黃子卿,中國物理化學家
1982年7月23日
黃子卿
黃子卿
(1900—1982)
黃子卿,物理化學家和化學教育家。從事過電化學、生物化學、熱力學和溶液理論等多方面的研究。曾精確測定了熱力學溫標的基準點—水的三相點,並在溶液理論方面頗有建樹。他畢生從事化學教育事業,不遺餘力地培育人才。他是中國物理化學的奠基人之一。
黃子卿,家名蔭榮,字碧帆。1900年1月2日出生於廣東省梅縣槐子崗村。1904年在本村私塾受啟蒙教育。他的外祖父和舅父古文造詣頗深,藏書甚豐,給了黃子卿很好的早期教育和深刻的影響。1915年,黃子卿考入長沙雅禮中學。該校有一個曾中清末探花的汪姓教師,任教文學與算術。他發現黃子卿在數學方面頗具天賦,建議他以學數理為宜。這對黃子卿以後獻身科學事業起了很大影響。
1919年黃子卿中學畢業,考入清華留美預備班第7期。1921年6月結業。1922年9月入美國威斯康星大學,主修化學,1924年畢業,獲理學學士學位。隨即轉入康奈爾大學,於1925年獲理學碩士學位。同年9月入麻省理工學院化學系,攻讀博士學位。後因公費到期,1927年12月結業回國。
黃子卿回國後首先在北京協和醫學院生物化學系作助教。在吳憲教授指導下做蛋白質變性研究。1929年9月應聘任清華大學化學系教授。
1930年2月與夏靜仁女士結婚,共生有四子。
1934年6月黃子卿再度赴美國,回到麻省理工學院,師從熱力學名家比泰(J.A.Beattie),做熱力學溫標的實驗研究,精確測定了水的三相點。1935年獲麻省理工學院哲學博士學位。同年回清華大學任教。他克服重重困難,建立了電化學研究的實驗設備,開始從事溶液理論的探索研究。
1937年“七七”事變後,黃子卿隨清華大學輾轉千里,從北京到長沙,又從長沙到昆明,在由北京大學、清華大學、南開大學三校聯合成立的西南聯合大學任教授。當時,中國大部分化學界的英才匯集於西南聯合大學。他們在極端艱苦的條件下,緊跟化學科學的世界步伐,堅持國內化學教育事業,培養了一批蜚聲中外的中國化學家。
1945年抗戰勝利後,黃子卿隨清華大學回到北京。1948年第三次赴美國,應聘加州理工學院客座教授,作結晶學研究。1949年7月回國,繼續在清華大學任教。
1952年全國高等學校進行院系調整,黃子卿被調至北京大學化學系做教授,任物理化學教研室主任。
由於科學研究中的卓著成績,黃子卿曾被載入美國1948年出版的世界名人錄。
1923年黃子卿參加旅美學生組織的“中華化學會”。1932年中國化學會在南京成立,他是早期會員之一。1941年至1943年曾連續三屆被選為理事,1951年開始,再次當選為該會十七、十八、十九屆常務理事和第二十屆副理事長。1955年6月被選為中國科學院數理化學部委員,1981年任化學部委員。1981年我國開始推行學位制,黃子卿參加國務院學位委員會第一屆學科評議組工作。
1953年黃子卿參加九三學社,歷任九三學社中央委員、中央常委。
新中國成立以來,黃子卿曾擔任全國政治協商會議第二至五屆委員會委員。
黃子卿一生勤奮好學,勇於探索,50多年科學生涯中,涉足物理化學的多個領域,講授過多門物理化學的課程,被譽為我國物理化學的一代宗師。
早期從事電化學、生物化學、熱力學研究
1925年黃子卿進入麻省理工學院,師從麥克英納斯(McInnes),從事電化學研究。通過實驗,考察了界面移動法測定電解質溶液中離子遷移數時震動、熱效應、界面可見性條件以及界面調節因素諸方面對實驗測定的影響,改進了此方法的實驗裝置,提高了實驗測定的準確度,並拓寬了此方法的套用範圍。他的第一篇學術論文1927年夏在美國化學會志上發表。
1928年黃子卿就職於北京協和醫學院生物化學系,擔任助教。在生物化學家吳憲教授領導下做蛋白質變性研究。他製備了分別經酸、鹼、尿素和乙醇作用而變性的蛋白質,利用滲透壓測定了變性蛋白質的分子量。研究證明蛋白質變性並不必然改變其分子量,為吳憲明確定義蛋白質變性提供了實驗證據。黃子卿觀察到,天然的和變性的雞蛋清蛋白和羊血紅蛋白的分子量約為34000的倍數或亞倍數,與現在對蛋白質分子量研究得到的亞單位結果相符合。他們於1930年在《中國生理學雜誌》上發表了這一研究結果,是當時這類研究的前驅成果。
1930年前後,尋求合適的狀態方程以預示實際氣體的熱力學性質,探索等張比容與液體其他物性以及與分子組成的關係,都是當時物理化學界所關注的課題。1929年黃子卿應聘到清華大學執教以後,在這兩個方面展開了研究,發表了兩組論文。一組關於氣體的能、熵方程和絕熱方程,實際氣體的熱力學性質,以及實際氣體的焦耳-湯姆遜係數。另一組為用毛細管法測定一系列酯的等張比容的結果。
精確測定水的三相點
溫度是熱力學的基本參數。1927年國際度量衡委員會選定水的冰點為熱力學溫標的基準點,定為273.15K。但是水的冰點是在1大氣壓下被空氣飽和的水的液-固平衡的溫度。它受外界大氣壓或進行測量的地理位置影響,並且與水被空氣飽和的狀況有關。因此科學界對它的重視性和精度提出過懷疑。當時物理化學界企圖並已開始測定水的三相點,即水在其飽和蒸氣壓力下氣-液-固三相成平衡的溫度,以代替冰點作為熱力學溫標的基準點。1934年黃子卿再度赴美國,在麻省理工學院隨熱力學名家比泰(J.A.Beattie)做熱力學溫標的實驗研究,重新測定水的三相點。
因為當時水的冰點被認為是熱力學溫標的定點,所以測定水的三相點就需要測量水的三相點室與冰室溫度之差。為此需要得到精確的水的冰室的固液平衡溫度。黃子卿仔細計算大氣壓力及水液面高度產生的附加壓力對冰室平衡溫度的影響;測量水樣的電導,折算為鹽濃度,按稀溶液的依數性,估算雜質造成的水的凝固點的降低;在嚴格固定條件下,以空氣飽和水樣。這樣,達到冰室溫度的精度為0.5×10-4℃。黃子卿嚴格處理水的三相點室。精選三相點室材料並嚴格清洗;水樣嚴格純化去CO2;測量三相點室水樣的電導估算雜質對平衡溫度的影響;並且對水面高度產生的附加壓力的影響加以校正。他採用當時能達到的精確測溫手段,並對體系採取嚴格的隔熱防輻射措施。由此黃子卿得到水的三相點為0.00980±0.00005℃。這一結果被美國華盛頓哲學會主席斯蒂姆遜(H·F·Stimson)推崇為水的三相點的可靠數據之一,成為1948年國際實用溫標(IPTS—1948)選擇基準點-水的三相點的參照數據之一。這項工作成為黃子卿博士論文的一個部分。
從事溶液理論研究四十餘年
黃子卿1935年回國後,在執教的同時繼續進行電化學和溶液理論的研究。一方面考查了壓力對鐵在鹼性介質中鈍性的影響;另一方面開始了溶液中化學反應速率的介質效應和非電解質溶度的鹽效應的研究。
首先黃子卿和他的研究生利用電導法研究酯在水二氧六環混合溶劑中的皂化反應動力學,得出反應速率常數與溶劑組成關係的經驗規律。此項工作因抗日戰爭而中斷。至50年代黃子卿在清華大學重新指導研究生作乙酸乙酯在水二氧六環混合溶劑中皂化反應動力學研究。觀測到在相同溫度下反應速率隨溶劑介電常數下降而變小,考察了反應活化能與溶劑組成及介電常數的關係。據此對當時溶液中離子與分子反應的三種理論做了檢驗與評價。
30年代,鹽水體系中非電解質活度係數的研究已積累了一定經驗,並建立了德拜(Debye)等人的靜電作用理論。黃子卿認識到,深入研究溶液體系在於進一步了解其中分子間相互作用的機制,鹽-水-非電解質三元體系的性質變化具有反映這項本質問題的豐富內涵。因此,早在1936—1937年,黃子卿就開始了有關非電解質溶液的鹽效應研究,測定了間硝基苯甲酸的鹽效應常數,驗證了德拜等人的理論(由於日本侵華戰爭的干擾,研究論文到1947年才得以問世)。黃子卿注意到,NaCl和KCl造成間硝基苯甲酸鹽析,而KBr和KNO3卻使其鹽溶。這是只考慮靜電作用的德拜-麥考雷(De-bye-McAulay)和德拜理論所無法解釋的。此後,黃子卿領導的研究組對鹽效應作了系列研究。考查了大小和形狀不同的多種非電解質及鹽的鹽效應規律,檢驗和探索了鹽效應的理論機制,先後發表論文10余篇。在這一系列研究的第一篇論文中,黃子卿等人提出了鹽效應的如下機制:水、鹽和非電解質形成三元溶液,假如一種離子很大,並假設非電解質分子大於水分子,鹽效應的產生是離子與分子間的靜電作用加上色散力的作用。如果靜電力是主要的,結果是鹽析;如果色散力是主要的,結果是鹽溶。因此,如果沒有意外因素干擾,只要離子體積足夠大,非電解質分子也足夠大,就能引起鹽溶。1955年黃子卿應邀赴民主德國講學。他系統地介紹了他的鹽效應機制,受到同行的重視。
60年代黃子卿指導學生對鄰、間、對三種硝基苯甲酸作系統全面研究。考慮到此酸在水溶液中解離,參照前人方法,從溶度中扣除離解部分,得出中性分子的鹽效應常數。結果表明,具有相同陽離子的鹽,陰離子半徑越小,鹽析常數越大。對陽離子亦然。並且從間硝基苯甲酸鹽析常數的溫度係數,求出它自鹽溶液遷移到純水的標準熵變△S°,表明是熵增加過程。△S°/m=常數,其中m為鹽濃度。具有相同陰離子的鹽,△S°/m隨陽離子半徑和價數而增加,對陰離子亦然。且就離子作用來說,△S°/m具有近似加和性。這些結果表明,非電解質周圍“冰山”的形成,離子與水的相互作用,離子對由氫鍵形成的水的四面體串群結構的影響等都對離子-水-非電解質分子三者在溶液中的相互作用產生影響。
三種硝基苯甲酸的偶極矩相近,實驗測得的鹽效應常數也很接近。為進一步考查非電解質分子偶極矩的影響,黃子卿選擇了偶極矩差別很大的鄰、間、對二氯苯作為研究對象。由於分光光度法測定濃度的精度限制,結果只在可疑數字上顯示出偶極矩大小次序。康韋(Conway)等人考慮了離子近區介電飽和、離子第一水化層的存在、介電常數與分子參數的關係以及柯克烏德(Kirkwood)介電理論的鹽效應公式,由此計算鹽效應常數,其結果比其他理論預示更接近實驗值。說明探討鹽效應機制時應當考慮這些因素。
對於以水為溶劑的電解質溶液,非電解質溶度一般有限。靜電力的作用總是占主要地位,決定著這些體系的性質。黃子卿認為,要突出非靜電力對離子溶液性質的影響,介電常數較低的非水溶劑的離子溶液是更恰當的研究體系。60年代初,這類體系研究報導還很少。黃子卿即指導開展了“電解質非水混合溶劑體系”的研究。1965年完成了“電解質在混合溶劑中活度係數和溶劑化數的研究”一文的工作。由於“文化大革命”,該文到1980年才得以發表。文章報告了一組電解質在含甲醇二元溶劑中的溶解度,提出了簡單溶劑化模型及其檢驗公式,並給出了估算這類體系中離子溶劑化數的方法。
“文化大革命”期間,黃子卿並未停止科學研究工作。他緊緊跟上世界化學科學的步伐,發表了一系列綜述文章,向我國化學界介紹配位場理論、熔鹽結構學說、定標粒子液體理論及其套用等基本理論與最新發展。
中國物理化學的奠基人之一
黃子卿從事高等學校化學教育55年,講授過物理化學、化學熱力學、統計力學、電化學、溶液理論等。他講課一絲不苟,立論嚴謹,循循善誘,使學生終生不能忘懷。一位在西南聯合大學時聽過黃子卿講課的校友這樣寫道:“老師諄諄善誘,鼓勵學生自己思考,客觀地分析事物,不斷重新檢驗已被接受的結論並探討新的思路。蒙教誨已39年,而學生腦中印象清晰如昨。記憶中老師穿著藍布大褂,戴厚黑邊眼鏡,正在昆明新校舍破舊的泥牆教室中作精彩的理論化學講演,使學生居然暫忘飢餓與困苦,而對大自然一心嚮往。”這是對黃子卿的教學風格和水平的真實寫照。
黃子卿於1956年出版了《物理化學》。該書是我國這個領域第一部教科書。針對我國大學的實際情況,採用自具體到抽象的編排次序,為提高物理化學教學質量提供了有效的途徑,長期被選為這門課程的主要參考書。綜合講授溶液理論課的經驗和長期從事溶液理論研究的成果,並不斷以世界溶液理論最新進展充實教學內容,黃子卿撰寫了《電解質溶液理論導論》及《非電解質溶液理論導論》等兩本專著。前者的修訂版獲國家教委頒發的1988年全國高等學校優秀教材獎。
在數十年教學生涯中,黃子卿非常重視實驗在化學教學中的作用。他認為物理化學雖然是理論性較強的學科,但它和各門化學一樣是實驗科學。他諄諄教導學生,要重視科學研究中的實驗工作,要一絲不苟,嚴格可靠,否則可能得出荒謬的結論。
作為清華大學和北京大學的教授,黃子卿一直認為化學教師的任務有兩個。一是培養人才,一是發展化學科學。前者是教學,後者是科學研究。他告誡他的學生,要教好書,不然誤人子弟。但不能光當教書匠。不作科學研究在科學上就會落伍,不能成為一名合格的大學教師。
赤誠的愛國者
黃子卿生於外強入侵國家多災多難的年代。考入清華留美預備班以後,他一直抱有科學救國的志向。他認為是中國的老百姓供養了他出國留學,他立志要為中國服務。1935年他在美國麻省理工學院取得博士學位,當時正值日本全面侵華戰爭的前夕,有人把當時中國比作風雨飄搖中的一條破船,勸他不要回國。黃子卿的回答是:“我是中國人,要跟中國共命運。”毅然回到祖國。1948年他第三次出國,不久北平和平解放,美國有人再次挽留他,並允諾幫助接家眷赴美國。他再次謝絕了好意,搶在美國政府對中國留學人員採取扣留措施之前回到了祖國。反映了他渴望祖國獨立、昌盛、富強並要為之貢獻自己力量的赤子之心。中華人民共和國成立以後他不惜餘力地為中國的化學教育和科學研究工作貢獻了畢生的精力。
簡歷
1900年1月2日 出生於廣東省梅縣。
1919—1921年 在清華留美預備班學習。
1922—1924年 在美國威斯康星大學化學系學習,獲理學學士學位。
1924—1925年 在美國康奈爾大學學習,獲理學碩士學位。
1925—1927年 在美國麻省理工學院學習。
1928年3月—1929年6月 任北京協和醫學院生物化學系助教。
1929—1934年 任清華大學教授。
1934年6月—1935年 在美國麻省理工學院做熱力學溫標研究,獲哲學博士學位。
1935—1937年 任清華大學教授。
1937—1945年 任西南聯合大學化學系教授。
1941—1943年 當選為中國化學會第八、九、十屆理事會理事。
1945—1952年 任清華大學教授,其中1948年至1949年赴美國加州理工學院任客座教授。
1951—1982年 當選為中國化學會第十七屆、十八屆、十九屆理事會常務理事,第二十屆理事會副理事長。
1952—1982年 任北京大學化學系教授。
1955年 當選為中國科學院學部委員。
1982年7月23日 病逝於北京。
主要論著
1 Mc Innes D.A.Counerthwaite I.A.,Huang TC..Movingboundary method for determining transfering numbers (VI)——Further developments in experimental technic.J.A.C.S.1927,49:1710—1717.
2 Huang T.C.Wu H.Studies on Denaturation of Proteins(X)—-Osmotic pressure of denatured egg elbumin and methemoblobin in concentrated urea solution.Chinese J.Physiol.,1930,4:221—230
3 Hauang T.C.The general equations or energy and entropy of gases.Phys.Revs.,1931,37:1171—1174.
4 Huang T.C.The general equations of energy and entropy.Sci.Rep.Natl. Tsing Hua Univ.1931,1:93—102.
5 Su K.C.Huang T.C.The Joule—Thomson effect and heat capaci-ty at constant pressure for ammonia.J.Chinese Chem.Soc.,1933,1:1—9.
6 Huang T.C.Sung K.P.Parachor of esters of or thoformic acid.J.Chine SeChem.Soc.,l934,2:1.
7 Huang T.C.Effect of pressure on the passivity of Fe powder in al-kali median.J.Chinese Chem.Soc.,1936,4:406—412.
8 Beattie J.A.,Huang T.C,Benedict M..An experimenatl study of the absolute temperature scale.(V)——The reproducibility of the ice point and the triple point of water.——The temperature of the triple point of water.Proc.Am.Acad.ArtsSci.1938,72:137—155.
9 Tzu-Ching Huang,Ho-Sheng Hsihe(謝和聲).The Kinetics of Saponification of Methyl Acetate in Dioxane—Water Mixture at 25°C.J.Chinese Chem.Soc.,1939,7:1-13.
10 Huang T.C.ChuJ.Y,Han S.T.Salt effects of Solubilities of meat-nitrobenzoic acid in Water.Science Report Natl.Tsing Hua Univ,1947,4:268—277.
11 黃子卿,王安周.乙酸乙脂在二氧六環和水的混合溶液中皂化反應速度的研究.化學學報,1954,20:13—45.
12 Huang T.C.Yang W.C.Studies on the activity coefficients of nonelectralyte in aqueouss alt solution.I The effect of cobalt—ammines on the solubilities of n-valeric acid in water.Scientia Sini-ca,1956,V:61—72.
13 黃子卿.物理化學.北京:高等教育出版社,1956.
14 黃子卿,李卓美.在鹽的水溶液中非電解質的活度係數的研究Ⅱ.脂肪酸鹽和季胺鹽對於萘在水中溶度的影響.化學學報,1958,24:174—186.
15 黃子卿,尹亨鎮,楊文治.在鹽的水溶液中非電解質的活度係數的研究Ⅲ.脂肪酸鹽對正已酸在水中溶度的影響.化學學報,1958,24:338344.
16 Hunag T.C.Liu R.L..Study on the activity coefficients of non-electrolytes in aqueous salt solutions.Ⅳ.The effect of inorganicSalts on the solubilities of carbon tetrachloride in water.Scientia Sinica,1961,X(6):700.
17 黃子卿,楊旦,關宏美,劉瑞麟.在鹽的水溶液中非電解質的活度係數的研究V.無機鹽對於鄰硝基苯甲酸在水中溶度的影響.化學學報,1963,29:277—283.
18 黃子卿,電解質溶液理論導論.北京:科學出版社,1964;修訂本,1983.
19 黃子卿,謝文蕙.在鹽的水溶液中非電解質的活度係數的研究Ⅵ.二氧六環在苯和具大離子的鹽水溶液間的分配.化學學報,1965,31:246—252.
20 黃子卿,黃志沖等.在鹽的水溶液中非電解質的活度係數的研究Ⅶ.無機鹽對甲苯在水中溶度的影響.化學學報,1965,31:314323.
21 黃子卿.配位場理論(上).化學通報,1973,(1):45.
22 黃子卿.配位場理論(下).化學通報,1973,(2):101.
23 黃子卿,楊旦.間硝基苯甲酸在不同溫度的鹽水溶液中的溶度.中國科學,1973,2:140
24 黃子卿.非電解質溶液理論導論.北京:科學出版社,1973.
25 黃子卿.熔鹽結構.科學通報,1975,20:112.
26 黃子卿.定標粒子的液體理論.化學通報,1977,(3):155.
27 黃子卿,官全根,劉瑞麟.非電解質在鹽水溶液中的活度係數研究Ⅸ.鄰、間、對二氯苯在鹽水溶液中的活度係數;它們的偶極矩對鹽效應的影響.化學學報(增刊),1980:110.
28 黃子卿,謝文蕙,劉文,劉振義,馬殿坤,范啟家.在鹽的水溶液中非電解質活度係數的研究(Ⅺ)正丙酸、正丁酸在苯和鹽水溶液間的分配.高等學校化學學報,1980,1:7585.
29 黃子卿,楊旦.非電解質在水溶液中的活度係數研究X.對硝基苯甲酸在鹽水溶液中的溶解度.化學學報(增刊),1980:1117.
30 Huang T.C.Li Z.F.Liu R.L.Studies of the acivity coefficients and solvation numbers of the electrolytes in mixed so1vents——systems of salts,methanol and nonelectrolytes.Scientia Sinica,1980,XXⅢ(5):590—606.
參考文獻
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〔4〕劉思職,張昌穎,劉培南,周啟源.我們生物化學的開拓者吳憲教授.化學通報,1981,249—255.
〔5〕H.F.Stimson.(a)The Measurement of Some Thermal Properties of Water.J.Washington Aca. Sci.1945,35:20—217;(b)International Pratical Temperature Scale of 1948,Text Revi-sion of 1960;J.ReS.Natl.Bur.of Standard—A.Physics andchemistry,1961,65A:139—145.
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