来源：知乎
作者：鲁超
链接：https://www.zhihu.com/question/34007724/answer/737862207
我就讲几个比较意外的关于chem is try（化学就是试验）的故事吧。
页岩气革命
天然气的分布极广，最早人们只能开采较连续的气田。随着对能源需求的提升、技术的进步，人们又将眼光投向页岩气、可燃冰等非常规能源。
1997年，美国商人米切尔的能源公司的浅层天然气储量已经岌岌可危，虽然米切尔能源公司拥有德州北部的大片页岩层，但从来没人能从这种致密岩石层中稳定地大量开采页岩气。比米切尔能源大得多的能源公司，例如艾克森（Exxon）、雪佛龙（Chevron），宁可开辟海外市场，也不愿意进行页岩气开采尝试。
留给78岁米切尔的时间不多了，万般无奈之下，他把赌注压在页岩气上。
▲号称“页岩革命之父”的乔治*米切尔。
其实在这之前，米切尔公司的工程师们也不是没有想过办法，他们尝试过各种化学品复配的试剂，都宣告失败。没想到这次一个工程师使用了错误的配方，多加了水，稀释倍数比之前高了很多，却得到了更高比例的页岩气。他们看到了希望，使用这个“偏方”最终获得了成功，原本萎靡不振的米切尔能源开始复苏。2001年，米切尔能源的天然气产量比起1999年来飙升250%，这在能源史上都极为罕见。同年，米切尔能源最终被另外一家同等规模的能源公司以31亿美元高价收购。
类似米切尔这样的冒险家还有很多，页岩矿井在美国遍地开花。美国的整体石油对外依存度从2005年的顶峰60.3%，降到2014年的27.9%。2014年，美国已经取代了俄罗斯，成为了全球最大的天然气生产国（页岩气占到了25%以上）。这就是页岩气革命！
▲开采页岩气的压裂技术。
聚四氟乙烯
普伦基特是美国杜邦公司杰克森实验室的化学家。1938年夏天，普伦基特正在研究氯氟烃的制备，之前成功商业化的氯氟烃都是氯氟烷烃，可是他对氯氟烯烃产生了兴趣。他选择了最简单的四氟乙烯，他将四氟乙烯存放在干冰冷却的钢瓶里，以做进一步的研究。有一天，他和助手一起打开了钢瓶，希望四氟乙烯气化通过流量计进入反应器。没多久，他们发现四氟乙烯的流动停止了，普伦基特发现钢瓶里还有不少东西，他摇晃钢瓶，发现里面有一些固体物在响动。
▲普伦基特的团队正在研究四氟乙烯。
他用一把钢锯把钢瓶锯开，竟然发现相当多的白粉末。普伦基特明白了，四氟乙烯聚合了，这白色粉末就是高分子聚合物：聚四氟乙烯。他继续研究，得到了更好的方法制造更多的聚四氟乙烯。1941年，普伦基特通过专利首次把聚四氟乙烯公之于世。1945年，杜邦公司为聚四氟乙烯注册了Teflon商标，中文称为：特氟龙。
▲杜邦的商标总是能成为一个产品的代名词，我们的文章里已经接触过好几个了：Spandex，尼龙，Freon，Teflon。世界的发展需要这些伟大的创新公司
磷的发现
十七世纪，现代化学还未建立，炼金术士们相信世界上存在着一种“哲人石”，可以点石成金。这些炼金术士们找来各种晦涩的书籍，尝试各种诡秘方法去寻找这种传说中的石头。
1669年，德国汉堡有一位商人兼炼金术士布兰德，他相信人尿液中含有一些精华物质，所以他搜集了很多尿液，不停的蒸发蒸发再蒸发。我真不知道他是怎样弄到这么多尿液，又怎么忍受的了这些味道，只知道按照记录，他总共蒸发了5500升尿液，得到125克白色蜡状物体。
▲布兰德天天蒸馏尿液，以为自己发现了哲人石。
布兰德欣喜若狂，以为自己成了“哲人石”的发现者。然而他又迅速失望，因为这种白蜡跟黄金一点都不一样，把它放到空气中很容易自燃，发出奇特的绿光，不热也不会点燃其他物质。他用“冷焰”命名这种新物质，也就是磷现在的英文名“phosphorus”。
1675年，化学家昆克尔听说布兰德的发现，想买到这个配方，结果布兰德卖给了出价更高的昆克尔的朋友克拉夫特。后来昆克尔自己也独立发现了这个方法，毕竟，蒸馏尿液也没什么复杂。
克拉夫特带着这个“神秘”配方自以为是的巡游欧洲，到处展示新发明。到了英国，他遇到了大化学家波义耳，他将磷的样品给波义耳看，并透露了提取方法。波义耳估计是嫌这种方法太恶心，或者他不知道怎么去搞到那么多尿液，便改进了实验方法，用碳和石英在高温下还原磷酸钠，也同样得到了磷。
▲波义耳用更好的方法得到了磷。
不锈钢
1908年,英国谢菲尔德的两大钢铁生产商布朗公司和菲斯公司联合成立了一家实验室：布朗菲斯实验室，他们聘请布雷尔利开发新型钢铁合金，以应付庞大的军火需求。从1912年开始，布雷尔利接受到一个棘手的任务。在战场上，士兵们最头疼的问题是枪管、炮管总是容易磨损，使用一段时间就要运回后方整修。他在实验室里让小伙子们按照各种比例将不同元素掺入钢铁里熔炼，然后测试它们的耐磨损性能，好的留作开发，坏的堆放在角落里，时间一长，废弃样品房间里也放不下，就只好堆放在户外。
▲布朗菲斯实验室。
几个月后，已经进入1913年，耐磨项目还未完成，布雷尔利正在实验室里焦头烂额的布置实验任务，一个小伙子从门外冲进来，拿着一块光亮的样品叫了起来：“快看！快看！”
“有什么好看的？” 布雷尔利没好气的说，“从垃圾堆里翻出金子了？”
“你看！这块样品在外面放了几个月，即使日晒雨淋，却仍然如此光亮！”
布雷尔利不禁睁大了眼睛，这真是意外收获！要知道，钢铁最怕的就是水腐蚀，几个月户外的日晒雨淋后还不生锈，在当时是不可想象的。对于当时的冶金学家们来说，耐磨只是一个眼下的应用性难题，而解决腐蚀则是一个革命性的课题！
▲公认的不锈钢的发明者：布雷尔利
布雷尔利翻出实验记录本，根据编号记录找到了这个样品的成分，这是一种含铬12.8%和含碳0.24%的合金。他带领团队继续研究，轮流用酸、碱、盐等“满清十大酷刑”去考验这种新的金属，这块合金任它风吹雨打，我自巍然不动。
几天以后，实验员们终于被它折服了，准备用他们常用的方法——硝酸的乙醇溶液——给它蚀刻上标示，这时才发现蚀刻根本不起作用，大家不禁相视而笑，他们面对的真是价值千金的大发明“不锈钢”啊！
▲在布朗菲斯实验室遗址，布雷尔利和他的发现声明。
魔酸
1966年，美国化学家奥莱教授的一个助手不小心将一块蜡烛丢在了一个装了酸的容器里，他惊奇的发现蜡烛很快溶解了！要知道，蜡烛是一种长链烷烃，主要参加自由基反应，一般认为它们是老老实实的有机物，跟酸碱反应从来就是绝缘的！
▲1994年诺贝尔化学奖获得者：奥莱。
奥莱教授也震惊了，他带领团队仔细研究了一下，发现溶解蜡烛的酸是五氟化锑和氟磺酸的混合物。由于该现象过于神奇，奥莱团队给这种酸起名“魔酸”。他们又给反应后的蜡烛溶液做了核磁共振分析，发现其中竟然有一个尖锐的碳正离子峰，说明“魔酸”竟然将烷烃给质子化了！他们继续实验，发现“魔酸”不仅可以攻克蜡烛的防线，其他烷烃、烯烃的堡垒也都一座又一座被“魔酸”这种超级攻城利器攻克了，生成了一种又一种碳正离子。
一直以来，碳正离子仅仅存在于化学家的理论中，作为一种假设的中间产物，因为它的反应活性太强，实在很难保存。如今奥莱团队终于发现，碳正离子不仅真是存在，而且可以保存在魔酸溶液里，参与下一步的反应。1994年，因为对碳正离子的研究，奥莱被授予当年的诺贝尔化学奖。
▲魔酸将甲烷变成碳正离子和氢气，并进一步反应生成乙烯，开辟了新的化学反应路径。
一只猫发现的碘元素
1809年，一个西班牙人发明了用海藻灰处理智利硝石的方法，利用高低温溶解度不同的原理，将硝酸钠变成硝酸钾。
▲拿破仑军事的终点：滑铁卢战役。拿破仑擅长使用炮兵，用硝石制成的火药必不可少。
法国商人古多瓦得到这个工艺，立刻开办工厂，发了军火财，挣了很多钱。有一天他发现装着海藻灰溶液的铜制容器腐蚀的很厉害，所以他前往自己的实验室，对此加以研究。
一天中午，结束了一个上午的实验，古多瓦蹲在一边吃饭，突然，不知道从哪里跑过来一只猫，窜上了古多瓦的实验台。古多瓦紧张的站了起来，却让那只猫更加惊慌，它忙不择路，先打翻了一个瓶子，又打碎了一个烧瓶，一溜烟逃走了。
▲碘元素的发现者：古多瓦。
古多瓦还没来得及生气，就发现两个瓶子里流出的液体混在一起，似乎发生了什么神奇的反应，一缕蓝紫色的“仙气”缓缓升起，这可是从来没见过的异象。
古多瓦查看了碎瓶子的标签，一个瓶子是海藻灰的酒精溶液，另一个瓶子是铁的硫酸溶液。他又重复了“猫的实验”，确实每次都会得到蓝紫色“仙气”，这种“仙气”冷凝之后竟然不会变成液体，而是直接凝固成一种暗黑色金属光泽的固体。
▲碘蒸汽是这种特殊的紫色。
古多瓦毕竟是一个商人，他没有能力判定“猫的实验”给他带来的究竟是什么新玩意。他把得到的这些样品邮寄给了法国当时最牛的科学家盖吕萨克和安培。盖吕萨克分析之后认为，这要么是一种新元素，要么是一种氧化物。但他建议，因为它的蒸汽是紫色，如果最后判定这是一种新元素的话，就用希腊语中的紫罗兰（ioeides）来命名——iode。安培毕竟主要精力在物理，他拿不定主意后将样品又邮寄到大洋对岸的英国，给了大帅哥戴维，戴维立马判定这是一种新元素，并指出它跟氯的性质很相似。
当时的英法关系势如水火，戴维和盖吕萨克打了民族主义的鸡血，一场谁先鉴定出这是一种新元素的论战立马展开了。不过他们俩都承认，是古多瓦发现了新元素，他们也都同意盖吕萨克的命名方案，将新元素命名为Iodine（加上卤素的后缀），翻译成中文是碘。
▲暗黑色，带有金属光泽的碘单质。
X射线
1895年末，伦琴开始对当时最时髦的克鲁克斯管感兴趣起来。这是英国物理学家克鲁克斯发明的一种玻璃管，实际上就是将玻璃管抽真空，两端焊上金属电极，通上电流以后，管内就会放电，管内和管壁一起发出冷光。这种场景经常在电影中科学狂人的实验室里见到，在19世纪末，这确实是科学界最流行的玩意儿，下面我们会看到，这神秘的玩意儿会给我们带来哪些神奇的发现。
▲克鲁克斯管，下面是通电以后的情形。
有一次，伦琴发现克鲁克斯管不远处的一包照相底片竟然神不知鬼不觉的曝光了。其实，当时“玩”克鲁克斯管的科学家很多，包括克鲁克斯本人在内，都注意到了这种现象，但是所有人都没有重视。既然照片会曝光，那就放远一点呗，反正跟我的研究也没啥关系。
但伦琴认为，此事必有蹊跷，他开始认真的研究此事。
▲伦琴的侧面。
他尝试了几个实验，都没有头绪，有一天他突发奇想，会不会是外部的光线射入克鲁克斯管，引起了什么反应。如果将管子包裹起来，会是什么样的情形呢？照片还会曝光吗？
一天晚上，他将一张黑色的硬纸板卷在克鲁克斯管的外面，做了好几个实验，又是没有任何结果。写完实验报告，他打了一个哈欠，穿上大衣，关上电灯，正准备离开实验室，却想起来电路还没掐断呢，于是他来不及开灯，转过身去摸回实验台寻找电路。就在这时候，他猛然看到另一张桌子上面，有什么东西正在发着神秘的冷光，好似深夜中的萤火虫。
▲伦琴究竟发现了什么？
伦琴似乎发现了宝藏，到底是什么东西在放光？借着微弱的冷光，他发现原来是一张涂了铂氰酸钡的纸。和很多含钡的化合物一样，铂氰酸钡也是一种能放磷光的物质，只要有光在向它照射，它就会放出冷光。
可是，现在实验室不是漆黑一片吗？通着电源的克鲁克斯管倒是可以发出冷光，但实在太微弱了，何况它还包裹着厚厚的黑纸板呢。
▲伦琴在实验室里。
究竟是怎么回事？伦琴踌躇了半天，才想起他本来是要关掉电路。当他掐掉电路，却发现铂氰酸钡纸发出的冷光渐渐消失了。难道，铂氰酸钡纸发出的冷光竟然和厚厚包裹的克鲁克斯管有关系？小小的克鲁克斯管里竟然有东西能穿越厚厚包裹的黑纸板，跟纸上的化学物质发生神秘的反应？
▲谦逊的伦琴正面像。
经过反复实验，伦琴终于相信，克鲁克斯管里确实在发出一种未知的神秘射线，它的穿透性特别强，不光能穿过黑纸板，就算是穿过厚厚的书、木板、铝板，最终涂上钡盐的纸上还是会出现冷光。
有一天，伦琴的妻子来到他的实验室，他让她把手放在用黑纸包严的照相底片前面，然后用神秘射线照射，显影后，底片上竟然清晰地呈现出他妻子的手骨。
他妻子惊呆了：“我的天哪，这不会是我的手吧！”
“没错，就是你的手！”伦琴得意的笑道，“没看到你的结婚戒指吗？”
▲珍贵的照片：第一张X射线显影的照片，来自伦琴妻子的手。“没看到你的结婚戒指吗？”^_^
这真是太神奇了，在这之前，没人想到过，不用解剖，就能看到人体内部的骨骼。没过几天，已经开始有医生开始用这种射线来给患者检查身体了，我们现在还在用呢。
▲这可不是伦琴妻子的手，是1896年珍贵的老照片，医生已经开始用X射线来给畸形患者进行诊断了。
1895年12月28日，谦逊的伦琴发表了报告《一种新射线——初步报告》，其中提到他还不了解这种射线各方面的特性，还需要继续研究，因此给它起名“X射线”，尽管有人叫它“伦琴射线”。
但其他科学家已经按捺不住了，一时间，几十篇报告蜂拥而至，一些物理学家甚至提出自己也发现了神秘的新射线，更多的科学家开始对这些神秘射线的原理进行猜测，一个新的时代来临了，我们后面再慢慢讲这些故事。
▲伦琴的实验室。
不管伦琴再如何谦虚，由于“X射线”的发现，1901年他被授予第一届诺贝尔物理学奖。
平心而论，他不是最有才华的科学家。他虽然打开了放射性的大门，但获奖之后再无重大发明发现。看起来他发现“X射线”是偶然的，却又是必然的。必然性就在于他对微小的异常现象进行特别关注和深入探索，这本身就是伟大科学精神的重要方面。
有记者采访他：“您在碰到这类莫名其妙的想法时，心里是怎么想的呢？”
“我没什么想法，我只是做实验。”他简单的回答道。
▲伦琴的墓，位于德国吉森。
放射性
伦琴X射线后的那段日子里，几乎所有的实验室里都在研究各种各样的“射线”，但第一个对X射线给出解释的人，竟然是一个数学家——庞加勒。
法国人庞加勒堪称一位全才，数学、天文、物理，以至哲学都是世界级，甚至有人帮他叫冤：“实际上是庞加勒先于爱因斯坦发现了相对论。”
今天的我们不在意这些细节，我们要说的是他对X射线的“误导”。他尤其注意到伦琴X射线里的磷光现象，于是在1896年1月20日的报告中提出：“一切强烈的磷光物体都能发生X射线，哪怕在没有克鲁克斯管的情况下。”
▲庞加勒在X射线的解释上瞎指挥，却有了重大发现。
法国物理学家贝克勒尔也是X射线答案的追寻者之一，他父亲是磷光现象的专家，所以他也一直对各种磷光现象非常感兴趣，这是他在这项研究工作中得天独厚的先天优势。
也许真的是巧合，庞加勒做报告的那一天，贝克勒尔正好在场，而且恰好和庞大师邂逅。他们聊起X射线的话题，贝克勒尔自报家门对磷光非常感兴趣，庞加勒灵光一现，立刻建议小贝回去试试磷光，看它会不会产生X射线。
▲1903年诺贝尔物理学奖获得者之一：贝克勒尔。
第二天，贝克勒尔一到实验室，就找出各种磷光物质，根据他之前的经验，硫酸铀钾等几种铀盐的磷光现象最为明显，用它们来实验最合适不过了。他将照相底片包在一张密实的黑纸里，铺上一张薄纸，中间夹了一层剪成花样的金属片，最上面撒了铀盐。这一套组合完毕，就拿到太阳底下照射。
过了一段时间，贝克勒尔将底片拿去显影，底片上果然出现了金属片的花纹。小贝心想：“庞大师，我可真服了你！”很明显，铀盐的磷光作用，发出了X射线，穿透了黑纸，使底片感光。花纹则是射线无法穿过密致金属挡住而无法感光的地方。
▲贝克勒尔在实验室里。
小贝立马做了报告，成为众多佐证庞加勒观点的科学家之一。可是贝克勒尔并不是一个浅尝辄止的人，对于如此新奇的事物，他可没玩够。
2月26日，他又一次准备好了那套组合：黑纸包底片、花纹金属片、薄纸和铀盐。这时突然天上乌云密布……好吧，那就等第二天吧！
巴黎那几天的天气非常糟糕，第二天、第三天甚至第四天，巴黎人连一缕阳光都没见着。贝克勒尔等不及了，他第二天要去科学院参加一个报告会，他希望能够有更加十足的证据支撑他的结论。他必须要把黑纸打开，让底片去显影。
▲毕莎罗1897年大作《巴黎蒙马特大道（阴天）》。
贝克勒尔一边工作一边盘算着，连续好几天的阴天，铀盐产生的磷光应该非常有限，曝光的力度应该很弱，底片上应该是一片模糊吧？
结果让他大吃一惊！底片上黑白轮廓分明，之前还没有看到过对比如此鲜明的明暗花纹，贝克勒尔顿时一头雾水。
▲贝克勒尔用铀盐照射的胶片曝光以后的情形。
贝克勒尔又将这套组合放进一个密闭的盒子里一连好几天。这总不会有磷光了吧？可就是这样，底片还是感光了，而且时间越长，底片越见清晰。
难道X射线跟磷光没关系吗？难道铀盐不需要磷光就可以发出X射线吗？
这时有人指出，这不是显而易见吗？你用的都是铀盐，说明可能是含铀物质发出不可见的射线啊。小贝当然不会放过这条蛛丝马迹，他尝试了铀的各种化合物——氧化物、铀酸、各种铀盐，还试了纯铀，果然都可以让底片感光，留下鲜明的花纹。
结论很明显了：同克拉普罗特认识的那样，铀是一种尤其特殊的元素，它无时不刻都在发射出一种不可见的射线。这种射线可以使底片感光，这与磷光现象根本没有一点关系。
▲我大铀元素就是如此与众不同！
原子核式模型
卢瑟福的老师JJ汤姆森（不是开尔文）在1897年发现了电子，几年后，汤姆森提出了他的“梅子布丁模型”，带负电的电子好像梅子散布在带正电的原子“布丁”上。对此，科学界提不出更好的意见，没有太多异议，这里面也包括卢瑟福。
1909年，卢瑟福获诺奖一年之后，他带领两位年轻人盖革和马士登（当时还没毕业）做了一个著名的实验。他们用镭射出的α粒子轰击不同厚度的金箔，希望研究在不同厚度的金属下，α粒子的数量和偏转角的数学关系。
有人问为什么用金箔呢？因为金很软，柔韧性好，可锻造性特别强，容易被打造成超薄的箔片。
▲做了“金箔实验”的三位科学家：卢瑟福、盖革、马士登。（从左到右）
他们做了几次实验，得到了一些数据，都是α射线方向一定角度范围内的偏转数据。正当两位年轻人正准备将这些数据进行分析时，卢瑟福大boss黑着脸出现了：“No，No，No！”他认为没毕业的马士登还过于年轻，实验技能还需要经常被挑战和接受考验，因此他让马士登把360度每一个角度都做一下测量。马士登一边心里暗暗的骂着该死的老板，一边怒视着偷笑的盖革，只好转过身去重新布置实验仪器。
对这个实验是没抱任何希望的马士登继续做着实验，几乎昏昏欲睡，突然一个数据闪过，让他睡意全无。在α射线的入射方向，硫化锌屏幕上竟然出现了一个亮点！这是啥情况？难道有少量α粒子被反射回来了？
▲“金箔实验”仪器的复制品。
他多次重复了实验，这个现象确凿无疑。他叫来了盖革和卢瑟福，卢瑟福也震惊了。他事后回忆说：“这就好像你朝一张薄纸射出一枚15英寸的炮弹，炮弹却弹回来打中你一样。”
他们三人一起仔细分析了所有数据，大部分的α粒子都穿过了金箔，几乎没有任何偏转，大约1/8000的α以超过90°的角度偏转。他们思考再三，决定摒弃JJ汤姆森的“梅子布丁模型”，提出了“原子核式模型”。原子里的正电荷和几乎全部的质量分布在其中心的原子核里，带负电的电子占据了原子大部分体积，围绕着原子核高速旋转。
尽管“原子核式模型”还有缺陷，比如原子坍塌等，但都是玻尔等后来人的工作了。卢瑟福也因为这个实验得到“原子核物理学之父”的称谓，显然他当之无愧。“金箔实验”更因此而被评为“最美的物理学实验”之一。
▲卢瑟福的核式模型（下）取代了汤姆森的布丁模型（上），因为它更符合实验。
看了这么多故事，你还认为chem 不需要try吗？
参考资料：理性边界
