创新就这几招

案例学习:凯库勒的千古一梦

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人几乎每天都会做梦。梦的内容各式各样,千奇百怪。许多人对梦都不太留心,过后便忘。但凯库勒的“蛇梦”,却令他解决了一大化学难题,堪称“千古一梦”。

在有机化学创立之初,许多有机物的结构是不清楚的,而它们的结构和性质是密切相关的。因此,要认识它们的性质,就要去搞清它们的结构。结构分析,成为有机化学家的一项重要任务。

有机化学王国中有一个特殊的家族,叫做芳香族。这一族化合物在化学合成中有很大的重要性,可以做药物,做染料,做各种人类需要的东西。这一族中最简单的化合物是苯,它由6个碳原子和6个氢原子组成。要充分认识这种物质,要就知道它的结构。

对于苯的结构,科学家曾一直无法解开。碳原子是4价的,就是说,它将与4个氢原子相结合;氢原子是1价的,4个氢原子才能满足1个碳原子的化合价。苯的分子式中氢原子与碳原子的数量相等,化学价不能达到平衡。在它的内部,氢原子与碳原子是怎么结合的呢?它的结构是怎样的呢?这个问题在很长时间中一直是个谜。

德国化学家凯库勒一直研究着苯的结构。他连续工作了好几个月,但是一直得不出满意的结论。一天,他坐了马车回家,他太累了,马车在路上摇摇晃晃行驶着,他进入了梦乡。他做了一个梦,梦见以前思考过的几种苯的结构图在眼前飞舞。忽然,其中一个分子结构变成了一条蛇,这蛇首尾相衔,变成了一个环。正在这时,马车夫对他说,克莱宾路到了。凯库勒从睡梦中醒来,梦境历历在目。这个梦给了他启发,苯的结构问题所以长期得不到正确的答案,是化学家们把它看成了链状结构,而没有想到它是环状结构。

凯库勒在梦境的启示下,凯库勒很快画出了苯的结构式:这是由6个碳原子组成的环状物,碳原子之间互相以双键相连接。这是一种相当稳定的结构,每个碳原子除以双键和单键与另一碳原子相连外,还与一个氢原子相连。这样,不仅能很好地解释苯的分子式,也能很好地解释它的化学性质。

苯的结构式的发现,是一项巨大的成就,它有力地促进了有机化学的发展。1890年,在德国化学学会的庆祝会上,凯库勒应邀介绍了这个发现的过程,引起了许多人的兴趣。

有好几个化学学会的人员雇了马车在傍晚的大街上缓缓行驶,他们希望也能在马车上酣然入梦,在一觉醒来时也能像凯库勒一样做出一项杰出的发现。但是,好几位乘上马车溜达的人没有睡着;有几个睡着了,但没有做梦;有几个做了梦,但是,做的是与化学无关的梦,有的人做起了关于科学的梦,但是什么启示也没有,什么作用也没有。看来,要从梦中得到灵感,也不是一件容易的事。

做梦是对凯库勒的慷慨恩赐,也是对他长期苦苦探索的一种报偿。如果没有他长年累月的探索,他可能就不会做那个蛇变成圆环的梦,也可能即使做了这样的梦,也不会有所领悟的。

无独有偶,美国一个工人也从梦得到启示,使橡胶得到了广泛的运用。

1493年,大航海家哥伦布航行到美洲,发现了许多从未见过的有趣的新事物,橡胶就是其中之一。他看到,印第安人从一种树上割取乳白色的树液,固化后做成皮球,做成鞋子。这种球弹得很高,这种鞋雨天不会浸水。这种树,就是橡胶树,这种乳白色的物质就是橡胶。哥伦布看着有趣,就带了一些橡胶球回到欧洲。但是,欧洲人不知道它有什么用处,从美洲带回欧洲后一直存放在博物馆里。

后来,橡胶渐渐地得到了利用,有人把它涂在布料上,做成了雨衣,有人用它做成靴子。不过,橡胶的性能不够理想,做成鞋子虽然不漏水,但是,它怕热,也怕冷。热天太阳一晒,就会变粘发软,失去了原来的形状;冷天里它又变硬变脆,很容易破裂。如果能耐热耐冷,增加强度,它的用处就可以扩大。

300多年后,美国工人古特义想到,为何不用化学方法改善橡胶的性能?如果橡胶的性能得到了改善,就可以做成一种耐高温、耐寒冷、耐压耐磨的产品。他在橡胶中加进这种东西,就像在黑暗中探索着,但是,效果都不大理想。

一年又一年过去了,古特义还是不断地实验着。

有一天晚上,他做了一个奇怪的梦,他梦见自己在做橡胶性能改进的实验。实验台子上摆满了各种试剂,烧杯里正在加热生橡胶。突然,他不当心碰倒了一只瓶子,瓶子里的一种粉末正好撒进了加热的橡胶里。后来,橡胶冷却了,他摸摸橡胶,发现它的性能变得很理想,弹性好,牢度高,耐冷耐热,热了不黏,冷了不脆。他梦寐以求的正是这样的产品啊。他拿起瓶子一看,原来是盛着硫磺的瓶子……

他从梦中惊醒,踏破铁鞋无觅处,得来全不费功夫。他重新用硫磺进行实验,不断地探索硫磺的用量与橡胶性能之间的关系,逐步完善了加硫的方法和比例。经过了一次又一次的实验,古特义发明了硫化橡胶。

原来,天生的橡胶中,橡胶分子的排列比较混乱,分子容易变形。而加入硫磺以后,橡胶分子以硫磺为中心进行了重新排列,分子的位置就相对固定了。由于结构发生了变化,熔点升高了,机械性能提高了,不会变形,也不会脆化。这一次改革,赋予了橡胶以新的生命,从此,它在工业、生活中得到了广泛的应用,轮胎、雨衣、胶鞋,都是橡胶做成的。

灵感拜访古特义,创造机缘入梦来,这好像偶然,实际并不偶然。他对这个问题已经思考了八年之久,长期的思考激活了他的神经系统,每一个神经元都处于兴奋状态,就是夜晚的睡梦中,他的潜意识也在工作着,思考着,寻觅着。睡梦中,潜意识在工作中发现了什么,通过梦的形象的启示通知他。接着,他的意识开始工作,有意识地进行一次次的实验,终于证实了梦中的启示,并且完善了梦中的结论,做了进一步的探索,最后做出一项完整的发明。