混乱的复杂体系进行梳理从而逐步形成系统，确定可靠、迅速的分析方法是首要任务。此前拉瓦锡、盖·吕萨克及贝采里乌斯等前辈曾用不同方法进行有机分析的研究，但分析样品周期过长。李比希在总结化学家门研究工作基础上创造了有机元素（主要是C、H、O元素）的精确快速的分析方法，李比希法“氧气、有机物蒸气与灼热氧化铜接触下可以完全燃烧，故先将样品蒸气和足量氧气通入装有氧化铜的硬质玻璃管中使样品充分燃烧，产物经过装有无水氯化钙的干燥管吸收水蒸气；产物再通过浓氢氧化钾溶液吸收二氧化碳。从两个吸收管的重量变化分别计算出样品中碳、氢和氧的含量，从而计算出有机物的实验式（最简式）”，装置见图2。

随后李比希创造了测定有机化合物中氮、硫和卤素的方法“①N元素：将样品与石灰共热，将产生的氨气吸收并进行滴定；②S元素：应用硝酸氧化有机化合物中的硫元素为硫酸盐，再用氯化钡将其沉淀为硫酸钡后进行定量测定；③卤素：将有机物中卤素水解生成卤素离子在加入硝酸银沉淀为卤化银，再进行定量计算”。利用李比希法精确快速的特点，他及其学生分析了大量有机物，如苯甲酞基物、尿酸等代谢有机物、有机酸和生物碱生命体有机物等，确定了它们的化学组成和分子式。这为有机化合物的分类、基本理论的形成打下了坚固的实验证据基础，故李比希常被称为“有机化学之父”。

2.2开创了农业化学科学门类

李比希的科学信念中一直奉行“为人类谋福利”。1840年至去世前，他在农业化学和生物化学上一直坚持不懈的进行着另一开创性研究。李比希著作《化学在农业和生理学上的应用》（图3）的第一章节为《植物营养的化学过程》，这里他科学论述了植物摄取营养的过程并对植物生长所需要的营养元素进行细致分析，为现代作物栽培甚至耕作制度提供了科学理论基础。第二章节《农耕的自然规律》中讨论植物、土壤和肥料三者的营养物质变化，提出了元素平衡理论和营养物质补偿学说，向世界揭示了磷酸盐（磷肥）、铵盐（氮肥）等在农业生产中的不可替代作用。

补偿学说将地球上的生命现象（代谢等生命活动）作为一个动态循环过程加以理解，这是突破原有理论限制的划时代创新。李比希科学地论证了土壤肥力的重要性和保持方法，这是近代农业化学科学的基础，从而成功开拓了农业化学这一科学门类。李比希最终创造出了钾盐和磷酸盐等可溶性的人造化学肥料，提高了农作物产量，让自己为人类富足而努力的愿望得以实现。

2.3开辟了生物化学研究领域

李比希的另一开创性研究是“生物化学”科学门类。他于1839年从化学视角阐明了发酵现象的本质提出“发酵学说”，后续又研究了生物碱、分析蛋白质结构及其性质、功能的过程中人类历史上首次分离出了氨基酸与酰胺（1846—1852年）、肌酸和肌酸肝（1847年）等，在生物化学领域对动物的肌肉、脂肪、血液与体液等进行了深入且成系统的定性与定量分析实验。特别是李比希分析了人体营养物质的生物转化机理，如淀粉和糖可以转化为脂肪的化学历程。将研究应用于生产，他发明了初代泡打粉和婴儿食品、风靡欧洲的抹酱辅食。如在1947年发明了替代“鸡精”的“肉茶（浓缩的肉汤）”，见图4。

实际上为治病而生的肉茶初衷是辅助治疗霍乱，后逐渐风靡世界。他把牛肉压碎泡热水撇油，再在高温高压下进行浓缩得到黏稠的牛肉浆，一茶匙肉汁能兑出两升肉汤（高于鸡精）。李比希通过工业化生产+全球采购食材的方式，降低了生产成本让鲜味浓缩物提升普通人的生活品质，这也是食品化工的雏形，他的研究、发明和产品生产模式为现代食品加工、生物化学研究提供了科学化路径。

3.1 师徒制走向师生制

当时欧洲的化学教育一直以来都是师徒制传授方式，这就导致化学科学的传承与发展受到很大阻碍。1822年，李比希留学法国接受盖·吕萨克的指导就是师徒制的教育，由于私人实验式容量有限进入困难，很多对化学研究有兴趣的青年不得以被拒之于门外。李比希一心希望改变这种状况，在1824年李比希开始了公共实验室的筹建，在多次向德国政府申请无果后，李比希最终以自筹经费和倾其所有的方式将一栋废旧兵营改造，世界上首个公共实验室（吉森实验室）终于在1826年正式落成（见图5）。

吉森实验室可以同时容纳二十余名学生进行实验训练、化学学习和科学研究，公共实验室的创立打破了传统斯人实验室中师徒制。创造性地将教学和研究相结合师生制是现代自然科学教学在高等学府中的基本制度，先进的培养制度也为世界造就了无数化学家。

3.2 开创现代化学教育先河

传统的化学教学传授的知识体系不是以实验为基础的，这让化学科学更多停留在哲学思辨范畴，李比希充分认识到低水平的教学方法不能承担起化学教学、研究与发展的重任，这种状况必须发生改变。他和助手创新了化学教育模式“首先对化学初学者进行基本概念、理论和实验操作及技能统一的短时间培训，再利用绝大多数时间在公共实验室中指导学生动手实验或进行研究工作^[3]（见图6）”，这也是最早的“做中学”“化学实验是化学科学的基础”“导师制”的新化学教育模式。

这种教育模式扭转了低水平化学教育中忽视“科学实验”的导向，形成了科学的系统化教育，将化学知识的积累、实验技能的培养、研究方法的训练、科学态度与思维的形成引入到化学教育，为化学教育发展做出了伟大的贡献。

3.3 形成首个自然科学研究学派

求真求实的教学态度和热情执着的性格特点让李比希的教学独具风格，吸引了大量优秀青年前来学习。科学的教育理念与模式帮助吉森实验室的学生在化学研究中取得了丰硕的成果，仅化学诺贝尔奖得主就有40余位，见表1。

表1 吉森实验室部分学生介绍

Table 1Introduction of some students in Giessen Laboratory

李比希培养了众多的化学领军人物，同时形成了第一个自然科学学派——李比希学派（吉森学派）。学派整体协作与协同研究比起个人研究更具有互补性和互促性，学派研究是对科学家个人研究加和效应的几何倍数放大，吉森学派为现代科学研究构建了一种科学有效的研究团体组织模式，这也是目前世界上各研究机构、公司或科研部门的雏形，在集体智慧下科学研究的进程被大力推动。

4.1 探究精神

“错误之柜”是鞭策科学家们不断深入研究、求实创新的真实事件^[4]。1825 年李比希已是吉森大学的教授，他在分析一瓶浸泡过海藻植物灰的溶液成分时，在母液中依次加入氯水、加入淀粉试剂，发现母液中出现蓝色，从而证明母液有碘化物；一段时间后他又发现该蓝色溶液上层有少量棕色液体出现。由于当时还未发现溴元素，李比希想当然地断定这是氯与碘生成的化合物“氯化碘（ICl）”，写上“氯化碘”标签贴在这瓶盛有棕色液体的试剂瓶上，将之放置于柜子中就置之不理了。一年后青年化学家巴拉尔将提出食盐、硫酸钠后的盐湖水废弃液中加入氯水时，也发现生成了一种棕黄色液体，他用蒸馏法收集到一种红棕色有臭味易挥发的液体。巴拉尔没有武断的确定该物质，他分析有两种可能：一种可能是直接生成氯化碘；另一种可能是被氯气置换生成的一种全新元素单质（图8）。

对此暗红色液体采用实验方案探究元素性质，最终得出了这是与氯、碘不同但化学相似的全新元素，因具有臭味被巴拉尔命名为“溴”元素。当李比希看到巴拉尔的报告后懊悔不已。报告中所做的实验、所描述的现象与一年前他所做一致，但自己太过武断了。李比希反思了自己的粗心和缺乏探究精神，致使自己主观地错过发现新元素的机会。为了用这个深刻的教训警醒与鞭策自己、告诫学生，他把“氯化碘”标签揭下来，并把盛放过试剂的柜子放在吉森实验室大厅中央展示。“错误之柜”由此而来，这是一位科学家的反思与感悟，同时也是对科学精神与态度的生动诠释。

4.2 合作共赢

团队协作是重要的科研形式，李比希和维勒可以称之为化学双子星，见图9。李比希具有充满幻想的思维方式和狂热的钻研精神，维勒善于根据预先制定的计划进行精雕细刻的研究，两位科学家之间的友谊深厚互为补充，让彼此的科学研究充分发展。

他们在关于苯甲酸（安息香酸）系列物质的研究中发现了苯甲酰基，这为“基团论学说”提供了科学实验依据，发表了《关于苯甲酰基的研究》，开创了植物化学研究先河；共同研究了密石酸的组成和扁桃甙发酵机理，共同推动了生物化学的发展；一起编辑了对化学发展有着重大影响的《化学辞典》《李比希化学年鉴》和联名发表高质量学术论文，为化学文献的专业化蓬勃发展提供了契机。这对双子星用友谊、智慧与协作为近代化学科学发展奠定了深厚基础。

4.3 科学思想

李比希的科学思想影响了一代代科学研究者。人类对事物的科学认识与研究是由“实践到认识、发现问题与深入研究、再实践与再认识”的有序迭代过程。李比希充分把握了科学发展脉络，他在原有知识基础上以科学实验为依据跳出传统的哲学思辨约束，秉承前人的先进思想和开创自身新的化学思维相互并重，这是科学发展与研究过程真正需要的精神与品质。晚年时李比希曾说：“如果精神和肉体的虚弱阻止我们去参加伟大的创造，那么生活就变得索然无味了^[5]”，这正是他一生科学思想的真实写照，也是引领世界两百年来化学科学飞速发展的精神追求。

以上为科学巨匠李比希的故事。回顾近代我国的化学科学研究发展，同样涌现出了许许多多杰出的化学家，侯德榜先生及侯氏制碱法、张青莲院士和稳定同位素应用、黄鸣龙院士和甾体药物开发、徐光宪院士和稀土工业生产、共和国勋章获得者屠呦呦和青蒿素研究与药物应用等等。向中国的学生、研究者们呈现了科学家坚韧不拔、勇于探究、能够创新等综合素养，指引越来越多的青少年投身于科学研究事业，为人民富足、社会发展和祖国强盛而不懈努力着^[6]，也使我国化学科学研究逐步接轨世界前沿，在很多化学门类领域为化学科学发展提供了新方向与思路。

[1] 张大伟,许海,贾琼,等.近代化学巨匠：尤斯图斯·冯·李比希[J].化学通报,2022,85(09):1139-1146.

[2] 搜狐网.刻在所有人DNA里的滋味，是它[EB/OL].[2022-5-25].https://chihe.sohu.com/a/551115133_113612

[3] 何振海,张铭.学者·导师·学派领袖——吉森学派创始人李比希的学术角色及其理念[J].河北师范大学学报(教育科学版),2021,23(06):19-26.

[4] 陈新.溴的发现与李比希的错误之柜[J].中学生数理化(八年级物理)(配合人教社教材),2010,(06):45.

[5] 乐宁.李比希:振兴德国化学工业的巨擘[J].自然辩证法通讯,1983,(03):69-79.

[6] 胡祥明.中国科学家精神时代内涵的凝练及塑造[J].科协论坛,2018,(12):8-11.