原子——分子說(shuō)

從氧化說(shuō)建立到新世紀(jì)到來(lái)之前的20余年時(shí)間內(nèi)，化學(xué)又取得了一些新進(jìn)展，如：又相繼發(fā)現(xiàn)了鉬、碲、鎢、鈦、釔、鉻、鈹?shù)刃略兀环▏?guó)化學(xué)家雅.查理(1746-1823年）于1785年發(fā)現(xiàn)了氣體的膨脹定律；1791年，康德的學(xué)生德國(guó)化學(xué)家李希特爾(1762-1807年）發(fā)現(xiàn)了酸和堿的中和定律以及當(dāng)量定律；法國(guó)化學(xué)家普呂斯(1754-1826年）于1799年發(fā)現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)的定比定律。這些新定律的發(fā)現(xiàn)，對(duì)化學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展有重要的實(shí)驗(yàn)意義。

到了18世紀(jì)末和19世紀(jì)初，由于人們?cè)趯?shí)驗(yàn)化學(xué)與理論化學(xué)中相繼取得的新發(fā)現(xiàn)和新進(jìn)展，人們?cè)絹?lái)越突出地感到這樣兩個(gè)問(wèn)題：其一，氧化學(xué)說(shuō)并不能解釋一切化學(xué)現(xiàn)象；其二，應(yīng)當(dāng)探索化學(xué)反映的本質(zhì)。當(dāng)新世紀(jì)到來(lái)時(shí)，對(duì)于包括化學(xué)在內(nèi)的整個(gè)自然科學(xué)來(lái)說(shuō)，新的科學(xué)革命不但早已具備了一種歷史必然性，而且也逐漸具備了一定的現(xiàn)實(shí)可能性。

古希臘哲學(xué)家認(rèn)為，世界本是由原子組成的，文藝復(fù)興后原子論又開(kāi)始復(fù)興。這對(duì)當(dāng)時(shí)的科學(xué)產(chǎn)生了廣泛而深遠(yuǎn)的理論。在早期近代科學(xué)中，波義耳的"火粒說(shuō)"和牛頓的"微粒說(shuō)"明顯受到古希臘原子論的啟迪。在晚期近代科學(xué)發(fā)展時(shí)期，古希臘原子論孕育出來(lái)的第一個(gè)理論成果是康德的天體演化說(shuō)，它所孕育出來(lái)的第二個(gè)理論成果是道爾頓的化學(xué)原子論。

道爾頓(1766-1844年）生于英國(guó)坎伯蘭的一個(gè)貧困的山村。1799年，開(kāi)始進(jìn)行專門的化學(xué)研究，1801年，道爾頓在一些氣體分析實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)了氣體的擴(kuò)散現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)了氣體的熱膨脹定律和分壓定律，正是從這里出發(fā)，使道爾頓最終走向了有關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)的原子論。

道爾頓為建立化學(xué)原子論所作的直接研究，始于1803年。1803年9月6日，他在筆記中寫(xiě)下了原子論的要點(diǎn)：

①原子是組成化學(xué)元素的、非常微小的、不可再分割的物質(zhì)粒子。在化學(xué)反應(yīng)中，原子保持其本來(lái)的性質(zhì)。

②同一元素的所有原子的質(zhì)量以及其他性質(zhì)完全相同。不同元素的原子具有不同的質(zhì)量以及其他性質(zhì)。原子的質(zhì)量是每種元素的原子的最基本特征。

③有簡(jiǎn)單數(shù)值比的元素的原子結(jié)合時(shí)，原子之間就發(fā)生化合反應(yīng)而生成化合物。化合物的原子稱為復(fù)雜原子。

④一種元素的原子與另一種元素的原子化合時(shí)，它們之間成簡(jiǎn)單的數(shù)值比。

在9月6日提出原子論的要點(diǎn)之后，在同月內(nèi)，他即根據(jù)當(dāng)時(shí)一些化學(xué)家對(duì)一些化合物分析的結(jié)果，并試用以氫的原子量為單位，初步計(jì)算出了氧、氮、硫、碳等元素的原子量。與此同時(shí)，他還創(chuàng)用不同的圓型符號(hào)，用來(lái)表示不同的元素的原子。由于當(dāng)時(shí)尚未建立化合物的分子理論，道爾頓還提出了復(fù)合原子的概念，并試用各種圓型符號(hào)的規(guī)則組合來(lái)表示化合物的復(fù)合原子。這種表示方法，實(shí)際上是后來(lái)出現(xiàn)的分子式的先驅(qū)。

1803年10月21日，道爾頓在曼徹斯特文哲會(huì)上宣讀了《論水對(duì)氣體的吸收》的論文，首次報(bào)告了他的化學(xué)原子論的要點(diǎn)，公布了他所編制的第一個(gè)原子量表，以及說(shuō)明為何用原子論來(lái)解釋物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)。同年10月10日至11月13日這段時(shí)間內(nèi)，他在筆記中記載了氧化氮與空氣的混合實(shí)驗(yàn)，試圖用來(lái)證實(shí)他的原子論。1804年以后，道爾頓又進(jìn)行了沼氣(甲烷）和油氣(乙烯）的化學(xué)成分的分析實(shí)驗(yàn)。他發(fā)現(xiàn)，甲烷中的碳與氫之比是4.3：4；而乙烯中的碳與氫之比是4.3：2。他由此推論出碳與氫化合的比例關(guān)系，并由此發(fā)現(xiàn)倍比定律：即相同的兩元素生成兩種或兩種以上的化合物時(shí)，若其中一種元素的重量不變，則另一種元素在其他化合物中的相對(duì)重量為2：1。他認(rèn)為，倍比定律很像是他的原子論的一個(gè)推論，也可以看作是他原子論的一個(gè)重要證明。1807年，英國(guó)化學(xué)家湯姆遜(1773-1852年）在他的《化學(xué)體系》一書(shū)中，向人們?cè)敱M地介紹了道爾頓的原子論。同年，道爾頓著手撰寫(xiě)他的主要化學(xué)著作《化學(xué)哲學(xué)的新體系》，該書(shū)的第一卷于1808年正式出版，道爾頓把他的原子論的主要實(shí)驗(yàn)和基本理論寫(xiě)入這一著作中，這樣，道爾頓的化學(xué)原子論即由此正式問(wèn)世。

道爾頓的原子論的建立，是繼拉瓦錫的氧化學(xué)說(shuō)建立以后，在理論化學(xué)中所取得的最重大的進(jìn)步，它對(duì)當(dāng)時(shí)的科學(xué)和哲學(xué)都具有重大的意義。在科學(xué)上，原子論首次揭示出了原子這一化學(xué)現(xiàn)象的物質(zhì)載體，揭示出了一切化學(xué)現(xiàn)象不過(guò)是原子的運(yùn)動(dòng)這一化學(xué)本質(zhì)。由于原子論揭示了化學(xué)的這一核心和本質(zhì)，化學(xué)才真正明確自己的研究對(duì)象，才真正奠定自己的科學(xué)基礎(chǔ)，化學(xué)也才真正成為科學(xué)。在哲學(xué)上，由于原子論以元素的原子量為元素的本質(zhì)屬性，這就初步揭示出了化學(xué)變化中的質(zhì)與量的關(guān)系，揭示出了化學(xué)反應(yīng)中的本質(zhì)與現(xiàn)象的關(guān)系，并由此初步揭示出元素的內(nèi)在聯(lián)系及其相互關(guān)系。因此，在繼天體演化學(xué)說(shuō)誕生之后，原子論又一次沖擊了當(dāng)時(shí)僵化的自然觀，同時(shí)，對(duì)于科學(xué)方法論的發(fā)展，對(duì)于辯證自然觀的形成，乃至對(duì)后來(lái)的整個(gè)哲學(xué)認(rèn)識(shí)論的發(fā)展，也都具有重要意義。

原子論的建立，極大地推動(dòng)了化學(xué)以及與化學(xué)相關(guān)的一些學(xué)科的發(fā)展，自此以后，化學(xué)及相關(guān)學(xué)科發(fā)展迅速。由于原子論的建立，導(dǎo)致了意大利物理學(xué)家阿佛加德羅(1776-1856年）的分子論的建立；導(dǎo)致了瑞典化學(xué)家貝齊力烏斯(1779-1848年）等人所進(jìn)行的元素的原子量的測(cè)定工作；導(dǎo)致了后來(lái)門捷列夫(1834-1907年）的元素周期律的發(fā)現(xiàn)。因此，原子論為19世紀(jì)初理論化學(xué)進(jìn)入新的發(fā)展時(shí)期的一個(gè)偉大的開(kāi)端。正如恩格斯所說(shuō)："化學(xué)中的新時(shí)代是隨原子論開(kāi)始的。"

原子論提出后不久，法國(guó)化學(xué)家蓋——呂薩克(1778-1850年）研究了各種氣體物質(zhì)反應(yīng)時(shí)的體積關(guān)系，他發(fā)現(xiàn)，氣體物質(zhì)化合時(shí)，體積上有簡(jiǎn)單的整數(shù)比關(guān)系，如：氫與氧化合成水時(shí)，體積比為2：1；一氧化碳和氧氣化合時(shí)，體積比為2：1；氮?dú)馀c氫氣化合時(shí)體積比為1：3；氨與氯化氫化合時(shí)，體積比為1：1等。1808年，他根據(jù)原子論所揭示的"化學(xué)反應(yīng)中的各種元素的原子以簡(jiǎn)單數(shù)目相化合"這一結(jié)論作出如下推論：不同的氣體在同等體積中所含有原子數(shù)成簡(jiǎn)單的整數(shù)比；而不同的氣體在化合時(shí)，它們的體積也成簡(jiǎn)單的數(shù)值比；在相等的體積中，氣體元素的重量正比于它的原子量。

呂薩克認(rèn)為，自己所發(fā)現(xiàn)的氣體反應(yīng)的體積定律是對(duì)道爾頓的原子論的一次有力論證，而道爾頓卻反對(duì)他的定律，認(rèn)為如果按照呂薩克的定律，在相同體積中不同氣體的原子數(shù)目相同，那么既然1體積氮與1體積氧化合生成2體積的氧化氮，則每一氧化氮原子中就應(yīng)只含半個(gè)氧原子和半個(gè)氮原子，這與原子論中"簡(jiǎn)單原子不可分割"是完全對(duì)立的。道爾頓認(rèn)為，這是呂薩克定律的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)不夠確切。而證明呂薩克的氣體反應(yīng)的體積定律正確無(wú)誤的是意大利物理學(xué)家阿佛加德羅。

阿佛加德羅于1811年發(fā)表了一篇論文，論述了關(guān)于原子量和化學(xué)式的問(wèn)題，他以呂薩克的實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，進(jìn)行了合理的推理，首次引入了一個(gè)與原子概念既有聯(lián)系又有區(qū)別的分子概念。他認(rèn)為，所謂原子是參加化學(xué)反應(yīng)時(shí)的最小質(zhì)點(diǎn)，所謂分子是在游離狀態(tài)下單質(zhì)或化合物能獨(dú)立存在的最小質(zhì)點(diǎn)。分子是由原子組成的。同種元素的原子結(jié)合成的分子即為單質(zhì)，而不同元素的原子結(jié)合的分子即為化合物。

在分子概念的基礎(chǔ)上，他提出了分子論，主要內(nèi)容是：

①分子是物質(zhì)具有獨(dú)特性質(zhì)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最小單位，是物質(zhì)結(jié)構(gòu)中的一個(gè)基本層次，無(wú)論是單質(zhì)還是化合物，在其不斷被分割的過(guò)程中，都有一個(gè)分子階段。

②單質(zhì)的分子可由多個(gè)原子組成。

③在同溫同壓下，同等體積的氣體含有同等數(shù)目的分子。

他的分子論使道爾頓的原子論與呂薩克的氣體反應(yīng)的體積定律在新的理論基礎(chǔ)上統(tǒng)一起來(lái)，從而成為化學(xué)和物理學(xué)的統(tǒng)一的理論基礎(chǔ)的原子——分子論。

阿佛加德羅以原子——分子論為依據(jù)，測(cè)定了氣體物質(zhì)的原子量和分子量，并確定了化合物中各種原子的數(shù)目。他根據(jù)氣體反應(yīng)時(shí)的體積比，確定了氨分子的組成為NH3(道爾頓錯(cuò)誤地定為NH），水分子的組成為H2O(道爾頓錯(cuò)誤地定為HO），這些結(jié)論都是正確的。但他的正確思想并未被當(dāng)時(shí)的化學(xué)界和物理學(xué)界所承認(rèn)和重視，反而被冷落了大約半個(gè)世紀(jì)，主要原因是由于當(dāng)時(shí)的科學(xué)的發(fā)展還不足以對(duì)分子作出系統(tǒng)的、明確的論證。