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第3章

1803年10月21日,道尔顿公布了他的化学原子论,并同时发表了他的第二篇论文《第一张关于物体的最小质点的相对重量表》。道尔顿的理论引起了化学界的广泛关注。他应邀去伦敦讲学,几个月后又回到曼彻斯特继续进行测量原子量的工作。有时候,道尔顿也会遇到一些麻烦。有的物质发生氧化反应后居然生成不同的氧化物,这是一个很难解释的问题。幸好前人已经进行过一些分析化验,道尔顿为了计算方便就只能直接使用这些结果了;但有时他在原始文献中发现的结果只是由一位科学家测得的,为了保证其可靠性,道尔顿就只能再做一次分析。虽然道尔顿计算出的原子量有许多是不准确的,但事实上他计算出的正是今天所谓的当量。例如他把氧的原子量确定为7而不是16。

从1804年开始,道尔顿又对乙烯和甲烷的化学成分进行了分析实验。结果他发现,乙烯中的碳氢比是4.3:2,而甲烷中碳氢比是4.3:4。由此他推算出碳氢化合的比例关系,并发现了倍比定律:相同的两种元素生成两种或两种以上的化合物时,若其中一种元素的质量不变,另一种元素在化合物中的相对重量成简单的整数比。道尔顿觉得倍比定律既可以看作是对原子论的一个证明,也可以看作是原子论的一个推论。

汤姆逊在他写于1807年的《化学体系》一书中,对道尔顿的原子论作了详细地介绍。1808年,道尔顿的主要着作《化学哲学的新体系》正式出版。书中详细地记录了道尔顿的原子论的主要理论和主要实验。直到这时,道尔顿的原子论才算正式问世。

继拉瓦锡的氧化学说之后,道尔顿的原子论是理论化学的又一次重大突破,他揭示了一切化学现象的本质都是原子运动,明确了化学的研究对象,对化学真正成为一门独立学科作出了重大贡献,之后,化学及其相关学科就蓬勃地发展了起来;在哲学方面,原子论揭示了化学反应中的现象与本质的关系,继天体演化学说诞生以后,又一次对当时僵化的自然观造成了极大的冲击,对辩证自然观的形成、科学方法论的发展以及整个哲学认识论的发展也具有重大意义。

原子论问世之后,道尔顿享誉英国甚至整个欧洲,各种荣誉也开始纷至沓来,1816年,道尔顿当选为法国科学院院士;第二年,他又当选为曼彻斯特文学哲学会会长;1826年,他被英国政府授予了金质科学勋章;两年后,他又当选为英国皇家学会会员;之后,他又相继获得了慕尼黑科学院名誉院士、柏林科学院名誉院士、莫斯科科学协会名誉会员等巨大荣誉,他还获得了当时牛津大学授予科学家的最高荣誉——法学博士称号。面对数不尽的荣誉,道尔顿开始还是谦虚的、冷静的,但随着荣誉越来越高,他逐渐变得骄傲、保守起来,最终成了固步自封、思想僵化的顽固派。

在原子论的影响下,法国化学家盖·吕萨克于1808年发现了气体反应的体积定律,事实上这一定律也是对道尔顿的原子论的一次论证,后来也得到了很多科学家的证实并应用于测量气体元素的原子量。但道尔顿本人却坚决地拒绝和反对盖·吕萨克定律,他不但怀疑盖·吕萨克的实验基础和理论分析,还对他进行了十分严厉地抨击。1811年,意大利物理学家阿佛加德罗建立了分子论,这使盖·吕萨克定律和道尔顿的原子论在新的理论基础上得到了统一。但他同样也遭受到道尔顿无情地反驳。两年后,瑞典化学家贝齐力乌斯创立了用字母表示元素的新方法,这种易写易记的新方法被大多数科学家接受,唯独道尔顿到死都是新元素符号的坚决反对者。

尽管道尔顿的后半生没什么科学贡献,甚至阻碍了其他科学家的探索,但凭借之前的杰出成就,他还是得到了整个世界的铭记。

阿佛加德罗

阿佛加德罗出生于意大利都灵市的一个着名的律师家庭。16岁时取得了法学学士学位,20岁时获得法学博士学位,并当了几年的律师。他厌倦律师工作,从24岁起他开始对数学、物理学发生了浓厚的兴趣。阿佛加德罗学习认真,工作负责。尽管他懂法文、英文和德文,可是他的科学理论除意大利外,外国很少有人知道。1804年都灵科学院推选他当通讯院士,1819年才正式选为科学院院士。1820年被聘为都灵大学数学、物理学教授,一直在这里教学和科研多年。他一生发表了50多篇论文,内容十分丰富,还有最重要的着作《可度量物体物理学》共4大卷。阿佛加德罗生前没有获得任何荣誉称号。死后才赢得人们的崇敬。1911年为纪念阿佛加德罗定律提出100周年,意大利在都灵建立了阿佛加德罗纪念像,出版了他的选集,颁发了纪念章。

在道尔顿发表原子学说的第二年,化学家盖·吕萨克提出了气体化合体积定律。他将自己做的化学实验结果与原子学说相对照,认为原子学说所说化学反应中各种原子以简单数目相结合的论点,可以用自己的实验予以支持,于是他提出了一个新的假说:“在同温同压下,相同体积的不同气体含有相同数目的原子”。他认为这一假说是对原子学说的支持和发展。没想到,道尔顿坚决反对这个假说,因为原子学说认为不同元素的原子大小不会一样,其重量也不一样,因而相同体积的不同气体不可能含有相同数目的原子。正当化学界对盖·吕萨克提出的假说展开争论时,阿佛加德罗对这个问题也发生了浓厚的兴趣。他仔细考察了盖·吕萨克和道尔顿的争论,认为之所以相持不下,矛盾无法解决,关键在于没有指出分子的存在。

阿佛加德罗于1811年在法国《物理杂志》发表了一篇经典性的论文,题为《论测定物体中原子相对重量及其化合物中数目比例的一种方法》,论述了有关原子量的测定,化学式的确立等,他根据盖·吕萨克的实验事实,进行了合理地推论,引入了分子概念。文章指出,原子是参加化学反应的最小质点,分子则是游离态单质或化合物能独立存在最小质点。分子由原子组成,单质分子由相同元素的原子组成,化合物分子则由不同元素的若干原子组成。他还根据盖·吕萨克定律的实验事实,修正了盖·吕萨克假说中的错误。认为“在同温同压下,相同体积的不同气体具有相同数目的分子。”此假说的奥妙之处在于把原子换成了分子,这样跟道尔顿的原子学说就没有矛盾了,跟实验事实也统一起来了。根据阿佛加德罗的假说,只要承认任何物质可以独立存在的最小微粒是分子,那么单个的气体分子就不是单个的原子,而是由两个或两个以上的原子所组成,如氢、氧、氮、氯的分子都是由2个原子组成的。虽然阿佛加德罗假说言之成理,持之有据,可是并未获得化学界的承认。1814年,阿佛加德罗发表了第二篇关于阐述分子假说的论文,仍然没有引起什么反响,同样遭到冷遇。就是在这一年,法国物理学家安培(1775-1836年)也独立提出了类似的分子假说,也没有引起化学界的注意。这时阿佛加德罗更清楚地认识到自己提出的分子假说在化学发展中的重要意义。他对这种现象非常着急,于是在1821年又发表了阐述分子假说的第三篇论文。在文中写道:“我是第一个注意到盖·吕萨克气体实验定律可以用来测定分子量的人,而且也是第一个注意到它对道尔顿的原子学说具有意义的人。沿着这种途径我得出了气体结构假说,它在相当大的程度上简化了盖·吕萨克定律的应用。”在阿佛加德罗论述了分子假说后,感慨地写到:“在物理学家和化学家深入地研究原子学说和分子假说之后,正如我所预言,它将要成为整个化学的基础和使化学这门科学日益完善的源泉。”尽管阿佛加德罗前后三论,作了最大的努力,但是,还是没有获得人们的认可。

道尔顿的原子学说提出以后,测定原子量已成为化学家研究的重要课题。但因为不承认分子的存在,化合物的原子组成就无法确定,以至原子量测定的数据呈现一片混乱。于是有的化学家对原子量能否测定表示怀疑,甚至对原子学说是否正确也产生了怀疑,不承认分子假说,在有机化学中同样产生了极大的混乱,如醋酸就可以写出19个不同的化学式,当量有时等于原子量,有时等于重合原子量(即分子量),无论无机化学还是有机化学中的混乱局面,都使化学家们无法容忍。因而他们要求召开一次国际会议,力求通过讨论,在化学式、原子量等问题上取得统一的意见。于是1860年9月在德国卡尔斯鲁厄召开了国际化学会议。来自世界各国的140位化学家在会上争论热烈,但没有达成统一的意见。明珠是不怕被土埋的,到一定的时候,仍然会破土而出,放出光芒。这时意大利化学家康尼查罗散发了他写的《化学哲学教程提要》的单行本。他回顾了50年来化学发展的历程,成功的经验和失败的教训,都充分证实了阿佛加德罗的分子假说是正确的。这个单行本一开始就写道:“我相信,近年来科学的进步、已经证实了阿佛加德罗、安培和杜马关于气态物质具有相似结构的假说,即同体积的气体,无论是单质还是化合物,都含有相同数目的分子,而不含有相同数目的原子,因为不同物质的分子以及在不同状态下的相同物质的分子可能含有不同数目的原子,其性质也可能相同,也可能不同。”接着康尼查罗在书中着重介绍了求原子量和分子量的基本方法,还研究了应用杜隆和培蒂的原子热容定律来验证自己所得原子量的正确性。康尼查罗还指出当量与原子量的不同,原子有自己不变的原子量,但也可能具有不同的当量。化学家经过50来年的曲折历程,终于承认阿佛加德罗的分子假说了。阿佛加德罗的伟大贡献被承认,立即光芒四射,成为扭转这一混乱局面的理论武器。

盖·吕萨克

盖·吕萨克(1778-1850年)是法国着名的物理学家、化学家。他于1778年12月6日生于法国上维埃纳省的圣莱奥纳尔。1800年毕业于巴黎工艺学院。1802年起在该校任实验员。他的老师高度赞赏他的敏捷思维、高超的实验技巧和强烈的事业心,特将自己的实验室让给他进行工作,这对盖·吕萨克的早期研究工作起了很大作用。1809年升任该校化学教授。1808-1832年兼任巴黎大学物理学教授,1832-1850年任巴黎国立自然史博物馆化学讲座教授。盖·吕萨克在物理学、化学方面都做出了卓越的贡献。

在物理学方面,盖·吕萨克主要从事分子物理和热学研究,在气体性质、蒸汽压、温度和毛细现象等问题的研究中都作出了出色的贡献,对于气体热膨胀性质的研究成果尤为突出。1801年他与道尔顿各自独立地发现了气体体积随温度改变的规律,发现了一切气体在压强不变时的热膨胀系数都相同。这个热膨胀系数经历半个世纪后由英国物理学家开尔文确定了它的热力学意义,建立了热力学温标。盖·吕萨克研究了前人测定不同气体热膨胀系数很不一致的原因后指出:必须使实验气体充分干燥。他通过多种不同气体的反复实验,精确地计算后得出气体膨胀系数的数值是0.00375或1/266.6,现在理想值为1/273.15。盖·吕萨克于1802年发表了有关的论文《气体热膨胀》,文中记叙道:“我的实验都是以极大的细心进行的。它们无可争辩地证明,空气、氧气、氢气、氮气、一氧化氮、蒸汽、氨气,粗盐酸、亚硫酸、碳酸的气体,都在相同的温度升高下有着同样的膨胀——我能够得出这个结论:一切普通气体,只要置于同样条件下,就可以在同样温度下进行同样的膨胀——各气体在冰点与沸点之间所增加的体积,根据一百分度的温度计,是等于原体积的100/26666。”后来把气体质量和压强不变时体积随温度作线性变化的定律叫盖·吕萨克定律。1807年盖·吕萨克还率先测出气体的比定压热容cp和比定容热容cv的比值y=cp/cv=1.372。同年他发现了空气膨胀时温度降低,压缩时(无热交换)温度升高。

盖·吕萨克还为探明高空与地面的空气成分及磁现象的差别做出了巨大贡献。他和好友毕奥于1804年8月23日携带实验器具乘气球上升,在6500英尺(约2000米)的高度开始实验,并继续实验直到13000英尺(约4000米)的高度。同年他又单独乘气球上升到7016米高空进行实验。实验结果表明,6300米高处的空气和地球表面附近的空气组成成分相同,地磁强度几乎也没有变化。1805年3月他与亚历山大·冯·洪堡一起为准确地测定地球磁极位置进行了历时一年的考察工作。两人在一起还利用各种方法计算了空气中氧的比例。盖·吕萨克对原子论的发展也作出了贡献。1808年他总结提出在相同温度和相同压强下相同体积的不同气体的原子数目相同的假说,后来经过阿佛加德罗的修正,这个假说更为完善,成为阿佛加德罗定律。

盖·吕萨克在化学方面的研究范围比较广,也取得了不少成果。1808年发表了今天以他名字命名的盖·吕萨克气体反应体积比定律,这对以后化学发展影响很大。此时他被选入法国研究院。他还发现了硼,还有其他多种贡献。特别值得一提的是他的爱国主义精神。他总是把自己的研究工作和祖国荣誉联系在一起。1813年法国两位化学家在海草灰里发现了一种新元素,但在尚未分离出来时无意地把原料都给了戴维,盖·吕萨克知道后十分激动地说:“不可原谅的错误!空前严重的错误!居然倾其所有,拱手送给了外国人。戴维会发现这种元素,并把研究成果公之于世。这样,发现新元素的光荣就会属于英国,而不属于法国了。”于是他和两位化学家一起立即动手,从头做起,昼夜不停,终于与戴维同时确证了新元素——碘,为祖国争得了荣誉。

1850年5月9日,盖·吕萨克在巴黎逝世。

戴维

1778年12月17日,戴维出生在英格兰彭赞斯城附近的乡村。父亲是个木器雕刻匠。戴维6岁入学,是个淘气、贪玩的学生。他衣服的两个口袋常常是一个装有钓鱼的器械,另一个装满各种矿石。他有惊人的记忆力,富有情感,从小喜欢背诵诗歌、讲述故事。小学毕业后,父亲送他到彭斯城读书。老师认为他成绩最好的功课是将古典文学译成当代英语。另外,他还阅读过哲学着作,如康德的先验论等,并且开始写诗。不过在城里,最吸引他的是医生配制药物时物质的各种奇异变化。他就常常偷偷躲入顶楼,用碗、杯、碟作器具,学做实验。从此,他对化学实验的兴趣有增无减。

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