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化学传奇之五:横空出世“原子论”

来源:科学背后的故事 作者:未知 浏览数:853 发布时间:2021-04-06

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  •   波义耳一时疏忽错过了质量守恒定律,作为“化学界的牛顿”的拉瓦锡也不甘心落在化学界的伽利略后面,他一时兴奋错过了定比定律。

     

      定比定律就是说任何一种化合物,其组成元素的质量都有相同的比例关系,这在拉瓦锡的“二十天实验”中就可以看出来了。

     

      在“二十天实验”中曲颈甑中的氧气含量是固定的,当氧气和水银完全反应之后,虽然还剩下一些水银,可是氧化汞的数量也不会增加了,这就是说氧化汞中氧元素和汞元素是按照一定比例结合在一起的,不过拉瓦锡当时一心在琢磨怎么对付“燃素说”就没有注意到这个现象,定比定律也只好由后人来发现了。

     

      这个后人就是普罗斯特,普罗斯特虽然和拉瓦锡没有什么关系,却对拉瓦锡的开创的定量分析学了个十足。

     

      他从全世界各地采集各种矿物,并分析其中各元素的质量比,他发现只要是一种物质其中的各元素质量比都是相同的,他又在实验室里自己通过化学反应制造出来了各种物质,他发现只要是一种物质各元素的质量比还是相同的。

     

      于是普罗斯特得出了一个结论,这就是定比定律。

     

      普罗斯特的发现得到了大家的认可,却遭到了贝托莱的反对,贝托莱认为“一个化合物是没有固定组成的,每一种物质都可以按照随便什么比例和另一种结合”。

     

      贝托莱是拉瓦锡的学生,可这个学生一点也不象老师,比起老师拉瓦锡来他可是高明多了,不过这个高明并不是在学习上,而是在为人处世上。

     

      在法国大革命中,贝托莱不但没有受老师拖累,反而逆势而上,和法国皇帝拿破仑搭上了关系,成为了拿破仑的化学老师,对于老师,拿破仑那是相当地尊重,让他当上了议员还册封了伯爵,可是皇帝看人的眼光不怎么行。

     

      在皇帝失势的时候,贝托莱参与了表决罢免了拿破仑,这让复辟归来的波旁王朝引为知己,又一次册封了他。

     

      这见风使舵的水准和“天体力学之父”拉普拉斯都不相上下了,比起拉瓦锡来那就是天渊之别了。

     

      这位绝对是拉瓦锡的不肖学生,其实他不止在为人处世上不肖,在学术研究上他也不肖,要是在学术上有老师的几分严谨的话,那么化学上的定比定律就应该由他发现了。

     

      当然了,贝托莱也没有瞎说,他也有证据,他对铁的氧化物进行了各种分析,结果却是铁元素和氧元素真的可以有各种比例。

     

      那么这两种完全相反的观点,到底哪一个对呢?

     

      结果却是两个都对。

     

      问题就在于化合物和混合物的概念,贝托莱检验的铁的氧化物有两种,分别是氧化亚铁和三氧化二铁,而各地不同的铁的氧化物中氧化铁和三氧化二铁是随意混合的,结果当然是铁元素和氧元素可以有各种比例了,就是在实验室中,也不能保证有纯净的氧化亚铁和三氧化二铁,要是在纯氧中燃烧的话,还可能出现更复杂的四氧化三铁。

     

      所以说,两个人的说法都对,那么就要对定比定律做一些限制了,只有对化合物才有效,而对混合物是没有用的。

     

      可以说是普罗斯特提出了定比定律,贝托莱使得这个定律更加严谨。

     

      那么接下来是不是还发现了一个更加有趣的问题?那就是两种元素结合会形成多种化合物,这一点当初普罗斯特并没有发现,后来他说可能形成多种化合物但是不超过两种,这还是有问题。

     

      那么化合物间各种元素的真正关系是什么呢?看来还需要一条新的定律。

     

      这条新定律就是倍比定律。

     

      倍比定律由道尔顿提出,他指出要是两种元素相互化合,能生成多种不同的化合物,在这些化合物中,两种元素的质量比一定是简单的整数比。

     

      道尔顿采用的方法还是源自于拉瓦锡的定量分析,不过他并没有打算公布他的结论,一则他采取的样本比较少,万一再碰上一个贝莱托怎么办,不过他也没有打算普罗斯特一样一生就死磕一个定律再继续分析下去,那他到底打算办?莫非他想和卡文迪许一样隐姓埋名?

     

      当然不是了,卡文迪许不想公布研究成果一则是他厌烦尘世喧嚣,更主要的是他不缺钱,而道尔顿却是不折不扣的穷人,咱们前面说过研究化学就得是有钱人,可偏偏是这些穷人推动了化学的进步。

     

      道尔顿12岁上就成为了打工人,他的工作听起来很光鲜,是在小学里当老师,可是老师的收入太低了,还不如回家种地。

     

      不过种地收入高一点,可是前途渺茫呀,兜兜转转几年后,道尔顿又回到了学校,不过这次是中学了,在这里,道尔顿一边教书一边学习,还开始了他的科学研究生涯。

     

      咱们还得说一下四元素说,当初和四元素说对立的就是德谟克利特的原子说,按理说四元素说倒下了,那么原子说是不是应该站起来了,这还真不好说,不管是亚里士多德还是德谟克利特,他们的学说都是一种哲学的臆想,可不是实打实的科学,再说了,四元素说是科学推翻的,又不是你原子论推翻的,要想复兴原子论,也得拿出点实打实的东西出来。

     

      这个任务就落到了道尔顿头上。

     

      1803年,道尔顿提出了原子论,他的原子论是在德谟克利特哲学思想和牛顿爵爷的微粒说影响下提出的,还记得之前说过爵爷的微粒说是受到了波义耳的影响吗?这算是爵爷把从化学始祖那里继承得来的微粒说又反哺给了化学界。

     

      道尔顿的原子说主要分为三部分。

     

      其一:物质由原子构成,而且原子最小不可再分,这基本上就是德谟克利特的原话。

     

      其二:同种元素的原子的性质和质量相同,不同元素的原子性质和质量不同,原子质量是原子的基本特征,这可以说是原子论的精髓了,而且还可以推导出下一条。

     

      其三:不同元素结合成化合物时,原子以简单整数比结合。这一条是不是很熟悉?这就是倍比定律呀,现在明白为什么道尔顿不稀罕公布定律了吧,因为这就是他原子说中的一个推论,真的没有必要单独列出来。

     

      道尔顿还第一个着手测量原子量,在当时条件下,这就是一个不可能完成的任务啊,可是道尔顿用了一个巧妙的方法,他用氢原子作为1个单位,测量了其他元素的相对原子量,这种方法我们现在还在使用。

      道尔顿还建议用简单的符号来代表元素和化合物,就象这样。

     

      是不是和我们的象形文字有点点象啊,确实有点象,不过和我们毫无关系,但是这很重要,有了符号,以后就可以写化学方程式了啊。现在道尔顿可以和拉瓦锡相提并论了吧。

     

      确实是的。原子论一出,道尔顿顿时名震欧洲,可谓“一举成名天下知”,当然也摆脱了穷困,这和后来的法拉第颇为相似,不过他却没有晚辈法拉第的伟大情操,他反而向前辈牛顿学习,晚年骄傲起来。

     

      道尔顿提出原子论之后,盖.吕萨克发现参加同一反应的各种气体,在同温同压下,其体积成简单的整数比。这就是盖吕萨克定律,盖吕萨克还是道尔顿的支持者,认为这是原子论的重要补充,进而提出在同温同压下,相同体积的不同气体含有相同数目的原子。

     

      可是,盖吕萨克的热脸却蹭上了道尔顿的冷屁股。道尔顿根本就不鸟盖吕萨克,认为他是胡说。为什么呢?因为道尔顿思考的更深入,他早就发现了盖吕萨克定律,可是却抛至一边,因为道尔顿认为这个发现和他的原子论相悖。

     

      道尔顿还真不是瞎说。先看一个化学方程式吧。N2+O2=2NO,是不是很熟悉?对呀,这就是氮气和氧气反应生成一氧化氮的方程式,可是当时并不知道一个氮气分子包含有两个氮原子啊,所以道尔顿认为,方程式应该是这样的,N+O=2NO,这意味着什么?意味着有半个氮原子和半个氧原子,这是不符合道尔顿的原子论的,因为原子不可分割。

     

      其实理论出现问题很正常啊,要么是理论错,要么是对世界的认识还不够,可是道尔顿觉得自己不会错,所以就说吕萨克错了,这是不是很象晚年的爵爷,不过爵爷是真牛,道尔顿可没有这么牛,这就叫“没有公主命,一身公主病”。

     

      于是俩人天天吵架,吵了多年也没有个结果,整个化学界都很烦,觉得两人说的都不错。

     

      这时候阿伏伽德罗站了出来,准备当个和事佬。阿伏伽德罗指出在同温同压下,相同体积的不同气体具有相同数目的分子。看出区别没有?盖吕萨克说的是原子数目相同,阿伏伽德罗说的是分子数目相同,仅有一字之差,这就是传说中的一字千金。这一字不但调和了两人的矛盾,还补充了原子论,从此原子论就变成了原子分子论。

     

      按理说,阿伏伽德罗做出了这么大贡献,应该和道尔顿一样得享盛名吧,可是没有,直到阿伏伽德罗去世,他的理论都没有得到重视,去世后人们才承认了他的贡献。

     

      虽然有点争名夺利的小缺点,但是瑕不掩瑜,道尔顿原子论的光辉是无法掩盖的。波义耳和拉瓦锡固然伟大,但还都是在化学领域内,而道尔顿已经出圈了,他横跨化学物理两界,在物理界他也是开宗立派的大师,他的原子论吸引了一代又一代的科学家,这其中就包括了爱因斯坦玻尔这两位物理学大神,其实后来的整个量子学派都脱胎于他的原子论。

     

      “物理顽童”费曼曾经说过:如果世界遭遇大灾难,他只能给人类的后裔留下一句话的话,他会留下“世界是由原子组成的”这句话。这就足以想见物理界对道尔顿的尊重。

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