今天的人们似乎越来越对原子、分子习以为常,却忽视了这些概念并非理所当然。原子、分子从思辨走向科学,经历了跨越百年的追索。我们脚下的坦途,也曾布满歧路。
本文将介绍从道尔顿、阿伏伽德罗到坎尼扎罗,近代原子分子学说在化学领域的源流脉络。
每一处细小的事实都在引导你提出崭新的理论;每一点理论的思索都在提示你发现未见的事实。
说起原子和分子,读者朋友们想必不会感到陌生。任何一种中学物理或者化学教科书都会提及:原子是构成物质的基本微粒,原子按照一定的规则彼此连接,就形成了保持物质化学性质的最小单元——分子。
原子、分子的思想由来已久,这从它们的词源可见一斑。英文“原子(atom)”一词来源于希腊语?τομον,意为不可分割;“分子(molecule)”则来源于拉丁语mōlēcula,意为一小堆物质。
经典力学的巨大成功让十七世纪的自然哲学家普遍相信:宏观物体的运动行为一定能够归因于肉眼不可见的微粒的性质与相互作用。最具代表性的实例来自牛顿(I. Newton),他发现如果把气体看作由相互排斥的微粒所组成的弹性流体,并且斥力随着微粒间距的增大而迅速减小,这样的气体就将服从波意耳(R. Boyle)的实验定律(恒定温度下气体的压强与体积成反比)。
牛顿去世40年后,道尔顿出生于英格兰北部一个贫苦的农民家庭。他自幼聪颖过人,却没能接受系统的学院教育,全靠自学成才。道尔顿一生未婚、不重名利,用做教师的微薄收入维持简朴的生活。
道尔顿真正超越牛顿及以往所有原子论者的地方,在于他将物理的原子论与化学反应的元素质量比巧妙地“嫁接”。道尔顿提出了著名的倍比定律:当两种元素A和B可以化合形成不同物质时,在这些物质中与一定质量A元素结合的B元素的质量成简单的整数比。
道尔顿的原子论甫一问世,就受到了化学家们的广泛关注,但是同时也面临着严峻的挑战。问题的核心在于,道尔顿所计算的原子量强烈依赖于未经证明的化学式。
设法调和这一冲突、并使原子论得到进一步发展的是瑞典化学家贝采利乌斯(J. J. Berzelius)。为了避免半个氧原子的尴尬,他提出不妨把水的化学式改为H2O,同时假定“相同体积气体的原子数相等”这一论断只适用于氢、氧等简单原子,而像水这样的复合原子则不必受其约束。
1828年,贝采利乌斯的德国学生维勒(F. W?hler)使用氰酸盐和氨水等无机物制备了有机物尿素,打破了有机物的合成必须依赖“生命力”的神话,揭开了近代有机化学的序幕。
卡尔斯鲁厄会议由德国化学家凯库勒(F. A. Kekulé)、维尔齐恩(C. Weltzien)和法国化学家武尔茨(C. A. Wurtz)发起,共有来自欧洲15个国家的140余位化学家参会,是历史上第一次国际学术会议。
分子学说之所以能在坎尼扎罗的手中前进一大步,是因为他从物质蒸气密度和元素质量比这两种宏观可测的性质出发,建立了推导物质分子量、分子式以及元素原子量的完整逻辑链条。