第二十二章　原子原來如此！

拉瓦錫被送上斷頭臺不久，時光進(jìn)入了新世紀(jì)——19世紀(jì)，在這個世紀(jì)里，化學(xué)又將前進(jìn)一大步，一個像拉瓦錫的氧化說一樣新型的理論誕生了，對化學(xué)產(chǎn)生了革命性的影響。

這個新理論就是新的原子理論。

西方人的原子理論我們前面已經(jīng)提了若干次，例如早在古希臘時代就有著名的德謨克利特原子說，但在這里原子說才終于走向了科學(xué)，讓我們了解原子原來如此！

—科學(xué)的原子說—

新的原子論是由道爾頓提出的。道爾頓是英國人，生于1766年，既是杰出的物理學(xué)家，更是偉大的化學(xué)家。道爾頓雖然是物理學(xué)家兼化學(xué)家，但他最感興趣的似乎是氣體。他從20來歲開始就當(dāng)起了業(yè)余氣象觀測員，終其一生不變，堅持作氣象觀測前后近60年。對氣象的愛好使他對空氣也產(chǎn)生了濃厚的興趣。在對空氣的研究中，他發(fā)現(xiàn)了氣體的分壓定律，即組成氣體的微粒只排斥同類微粒，對不同類的微粒卻毫無作用。

這是為什么呢？道爾頓作出了解釋。他認(rèn)為，物質(zhì)都是由原子組成的，同種物質(zhì)的原子，其大小、重量等都相同，不同物質(zhì)的原子，其重量大小都不同。因此，當(dāng)同種氣體混合時，由于組成它們的微粒重量大小都一樣，相互之間就會產(chǎn)生排斥，而當(dāng)異種氣體混合時，由于組成它們的微粒大小、重量等都不同，因此就不會產(chǎn)生排斥。

這不難理解。我們可以打個比方。在一個箱子里放許多橘子，然后再往上放一些別的橘子，請問后面的橘子會與先放的橘子混合嗎？當(dāng)然不能，因?yàn)樗鼈兌际情僮?，每個的大小、重量都差不多，原來就放滿了橘子的地方自然不能讓這些新橘子鉆進(jìn)去。但如果我們再放上一些紅棗或者黃豆呢？不用說，原來的橘子就不會排斥紅棗或者黃豆了，它們會從容不迫地從橘子之間的空隙里鉆進(jìn)去。這就是因?yàn)榧t棗、黃豆的大小與重量與橘子不同的緣故。

進(jìn)一步地，道爾頓又將這一觀念運(yùn)用于對化合物的研究之中，他認(rèn)為，化合物可能也是不同種類的原子之間的混合。他研究發(fā)現(xiàn)，在一氧化碳與二氧化碳之間，兩種氣體中碳與氧比重分別是5.4∶7和5.4∶14，同時它們之間氧的比重比為1∶2。

為什么會有這樣簡單的整數(shù)比呢？道爾頓猜想，這可能是因?yàn)槊糠N元素或者化合物都是由原子組成的，同種元素的每個原子的重量都是一樣的。對于化合物，它是由幾種元素之間由不同的原子數(shù)目組合而成的，例如一氧化碳，它是由一個碳原子與一個氧原子組成的，即在碳原子與氧原子之間數(shù)目是1∶1；而二氧化碳則是由一個碳原子與兩個氧原子所組成的，即在碳原子與氧原子之間數(shù)目的比是1∶2。這樣，在一氧化碳與二氧化碳之間，它們氧原子的數(shù)量之比就是1∶2，重量之比也是1∶2。

從這里可以看出來，原子的重量是一個關(guān)鍵因素，只要知道了每個原子的重量，就可以知道許多東西。因此，道爾頓開始想盡辦法去測量原子的重量。

道爾頓的原子理論是第一種真正科學(xué)的原子學(xué)說，是現(xiàn)代科學(xué)原子論的基礎(chǔ)。

1804年時，另一個英國科學(xué)家T·湯姆遜拜訪了道爾頓，接受了他的原子學(xué)說，并在這個基礎(chǔ)上提出了更為完整科學(xué)的原子學(xué)說，其基本觀點(diǎn)是：

1.化學(xué)元素是由非常微小、不可再分的物質(zhì)粒子組成的，這種粒子就是原子。

2.原子在所有化學(xué)變化中均保持自己的獨(dú)特性質(zhì)。且既不能被創(chuàng)造，也不能被消滅。

3.一元素的所有原子的性質(zhì)，特別是重量，完全相同。不同元素的原子的性質(zhì)與重量不同。原子的重量是元素的基本特征。

4.不同元素的原子以簡單的數(shù)目比例相結(jié)合，形成化合物。化合物原子稱為復(fù)雜原子，它的質(zhì)量為所含各種元素原子質(zhì)量之總和。同種化合物的復(fù)雜原子，其性質(zhì)與重量也必定相同。

看得出來，這些理論已經(jīng)基本上同我們現(xiàn)在流行的原子理論一樣了，不同的只是現(xiàn)代的原子論里沒有那個“復(fù)雜原子”。

不過，我們也看得出來，這個復(fù)雜原子的概念已經(jīng)被另一個概念所代替了，那就是分子。

—元素的符號—

在講分子之前，我還要插進(jìn)來講一講我們現(xiàn)在通行的元素符號是如何來的。

將各元素用各種方式表示，西方早已有之，例如煉金術(shù)士們，他們就用各種符號來表示諸元素，例如：

這些符號怪里怪氣，太不實(shí)用，因此，道爾頓后來提出了他自己的符號系統(tǒng)，特點(diǎn)就是用不同特點(diǎn)的圓圈來表示所有元素及其化合物：

這樣表示是因?yàn)榈罓栴D認(rèn)為所有原子都是圓形的，因此這樣形象一點(diǎn)。但這種方式的不方便也是顯而易見的，而且也并不形象，因?yàn)槲覀儾⒉荒芸吹綀A形的原子呢！

提出我們熟悉的現(xiàn)代形式的化學(xué)元素符號的是一個叫貝采里烏斯的人，他在1813年時建議用每種元素的拉丁文名稱的開頭字母作為化學(xué)元素的符號，如用O表示氧，用C表示碳，它們的拉丁文名字分別是：oxygenium、carbonicum，如果第一個字母相同，就再加上下一個字母，如S表示硫，sulphur，Si則表示硅，即silicium。

他后來又提出了表示化合物的方式，例如用CO²表示二氧化碳，看得出來，這種方式和現(xiàn)在也差不多，只是那個“2”從右上角移到右下角來了。

貝采里烏斯方法的好處是顯而易見的，不但簡單明了，方便記憶，而且能直接地表示化合物的組成及其中每種元素的原子個數(shù)，經(jīng)過一番折騰后，這種美妙的方式終于被化學(xué)界廣泛采用。

—原子與分子—

上面我們提到了湯姆遜理論中的復(fù)雜原子，它確實(shí)是道爾頓原子論里遺留的最大毛病，由于這個毛病的存在，使原子論還不能解釋許多現(xiàn)象。完成這一步的是蓋呂薩克和阿佛伽德羅。

蓋呂薩克是一個法國化學(xué)家，開始時他想知道空氣的組成是否與地域分布有關(guān)，他特別想測定空氣中氧的含量。具體而言是用定量的氫在定量的空氣中點(diǎn)燃，使氫氧化合成水，經(jīng)過一系列精巧的試驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象，就是無論在什么地方，當(dāng)氫氧完全反應(yīng)時，參加反應(yīng)的氫氧體積之比永遠(yuǎn)是2∶1。他想，是否其他元素之間的反應(yīng)也存在類似的情形？進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明這種情形確實(shí)廣泛存在，例如氮與氫反應(yīng)生成氨時的體積比是1∶3，氧與一氧化碳反應(yīng)生成二氧化碳的體積比是1∶2等。

由此，蓋呂薩克得出了一個簡單的結(jié)論：氣體在相互化合時，參加反應(yīng)的氣體的體積之間是一個簡單的數(shù)值比。

隨后他又進(jìn)一步測定了參加反應(yīng)物與反應(yīng)物三者之間的體積比，得出它們之間同樣存在簡單的整數(shù)比，例如在一氧化碳與氧生成二氧化碳的反應(yīng)中，三者的體積之比是2∶1∶2。在氫與氮生成氨的反應(yīng)中，三者的體積之比是3∶1∶2。這說明，反應(yīng)后生成的氣體與參加反應(yīng)的氣體的體積之間也是一個簡單的整數(shù)比。

這時候，他想到了道爾頓的理論：在化學(xué)反應(yīng)中，原子是以簡單的整數(shù)比相結(jié)合。這樣就有了兩個整數(shù)比：一個是兩種反應(yīng)物之間體積之比，一個是兩種反應(yīng)物之間原子的個數(shù)之比。是不是這兩個整數(shù)比間有某種聯(lián)系呢？當(dāng)然可能。而這種可能性之下只有一個可能的結(jié)果，那就是：在同溫同氣壓下，相同體積的不同氣體，且無論是單質(zhì)還是化合物，都含有相同數(shù)目的原子。

這樣一來，就把兩個整數(shù)比統(tǒng)一起來了。我們前面講道爾頓的原子論時說過，不同元素的原子以簡單的數(shù)目比例相結(jié)合，形成化合物。現(xiàn)在，由于在同溫同氣壓下，同體積的氣體含有的原子數(shù)目也相等。因此它們反應(yīng)時氣體之間的體積之比也必定成一簡單的整數(shù)比。

蓋呂薩克得到這個結(jié)論后，以為為道爾頓的原子論找到了一個最好的證明，道爾頓應(yīng)該感謝他，想不到道爾頓不但不感謝，反而起來反對他的理論。道爾頓認(rèn)為，說同體積的不同氣體內(nèi)含有相同數(shù)目的原子是不可能的，因?yàn)椴煌氐脑哟笮〔煌?，如何能夠在相同的體積內(nèi)裝下相同數(shù)目的原子呢？這就像一邊是大蘋果，一邊是小李子，能夠在一樣大的箱子里裝上相同數(shù)目的蘋果與李子又將它們同時裝滿嗎？這顯然是不可能的。還有，前面說過，一體積的氮與一體積的氧化合后，會生成兩體積的氧化氮。根據(jù)這種說法，就要將每個氧原子與每個氮原子剖成兩半，然后讓它們形成一個氧化氮原子，使氧化氮原子的個數(shù)擴(kuò)充兩倍，這樣一來才能充滿那兩個體積。這顯然也是荒唐的。

應(yīng)該說，道爾頓的反駁是十分有力的，因此蓋呂薩克招架不住。

但招架不住并不等于他錯了，只是說明他的武器還不夠完好，這完好的工作是由阿佛伽德羅來完成的。

阿佛伽德羅正是從蓋呂薩克理論的不完備之處出發(fā)的。他最大的創(chuàng)新是提出了“分子”的概念。

阿佛伽德羅指出：原子是參加反應(yīng)的最小微粒，但原子并不總是獨(dú)立存在，它們能夠相互結(jié)合在一起形成分子。當(dāng)單質(zhì)或者化合物存在時，它們并不是以原子的形態(tài)存在，而是由若干個原子一起構(gòu)成分子。化學(xué)反應(yīng)則是由不同物質(zhì)的分子內(nèi)各原子的重新組合。

進(jìn)一步地，阿佛伽德羅只將蓋呂薩克的理論改了一個字，就形成了阿佛伽德羅定律：

在同溫同壓下，等體積的各種氣體含有相同的分子數(shù)。這是由阿佛伽德羅在1811年提出來的，只將蓋呂薩克理論中的“原子”改成了“分子”。

這樣一來，蓋呂薩克理論遭遇的那些詰難便迎刃而解了。例如，為什么一體積的氮與一體積的氧化合后，會生成兩體積的氧化氮呢？這是因?yàn)檠跖c氮的分子都是由兩個原子組成的，反應(yīng)后，就是由一個氧原子與一個氮原子組成一個氧化氮分子。這樣，氧化氮分子的個數(shù)就比氧分子的個數(shù)擴(kuò)大了一倍。因此，它所占據(jù)的體積也就要擴(kuò)大一倍了。從它們的反應(yīng)式就可以明顯地看出來：N₂＋O₂＝2NO。

—妙測原子的質(zhì)量—

更絕的是，聰明的阿佛伽德羅還進(jìn)一步找出了測定物質(zhì)相對質(zhì)量的一個好辦法。

我們想想，既然任何物質(zhì)變成氣體后，在同溫同壓下，相同體積內(nèi)所含的分子個數(shù)相等，那么，只要稱出這時候這個體積氣體的總質(zhì)量之比，這個比值也就是每個分子的質(zhì)量之比了。這是一個簡單的數(shù)學(xué)問題，大家不難明白。

從此出發(fā)，要測量任何元素的原子量——也就是原子的相對質(zhì)量——就不是難事了。例如要測出氫與氧原子的相對質(zhì)量，只要準(zhǔn)備兩個體積一樣大的盒子，將之置于同溫同壓下，然后在里面分別充入氧氣與氫氣。將他們稱一下，再將這兩個值一比，所得到的比值就是氫與氧原子的質(zhì)量比了。當(dāng)然，這里還有一點(diǎn)要說明，那就是每個氫分子與氧分子都是由兩個原子組成的。

其實(shí)，不但可以測定氣體，就是液體與固體的原子量也測得出來，只要將它們變成氣體就行了，這并不難做到。

現(xiàn)在我們測定原子量的法子正是用的阿佛伽德羅辦法，采用的是氫原子的質(zhì)量作為標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗钶p，其余元素的原子量就是它們與氫原子質(zhì)量的比值。

阿佛伽德羅定律誕生之后，在相當(dāng)長一段時間里，化學(xué)家們的主要工作就是用這個辦法來測定各元素的原子量。當(dāng)然有時也測定各化合物的分子量，仍然是與氫原子質(zhì)量的比值。

阿佛伽德羅提出他的理論后，由于他當(dāng)時還是一個無名之輩，因此他的理論沒有得到足夠的重視，直到1860年，通過一位叫康尼查羅的意大利物理學(xué)家的努力才漸漸為化學(xué)家們接受。這一年，100多位物理學(xué)家在德國聚會，討論化學(xué)問題，尤其是原子量的問題，康尼查羅就是在這次會議上詳述了阿佛伽德羅理論及他對之的發(fā)展，也正是他的闡述使人們注意到了阿佛伽德羅的理論。

在參加這次會議的人中，有一位來自俄羅斯的化學(xué)家，他的名字叫門捷列夫，阿佛伽德羅的理論讓他大開眼界，一個革命性的理論就此在他的頭腦里醞釀了。這就是我們下章要講的元素周期律。