这道送分题,曾经让无数化学大佬翻车。1g氢气与足量的氧气反应之后,能够消耗多少氧气?没错,就是这道题难倒了几代化学家。看上去好像很简单?别高兴太早,再补充几个条件:禁止使用元素周期表,禁止使用相对分子质量,禁止使用化学方程式。禁止使用的意思是,以上信息不仅不可以翻书查,就算你记到脑子里了也不可以用!现在看来,用周期表、相对分子质量是天经地义的事,这破题为什么要故意刁难人?
但是在两百年前,摆在道尔顿等化学家面前的是这样什么条件都没有的题目。为了让化学进一步发展,化学家们是怎样强行找出条件的呢?
对于两百年前的科学家来说,放弃直接称量原子有多重(即绝对质量),无疑是个明智的决定。原子的质量、体积都太过微小,即使今天的精密天平也无法像称白菜一样直接把原子放上去称出来。所以,化学家们选择放弃独辟蹊径,选择标定相对质量。测量一个物体的质量,需要合适的“天平”与“砝码”。化学反应有个自带的 “天平”——质量守恒定律,即反应前后物质的总质量不变。至于“砝码”,可以选一个小的,作为基本单位。
提出原子论的英国化学家道尔顿率先动手,他选择了最轻的气体——氢(幸运的是氢也恰好是1号元素)。想要知道一种物质(比如开头题目中的氧气)的相对原子质量,只需要将它与氢气进行充分反应。通过收集产物、测量质量,就能得到氧气与氢气之间的相对质量。这个方法已经很接近我们在课堂上学到的计算法,但是道尔顿还是做错了。
问题出在化学式上,他以为的分子原子是这样的——道尔顿的化学物质表,其中第一行的前两个分别是氧、氢,第五行左一是水。
也就是说,道尔顿知道氢、氧是两种元素,水由氢、氧组成,但误以为氧气、氢气、水这三种物质的化学式分别是O、H、HO。三个化学式完美地全部猜错,由此算出来的相对分子质量,能对才见鬼了。
在科学家们还没搞明白各种分子式之前,坎尼扎罗提出:在一系列含有元素A的化合物中,总有一种或者几种化合物中仅有一个A原子。这一观点虽然存在一定缺陷,但是在当时已经能够成功解决相对原子质量测量中的绝大多数分歧,大大方便了测定工作。
在以氢元素作为“砝码”的一系列的测量之后,19世纪20年代,普劳特提出“各种元素的原子质量都是氢元素的整数倍”的假说。如果真是这样,小数点就要从原子质量表中绝迹,无论是当时的研究还是今天的化学作业都要简单不少!然而现实很残酷,没过多久贝采里乌斯测得氯元素的相对原子质量是35.5,证明这一观点是错的。
1860年,比利时化学家J.S.施塔提出以O-16原子的1/16作为“砝码”来进行相对原子质量的测量,由于氧元素能够与绝大多数的元素反应,相对分子质量测定的速度大大加快了。在这些相对原子质量的基础上,门捷列夫才得以在1869年提出元素周期表。然而,化学家与物理学家对氧本身的原子质量并没有达成一致,导致了两个不同的原子质量表的出现。
直到1961年,化学家与物理学家一致同意采用新“砝码”——C-12的原子质量的1/12作为基本单位,这也是我们现在使用的相对分子质量的单位。
经过百余年的努力,化学家们终于给这道超纲难题补足了条件,把它送进了初中化学课。不过此时,物理学家已经找到了精确测量原子绝对质量的办法,还把原理送进了高中物理课。这段故事,我们下回再叙。